單片機在數控車(chē)床切削力測量中的應用

1、問(wèn)題的提出
在數控車(chē)床的加工中，切削力的測量甚為重要。通過(guò)對切削力的測量可以分析與研究數控車(chē)床各零部件、機構或結構的受力情況和工作狀態(tài)，驗證設計和計算結果的正確性，確定整機工作過(guò)程中的負載譜和某些物理現象的機理。因此，他對發(fā)展設計理論、保證數控機床安全可靠地運行以及實(shí)現數控機床自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制和切削力過(guò)載報警等都具有十分重要的作用和適用價(jià)值。

2、系統硬件接口電路的設計
系統硬件原理框圖如圖1所示。系統以AT89C51單片機為控制核心，外圍電路針對單片機的功能特點(diǎn)而設計，充分利用了AT89C51單片機片內資源豐富的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了可靠性。下面對系統中主要功能模塊與硬件可靠性技術(shù)逐一分析。

圖1 系統硬件原理框圖

2.1 切削合力與分力
為了便于測量和研究數控車(chē)床切削力起見(jiàn)，尤其是為了適應生產(chǎn)中設計和使用數控機床、刀具和夾具的需要，一般都把總切削力Fr分解成三個(gè)互相垂直方向的力，即Fz、Fy、Fx來(lái)研究。
2.2 測力傳感器
通常測力儀中最常用的傳感器是電阻絲應變片和壓電晶體。我們所設計的八角環(huán)測力儀是一種電阻絲應變片式的測力儀。其工作原理是測力儀的八角環(huán)是彈性元件，在環(huán)的內外壁上粘貼電阻應變片，并連結成三個(gè)電橋以作為測定X、Y、Z三個(gè)方向切削力的傳感器，在數控車(chē)床車(chē)削時(shí)，車(chē)削力經(jīng)工件轉動(dòng)傳遞于車(chē)刀上，再由車(chē)刀刀桿傳遞到八角環(huán)，八角環(huán)的變形使緊貼在其上的電阻應變片也隨之變形，電阻值R發(fā)生了變化（R±ΔR）。當應變片受拉伸時(shí)，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當應變片受壓縮變形時(shí)，電阻絲直徑變粗，電阻值變?。≧-ΔR）,從而輸出正比例電信號。實(shí)驗得知，由于電阻應變片的電阻變化很小，所以必須將信號放大到0—5V后才能輸入單片機控制系統進(jìn)行相應的處理。
電阻應變片組成的電橋如圖2所示。a)圖為等臂全橋電路，b)圖為臥式半橋電路。

圖2 電阻應變片組成的電橋

圖2中a)為由電阻應變片所組成的電橋R1、R2、R3、R4分別為四個(gè)電橋橋臂的電阻。當A、C端加以一定的橋壓U時(shí)則B、D端的輸出電壓 U由下式求得：

（1）