單片機在數(shù)控車床切削力測量中的應(yīng)用

1、問題的提出
在數(shù)控車床的加工中，切削力的測量甚為重要。通過對切削力的測量可以分析與研究數(shù)控車床各零部件、機構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況和工作狀態(tài)，驗證設(shè)計和計算結(jié)果的正確性，確定整機工作過程中的負(fù)載譜和某些物理現(xiàn)象的機理。因此，他對發(fā)展設(shè)計理論、保證數(shù)控機床安全可靠地運行以及實現(xiàn)數(shù)控機床自動加工、自動檢測、自動控制和切削力過載報警等都具有十分重要的作用和適用價值。

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

圖1 系統(tǒng)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(shù)控車床切削力起見，尤其是為了適應(yīng)生產(chǎn)中設(shè)計和使用數(shù)控機床、刀具和夾具的需要，一般都把總切削力Fr分解成三個互相垂直方向的力，即Fz、Fy、Fx來研究。
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(yīng)變片和壓電晶體。我們所設(shè)計的八角環(huán)測力儀是一種電阻絲應(yīng)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(nèi)外壁上粘貼電阻應(yīng)變片，并連結(jié)成三個電橋以作為測定X、Y、Z三個方向切削力的傳感器，在數(shù)控車床車削時，車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動傳遞于車刀上，再由車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(yīng)變片也隨之變形，電阻值R發(fā)生了變化（R±ΔR）。當(dāng)應(yīng)變片受拉伸時，電阻絲直徑變細(xì)，電阻值增大（R+ΔR）,當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時，電阻絲直徑變粗，電阻值變?。≧-ΔR）,從而輸出正比例電信號。實驗得知，由于電阻應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
電阻應(yīng)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(yīng)變片組成的電橋

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

（1）