基于AT89S51的数控机床切削力测量系统研究.pdf

第 6期 总第 1 5 1期 2 0 0 8年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI C AL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 8 0 6 0 1 8 4 0 3 基于 AT8 9 S 5 1的数控机床切削力测量系统研究 郭 力 陕西国防工业职业技术学院 机 电系，陕西 西安 7 1 0 3 0 0 摘要 切削力在工程设计中是一个很重要的参数 ， 传统测力方法工作繁琐 、 耗费时间长、 数据处理麻烦 。 针对 这些不足 ， 对原有测力方法进行改进， 应用 AT8 9 S 5 1 单片机进行辅助测试 ， 使测量切削力 的过程变得简单 、 方 便 ，测量精度高。 关键词 数据采集；切削力；A／ D 转换 中图分类号 TG6 5 9 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 在数控机床加工中，切削力的测量甚为重要 。通 过对切削力 的测量可以分析与研究数控机床各零部 件、机构或结构的受力情况和工作状态 ，验证设计计 算结果 的正确性 ，确定整机工作过程中的负载谱和某 些物理现象的机理 。因此，它对发展设计理论 ，保证 数控机床安全可靠的运行 以及实现数控车床 自动加 工、自动检测、自动控制和切削力过载报警等都具有 十分重要的作用 。 在测量切削力的过程中，必须借助于测力仪。测 力仪的种类很多 ，常用的是电测力仪 ，其又分为电阻 式和电感式 ，最常用的是电阻式三线测力仪 。从实验 数据及其处理过程中可以看出，用测力仪测力存在如 下弊端 不仅要标定 ，还要进行大量的数据处理 ；最 重要的是，结果不一定准确 。本文设计了一种切削力 全自动测量仪 ，采用 AT8 9 S 5 1 单片机和 0 8 0 9 A／ D转 换器 ， 在采样的基础上 ， 运用 A／ D转换技术 ， 将模拟 量转换成数字量，最后编辑数据处理程序 ，在显示屏 上直接显示出切削力的实际大小。 1 基 于 A T 8 9 S 5 1的切 削力测 量 系统 图 1 为切削力的计算机辅助采集与处理系统结构 框 图。 摹 H箍 翥H H 票 图 1 切削力的计算 机辅助采集与处理系统结构框图 收稿 日期 2 0 0 8 0 4 2 4 ；修 回日期 2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介 郭力 1 9 8 1 一 ， 男 ， 陕西户县人 ， 助教 ． 本科。 硬件部分的设计包括 单片机的选取、A ／ D转换 器的选择和硬件电路的连接。在这个系统中，最关键 的是将动态 电阻应变仪输出的模拟 电压转换成数字 量 ， 然后应用单片机进行数据处理。 根据精度要求， 我 们选择采样周期为 1 0 0 s的 0 8 0 9芯片。 对单片机，由 于程序不是太大，占用空间小，选取 ATME I 公司的 AT 8 9 S 5 1 单 片机 。 1 ． 1系统硬 件 电路 设计 根据所选用的单片机、 A／ D转换器等硬件设备设 计的系统硬件连接电路图见 图 2 。由于 YD一1 5型动 态 电阻应变仪具有很强的放大、滤波功能 ，所以我们 利用这一特点，接线时直接采用，而没有设专门的放 大器，使得试验简单、容易进行 。 若直接采用放大器， 则单片机系统在控制或检测高电压、 大电流的信号时， 必须采用电器上 的隔离并抑制干扰 。光电耦合器是利 用光传递信息的器件 ，它使电路的输入和输出在电气 上完全隔离 ，大大提高了系统的安全可靠性，并可实 现共模噪声的抑制和电源的变换等，光电隔离电路见 图 3 。控 制输 出时，微 机输 出的 控制 信 号 经非 门 7 4 I S 0 4反向后 ，加到光 电耦合器 G 的发光二极管正 端。当控制信号为高电平时，经反向后 ，加到发光二 极管正端的电平为低 电平 ， 因此， 发光二极管不导通 ， 没有光发出，这时光敏三极管截止，输出信号几乎等 于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号 为低电平时，发光二极管导通并发光 ，光敏三极管接 收发光二极管发出的光而导通 ，于是输出端的电平几 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 6期 郭力基 于 A T8 9 S 5 1 的数控机床切削力测量 系统研 究 1 8 5 乎等于零 。同样的道理 ，可将光电耦合器用于信息的 输入 。光电耦合器还有其它的连接方式 ，以实现不同 要求的电平或极性转换 。 光电隔离电路的主要作用为 ①可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各 自使 用一套电源供电；②可以进行电平转换；③提高驱动 能力 。 去 图 2 系统硬件电路连接图 【 a 输 出 f b 输入 图 3光 电 隔离 电路 1 ． 2 系统 软件设 计 根据设计要求 ， 软件部分用计算机 0 8 0 9 采样 ， 让 采样值直接显示出来 ， 经过 5 s 延时再显示加载的实际 值。主程序流程见图 4 。 根据主程序的要求设计子程序，先将其写人数据 存储器中，数据存储器只起暂存作用 ，掉电后程序将 消失 ，每次试验均需重新写入。所以，在确定程序可 行后 ， 再将其写入程序存储器 E P RO M 中。 检测、显 示流 程图见 图 5 。 1 ． 3试验验 证 表 1 为 l组试验数据 ，图 6为显示值与采样值分 布图。显示值与加载值之间的关系为 Y一 20 0 x 1 。 图 4 主程序流程图 图 5检 测 、显 示 流 程 图 从图 6中可以看出，有许多点不在直线上 ，而是 分布于直线附近，这说 明有许多因素影响测量值，如 等强度梁的恢复问题、仪器老化、梁受力不均等均会 影响试验结果的准确度 。但根据显示值与采样值之间 的关系，通过编程，就可以直接显示加载的力值 。把 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8 年 第 6期 程序固化在计算机 中， 就可以直接调用 ， 简化过程 ， 完 全实 现 自动处理 。 