基于单片机的切削力报警装置开发

时忠明

(苏州农业职业技术学院，江苏苏州215008)

切削加工过程中，存在诸多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损、切削颤振等。其中，切削力对加工过程具有非常重要的影响。切削力增大，会使产生的切削热增多和切削温度升高，从而导致刀具磨损、破损，降低刀具耐用度，并引起刀具和工件的变形和振动，降低已加工表面质量。另外，切削力还是计算切削功率、确定机床负荷、选择切削用量的重要依据。

作者根据实验室的具体设备，针对YDIII-05 型三向压电式测力仪，研制了一个切削力报警装置。对切削加工过程进行在线监控，便于实时判断加工状态，实现工艺优化，从而达到保证加工质量，保证机床、刀具安全，提高生产效率，降低生产成本的目的。

1 报警装置的组成及结构

装置主要分成主控制器、通信模块、外部存储模块、显示模块、键盘模块等，整体框图见图1。

1.1 单片机系统

图1 系统整体框图

单片机选择飞利浦公司的P89C51RD2B。P89C51RD2B是一款低功耗、高速八位处理器，它与MCS_ 51 系列的单片机相兼容。它最大的特点是内部有20 kB 的程序存储器。由于采用C 语言作为开发语言，程序代码相对比较多。因此，这也是作者采用该款单片机作为主控制器的重要原因。单片机系统电路图如图2所示。

1.2 显示电路

系统可以和上位机相连，通过上位机进行报警值的设置;当不和上位机相连时，可以通过显示电路，显示三坐标上的切削力，同时可以进行报警值的设置。显示电路采用74HC595 驱动数码管，静态显示方式，直观大方，亮度高，见图3。

图2 单片机系统电路图

图3 显示电路图

1.3 键盘电路、数据采集及通信电路

键盘是人机交换信息的重要途径，按照键盘与单片机的连接方式可分为独立式键盘与矩阵式键盘。

在该设计中，设置了4 个按键，分别定义的功能为“加一、减一、三坐标选择、切换”。考虑到按键数目不是很多，且单片机剩余的I/O 口较多，所以采用独立式键盘。电路原理图如图4所示。按键增加了上拉电阻，其目的就是把不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，从而增强键盘的抗干扰能力。

数据采集部分选用TI 公司的TLC2543。TLC2543 A/D 转换器运用很广泛，它是TI 公司的12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D 转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51 系列单片机I/O 资源;且价格适中，分辨率较高。

图4 键盘、A/D 采集电路

通信采用串行通信。根据传输信号的不同，可将串行通信分成3 种形式:TTL 电平信号传输、RS232C电平信号传输和双线差分信号传输。虽然单片机自带了异步接收/发送器UART，但其采用的是TTL 电平。为了将数据上传到计算机上，就必须在通信接口处采用相应的电平转换芯片来进行信号的转换。芯片采用的MAX232。图5 是上位机的界面，可以实现切削力实时显示和报警值设定。

图5 上位机界面

2 加工试验

进行了一组切削试验，以测试报警装置的性能。试验条件为:

工件:2A12 铝合金，T8 状态;

机床:Mikron UCP DURO800;

刀具:Fraisa 硬质合金两齿立铣刀，直径12 mm;

测力仪:YDIII-05 型三向压电式测力仪。

试验过程中，根据先前的实验结果，预先设定报警条件，进行了几次试验，效果很好。当某向切削力超过预先设定的值时，报警装置就发出较大的报警声音，并在该向切削力对应的显示位置显示红色，见图6 的测试报警装置的加工现场。

图6 加工现场

3 结论

结合具体设备和测力仪，应用P89C51RD2B 单片机，开发了一套切削力在线报警装置，可以用于切削加工试验过程中，监测切削力的突然变化，防止因切削力长时间超差，造成刀具、机床和工件的破坏。并在Mikron UCP DURO800 高速加工中心上进行了试验验证，效果良好。这样，可以有效地提高加工过程的可靠性和安全性。

【1】于忠得.单片机原理与工程设计实例［M］.北京:清华大学出版社，2011.

【2】倪晓军，章韵.单片机原理与接口技术教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.

【3】http://bbs.elecfans.com.

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