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,，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當應變片受壓縮變形時,，電阻絲直徑變粗,，電阻值變小（R-ΔR）,從而輸出正比例電信號,。實驗得知,，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(tǒng)進行相應的處理,。
　　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分別為四個電橋橋臂的電阻,。當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） 　　由式（1）可知,，當R1R3=R2R4時，電橋輸出電壓ΔU=0,即電橋處于平衡,，這就是在進行切削力測量前必須進行的電橋平衡的調(diào)節(jié)工作,。
　　在切削力的作用下，應變片的電阻發(fā)生變化,，破壞了電橋的平衡,。若R1、R2,、R3、R4分別產(chǎn)生ΔR1 ,、ΔR2 ,、ΔR3 、ΔR4的電阻變化,，則由式（1）電橋的輸出電壓為：
（2）
　　由式（2）可以看出電橋的一個重要性質(zhì),，當電橋相鄰兩臂有符號相同的電阻變化時，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結(jié)果,。因此,，在測力儀接橋時，為使電橋有較大的輸出,，則應使電橋相鄰兩臂有符號相反的電阻變化,，而相對兩臂有符號相同的變化,。這就是本測力儀布片于接橋的原則。
　　測力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個臂組成,，R1=R2=R3=R4）及半橋（電橋由兩個臂加上兩個固定電阻組成,，R1=R2=R）,如圖2所示。由式（2）兩種電橋的輸出電壓為：
　　全橋：ΔU=U/4R(ΔR1-ΔR2+ΔR3-ΔR4) （3）
　　半橋：ΔU=U/4R(ΔR1-ΔR2) （4）
　　比較（3）和（4）可知,，當 ΔR1= ΔR3=+ΔR; ΔR2=ΔR4=-ΔR時,，全橋的輸出為半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍,。因此,，為提高測力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出,，我們在設(shè)計測力儀時采用了等臂全橋的測量電路,。

2.3 量程放大器
　　把傳感器輸出的信號一般為µv— mv級，放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能接收的統(tǒng)一電平0—5V,。

2.4 多路開關(guān)
　　把數(shù)控車床切削過程中由傳感器變換后的各路的電信號與A/D相連,，以便進行A/D轉(zhuǎn)換，這樣既可節(jié)省設(shè)備,，又不至于使各個被測參數(shù)之間互相競爭,。多路開關(guān)每次閉合的通道號由程序控制。

2.5 采樣保持電路
　　由于現(xiàn)場所測的切削力是連續(xù)變化的,，而單片機采樣卻是斷續(xù)的,，為了使參數(shù)未被采樣時仍能維持原來的數(shù)值，所以需要增加一采樣保持電路,，我們采用了大規(guī)模集成電路芯片LF398,。

2.6 A/D轉(zhuǎn)換器
　　把測力傳感器輸出的模擬電壓變成數(shù)字量，我們選用的是ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器,，他的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法,。在A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關(guān)數(shù)組的256R分壓器,，以及一個逐行逼近的寄存器,。八路的模擬開關(guān)可由地址鎖器和譯碼器控制，可以在八個通路中任意訪問一個單邊的模擬信號,。

2.7 顯示切削力
　　A/D轉(zhuǎn)換器雖然將測力傳感器輸出的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，但是它并不是實際數(shù)控車床切削力的值，要得到真正的切削力的值還需進行以下兩步工作：靜態(tài)標定和標度變換,。
　　靜態(tài)標定：就是通過實驗建立測力傳感器輸出電壓與切削力之間的關(guān)系曲線和數(shù)學模型,。
　　標度變換：就是將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的00H—FFH數(shù)字量再轉(zhuǎn)換為實際的切削力的值。
　　以上兩步工作進行完畢后才能在單片機LED上顯示出數(shù)控車床實際的切削力的值。以便數(shù)控車床操作人員進行監(jiān)視和管理生產(chǎn)等,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)的主程序框圖見圖3,，系統(tǒng)軟件包括：動態(tài)顯示程序、A/D采樣程序,、標度變換程序和中斷服務程序等,。中斷服務程序主要是利用定時器中斷產(chǎn)生的時標，對LED數(shù)碼管進行動態(tài)刷新顯示,。
3.1 A/D采樣程序
　　本程序分主程序和中斷服務程序兩部分,。主程序用來對中斷初始化，給ADC0809發(fā)啟動脈沖,、送模擬量路數(shù)的地址,、動態(tài)顯示、監(jiān)控報警等,。中斷服務程序用來接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量和判斷一遍采樣完成否,。
圖3 系統(tǒng)主程序框圖
 
圖4 標度變換子程序框圖 　　部分參考程序如下：
　　主程序：
ORG 0A00H
MOV R1,#30H；輸入數(shù)據(jù)區(qū)起始地址
MOV R4,#03H,；模擬量總路數(shù)送R4
MOV R2,#00H;IN0地址送R2
SETB EA
SETB EX0
SETB IT0
MOV R0,#0F0H
MOV A,R2
MOVX @R0,A
SJMP $ ;等待中斷

　　中斷服務程序：
ORG 0003H
AJMP CINT1
ORG 0100H
CINT1: MOV R0,#0F0H
MOVX A,@R0
MOV @R1,A
INC R1
INC R2
MOV A,R2
MOVX @R0,A
DJNZ R4, LOOP,；若未采集完3路，則轉(zhuǎn)LOOP
CLR EX0,； 若采集完3路,，則關(guān)INT0中斷
LOOP: RETI
END

3.2 標度變換子程序框圖
　　由實驗結(jié)果得知，本系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量與數(shù)控車床切削力的值呈線性關(guān)系,。因此,，標度變換的數(shù)學公式為：Ax=A0+(Am-A0)(Nx-No)/(Nm-No)
　　A0 ── 一次測量儀表的下限
　　Am ── 一次測量儀表的上限
　　Ax ── 實際測量值
　　N0 ── 儀表下限所對應的數(shù)字量
　　Nm ── 儀表上限所對應的數(shù)字量
　　Nx ── 測量值所對應的數(shù)字量
　　為了使程序簡單，一般把被測參數(shù)的起點A0（輸入信號為0）所對應的A/D轉(zhuǎn)換值為0,，即N0=0,，這樣公式變?yōu)椋?br /> Ax= Nx/Nm(Am-A0)+A0
　　該系統(tǒng)標度變換子程序框圖如圖4所示。

4 結(jié)束語
　　應用單片機測量數(shù)控車床切削力,，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中連續(xù)自動采樣,、實時顯示、過載報警,，以便操作人員進行監(jiān)控和管理生產(chǎn),，有效地防止了因切削用量過大而損壞數(shù)控車床的現(xiàn)象發(fā)生。本系統(tǒng)也可經(jīng)改進后移植到需限載的其他領(lǐng)域中應用,。