2 结 论 传统测力方式繁琐 、耗费时间、数据处理过程极 复杂 ，而且结果 不准 确 。 表 1 试验数据 加 载 N O l 2 l 3 4 l 5 6 I 8 ． 5 l 1 1 3 ． 5 1 6 1 8 ． 5 2 l 2 3 ． 5 J 2 6 I 2 8 ． 5 显 示 值 O 1 2 l 2 3 l 3 4 l 5 6 8 9 l l l 2 1 3 I 1 4 l 1 5 l I 。 I I 一 ， l 1 ， 一 j 一 一 ，一 ／ I ， 一一r 一一一 r ／ 一r J 一 ， 一 ， l } ， l l 专 门仪器 ，使测切削力的过程更简便 ，更有利于现代 化 的生产现 场 。 S h a n x i I n s t i t u t e O f T e c h n o l o g y， Xi ’ a n 7 1 0 3 0 0 Chi n a Ab s t r ac t The c ut t i ng f or c e i n t he e n gi ne e r i ng d e s i gn i s a v e r y i mpo r t a nt p a r a me t e r ． The t r a di t i o na l me a s ur e me nt me t hod ha s ma ny d i s a dv a nt a ge s， s u c h a s c omp l i c a t e d op e r a t i on， t i me c on su mi ng a nd S O o n．I n vi e w of t he s e i ns u f f i c i e nc i e s， t hi s a r t i c l e ma ke s t h e i mp r o v e me n t t O t h e o r i g i n a l me t h o d， c a r r i e s o n t h e a s s i s t a n c e t e s t u s i n g AT8 9 S 5 1 mo n o l i t h i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ， ma k e s t h e me a s ur e me nt p r o c e s s of t h e c ut t i n g f or c e s i mpl y an d c onv e ni e nt l y， a nd wi t h a hi gh me a s ur i ng a c c u r a c y ． Ke y wo r d s d a t a a c q u i s i t i o n； c u t t i n g f o r c e ； A／ D t r a n s f o r ma t i o n 上 接第 1 8 3页 5 各种异常情况下的传动效率变化特点 各种异常情况下的传动效率变化特点见表 2 。 表 2 各种异常情况下的传动效率变化特点 序号 异常现象 传动效率 变化特点 1 异常干涉 转速越高效率越低 ； 扭矩越大效率越低 2 异常磨损 扭矩越大效率越低 ； 转速越高效率越低 3 间隙不当 温度对传动效率有明显影响 4 齿轮有飞边 毛刺 开始运转时传动效率低 ， 运转时间长 了之后传动效率有所提高 5 壳体刚度低 随着扭矩的增大． 传动效率降低 6 轴承疲劳点蚀 扭矩瞬问增大， 变化频率无规律 Fa c t o r s o n Tr a ns m i s s i o n Ef f i c i e n c y o f t he M e c ha ni c a l Ge a r bo x ZHANG YOil l u Te c hn o l o g y Ce n t e r o f Da t o n g Ge a r Gr o u pCo ． Lt d． ， Da t o n g 0 3 7 0 0 6 ． Chi n a Ab s t r a c t Tr a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y i s a n i mp o r t a n t t e c h n i c a l p a r a me t e r o f me c h a n i c a l g e a r b o x， i t d i r e c t l y r e f l e c t s t h e d e s i g n a n d ma nu f a c t ur e l e v e l of t he g e a r bo x．Fi r s t l y， t hi s pa p e r an a l y z e d t he ma i n f a c t or s whi c h i nf l u e nc e d t he t r a ns mi s s i o n e f f i c i e nc y of a me c h a n i c a l g e a r b o x ． Th e n， i t p u t e mp h a s i s o n h o w t O t e s t t h e t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y， a n d i n t r o d u c e d t wo t e s t s c h e me s ． Th e me t h o d s p r o p o s e d i n t h e p a p e r h a v e a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e e n t e r p r i s e s wh o ma n u f a c t u r e s i mi l a r p r o d u c t s ． Ke y wo r d s t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y ； g e a r b o x ； e v a l u a t i o n i n d e x 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m