基于單片機的切削力報警裝置開發(fā)

時忠明

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇蘇州215008)

切削加工過程中，存在諸多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具磨損、切削顫振等。其中，切削力對加工過程具有非常重要的影響。切削力增大，會使產(chǎn)生的切削熱增多和切削溫度升高，從而導致刀具磨損、破損，降低刀具耐用度，并引起刀具和工件的變形和振動，降低已加工表面質(zhì)量。另外，切削力還是計算切削功率、確定機床負荷、選擇切削用量的重要依據(jù)。

作者根據(jù)實驗室的具體設(shè)備，針對YDIII-05 型三向壓電式測力儀，研制了一個切削力報警裝置。對切削加工過程進行在線監(jiān)控，便于實時判斷加工狀態(tài)，實現(xiàn)工藝優(yōu)化，從而達到保證加工質(zhì)量，保證機床、刀具安全，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的。

1 報警裝置的組成及結(jié)構(gòu)

裝置主要分成主控制器、通信模塊、外部存儲模塊、顯示模塊、鍵盤模塊等，整體框圖見圖1。

1.1 單片機系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)整體框圖

單片機選擇飛利浦公司的P89C51RD2B。P89C51RD2B是一款低功耗、高速八位處理器，它與MCS_ 51 系列的單片機相兼容。它最大的特點是內(nèi)部有20 kB 的程序存儲器。由于采用C 語言作為開發(fā)語言，程序代碼相對比較多。因此，這也是作者采用該款單片機作為主控制器的重要原因。單片機系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1.2 顯示電路

系統(tǒng)可以和上位機相連，通過上位機進行報警值的設(shè)置;當不和上位機相連時，可以通過顯示電路，顯示三坐標上的切削力，同時可以進行報警值的設(shè)置。顯示電路采用74HC595 驅(qū)動數(shù)碼管，靜態(tài)顯示方式，直觀大方，亮度高，見圖3。

圖2 單片機系統(tǒng)電路圖

圖3 顯示電路圖

1.3 鍵盤電路、數(shù)據(jù)采集及通信電路

鍵盤是人機交換信息的重要途徑，按照鍵盤與單片機的連接方式可分為獨立式鍵盤與矩陣式鍵盤。

在該設(shè)計中，設(shè)置了4 個按鍵，分別定義的功能為“加一、減一、三坐標選擇、切換”。考慮到按鍵數(shù)目不是很多，且單片機剩余的I/O 口較多，所以采用獨立式鍵盤。電路原理圖如圖4所示。按鍵增加了上拉電阻，其目的就是把不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，從而增強鍵盤的抗干擾能力。

數(shù)據(jù)采集部分選用TI 公司的TLC2543。TLC2543 A/D 轉(zhuǎn)換器運用很廣泛，它是TI 公司的12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D 轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51 系列單片機I/O 資源;且價格適中，分辨率較高。

圖4 鍵盤、A/D 采集電路

通信采用串行通信。根據(jù)傳輸信號的不同，可將串行通信分成3 種形式:TTL 電平信號傳輸、RS232C電平信號傳輸和雙線差分信號傳輸。雖然單片機自帶了異步接收/發(fā)送器UART，但其采用的是TTL 電平。為了將數(shù)據(jù)上傳到計算機上，就必須在通信接口處采用相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片來進行信號的轉(zhuǎn)換。芯片采用的MAX232。圖5 是上位機的界面，可以實現(xiàn)切削力實時顯示和報警值設(shè)定。

圖5 上位機界面

2 加工試驗

進行了一組切削試驗，以測試報警裝置的性能。試驗條件為:

工件:2A12 鋁合金，T8 狀態(tài);

機床:Mikron UCP DURO800;

刀具:Fraisa 硬質(zhì)合金兩齒立銑刀，直徑12 mm;

測力儀:YDIII-05 型三向壓電式測力儀。

試驗過程中，根據(jù)先前的實驗結(jié)果，預先設(shè)定報警條件，進行了幾次試驗，效果很好。當某向切削力超過預先設(shè)定的值時，報警裝置就發(fā)出較大的報警聲音，并在該向切削力對應(yīng)的顯示位置顯示紅色，見圖6 的測試報警裝置的加工現(xiàn)場。

圖6 加工現(xiàn)場

3 結(jié)論

結(jié)合具體設(shè)備和測力儀，應(yīng)用P89C51RD2B 單片機，開發(fā)了一套切削力在線報警裝置，可以用于切削加工試驗過程中，監(jiān)測切削力的突然變化，防止因切削力長時間超差，造成刀具、機床和工件的破壞。并在Mikron UCP DURO800 高速加工中心上進行了試驗驗證，效果良好。這樣，可以有效地提高加工過程的可靠性和安全性。

【1】于忠得.單片機原理與工程設(shè)計實例［M］.北京:清華大學出版社，2011.

【2】倪曉軍，章韻.單片機原理與接口技術(shù)教程［M］.北京:清華大學出版社，2009.

【3】http://bbs.elecfans.com.

【4】周元華，馬衛(wèi)國.多通道壓力數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2011，39(2):119－117，100.

【5】許鵬，鄧志平.細長軸加工的單片機誤差補償系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2011，39(22):91－92.

【6】洪俊雄，朱兆優(yōu).可燃氣體檢測與報警裝置的設(shè)計［J］.湖南農(nóng)機，2011，39(7):49－50.

【7】仇文寧，徐偉，陳東升.基于單片機的旋挖鉆機防摔鉆桿報警裝置的設(shè)計［J］.礦山機械，2011(3):15－17.