時(shí)忠明

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(huì)使產(chǎn)生的切削熱增多和切削溫度升高，從而導(dǎo)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(dòng)，降低已加工表面質(zhì)量。另外，切削力還是計(jì)算切削功率、確定機(jī)床負(fù)荷、選擇切削用量的重要依據(jù)。

作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(gè)切削力報(bào)警裝置。對切削加工過程進(jìn)行在線監(jiān)控，便于實(shí)時(shí)判斷加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，從而達(dá)到保證加工質(zhì)量，保證機(jī)床、刀具安全，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的。

1 報(bào)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(chǔ)模塊、顯示模塊、鍵盤模塊等，整體框圖見圖1。

1.1 單片機(jī)系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)整體框圖

單片機(jī)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(jī)相兼容。它最大的特點(diǎn)是內(nèi)部有20 kB 的程序存儲(chǔ)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(jī)作為主控制器的重要原因。單片機(jī)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(jī)相連，通過上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置;當(dāng)不和上位機(jī)相連時(shí)，可以通過顯示電路，顯示三坐標(biāo)上的切削力，同時(shí)可以進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置。顯示電路采用74HC595 驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)交換信息的重要途徑，按照鍵盤與單片機(jī)的連接方式可分為獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。

在該設(shè)計(jì)中，設(shè)置了4 個(gè)按鍵，分別定義的功能為“加一、減一、三坐標(biāo)選擇、切換”?？紤]到按鍵數(shù)目不是很多，且單片機(jī)剩余的I/O 口較多，所以采用獨(dú)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(gè)電阻鉗位在高電平，從而增強(qiáng)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(yùn)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(jī)I/O 資源;且價(jià)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(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換。芯片采用的MAX232。圖5 是上位機(jī)的界面，可以實(shí)現(xiàn)切削力實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警值設(shè)定。

圖5 上位機(jī)界面

2 加工試驗(yàn)

進(jìn)行了一組切削試驗(yàn)，以測試報(bào)警裝置的性能。試驗(yàn)條件為:

工件:2A12 鋁合金，T8 狀態(tài);

機(jī)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(yàn)過程中，根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，預(yù)先設(shè)定報(bào)警條件，進(jìn)行了幾次試驗(yàn)，效果很好。當(dāng)某向切削力超過預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，報(bào)警裝置就發(fā)出較大的報(bào)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(bào)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(jī)，開發(fā)了一套切削力在線報(bào)警裝置，可以用于切削加工試驗(yàn)過程中，監(jiān)測切削力的突然變化，防止因切削力長時(shí)間超差，造成刀具、機(jī)床和工件的破壞。并在Mikron UCP DURO800 高速加工中心上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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。

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【3】http://bbs.elecfans.com.

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