1. Problemstellung: Bei der CNC-Drehbearbeitung ist die Messung der Schnittkraft von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht die Analyse und Untersuchung der Spannungszustände und Betriebszustände verschiedener Komponenten, Mechanismen oder Strukturen der CNC-Drehmaschine, die Überprüfung der Korrektheit von Konstruktions- und Berechnungsergebnissen sowie die Bestimmung des Lastspektrums und der Mechanismen bestimmter physikalischer Phänomene während des Maschinenbetriebs. Daher spielt sie eine zentrale Rolle und ist von erheblichem praktischem Wert für die Entwicklung von Konstruktionstheorien, die Gewährleistung des sicheren und zuverlässigen Betriebs von CNC-Werkzeugmaschinen und die Realisierung von automatisierter Bearbeitung, automatischer Erkennung, automatischer Steuerung und Überlastalarmen für CNC-Werkzeugmaschinen. 2. Systemhardware-Schnittstellenschaltungsdesign: Das Blockdiagramm der Systemhardware ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System verwendet den Mikrocontroller AT89C51 als Steuerkern. Die Peripherieschaltungen sind speziell auf die Funktionsmerkmale des Mikrocontrollers abgestimmt und nutzen die umfangreichen On-Chip-Ressourcen des AT89C51 optimal, um die Peripherieschaltungen zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Die wichtigsten Funktionsmodule und Hardware-Zuverlässigkeitstechnologien des Systems werden im Folgenden einzeln analysiert. Abbildung 1: Prinzipblockdiagramm der Systemhardware 2.1 Resultierende Schnittkraft und Komponentenkräfte Zur einfacheren Messung und Untersuchung der Schnittkräfte an CNC-Drehmaschinen, insbesondere für die Konstruktion und den Einsatz von CNC-Werkzeugmaschinen, Schneidwerkzeugen und Vorrichtungen in der Produktion, wird die Gesamtschnittkraft Fr üblicherweise in drei zueinander senkrechte Kräfte, Fz, Fy und Fx, zerlegt. 2.2 Kraftsensoren Die am häufigsten verwendeten Sensoren in Kraftmessgeräten sind Widerstandsdraht-Dehnungsmessstreifen und piezoelektrische Kristalle. Der von uns entwickelte achteckige Ringkraftsensor ist ein Widerstandsdraht-Dehnungsmessstreifen-Kraftsensor. Sein Funktionsprinzip beruht darauf, dass der achteckige Ring des Kraftsensors ein elastisches Element darstellt. Widerstandsdraht-Dehnungsmessstreifen sind an der Innen- und Außenwand des Rings angebracht und bilden drei Brücken, die als Sensoren zur Messung der Schnittkräfte in X-, Y- und Z-Richtung dienen. Beim Drehen auf der CNC-Drehmaschine wird die Schnittkraft durch die Werkstückrotation auf das Schneidwerkzeug und anschließend über den Werkzeughalter auf den achteckigen Ring übertragen. Die Verformung des achteckigen Rings bewirkt eine entsprechende Verformung der daran befestigten Dehnungsmessstreifen, wodurch sich der Widerstandswert R ändert (R ± ΔR). Bei Dehnung des Dehnungsmessstreifens verringert sich der Durchmesser des Widerstandsdrahts und der Widerstandswert steigt (R + ΔR). Bei Stauchung und Verformung des Dehnungsmessstreifens vergrößert sich der Durchmesser des Widerstandsdrahts und der Widerstandswert sinkt (R - ΔR), wodurch ein proportionales elektrisches Signal erzeugt wird. Experimente zeigen, dass das Signal aufgrund der sehr geringen Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens auf 0–5 V verstärkt werden muss, bevor es zur Weiterverarbeitung in das Mikrocontroller-Steuerungssystem eingespeist werden kann. Die aus Dehnungsmessstreifen bestehende Brücke ist in Abbildung 2 dargestellt. a) Abbildung zeigt eine Vollbrücke mit gleichen Armen, und b) Abbildung zeigt eine horizontale Halbbrücke. Abbildung 2: Brücke aus Dehnungsmessstreifen. In Abbildung 2a) ist die Brücke aus Dehnungsmessstreifen dargestellt. R1, R2, R3 und R4 sind die Widerstände der vier Brückenarme. Wird eine bestimmte Brückenspannung U an die Klemmen A und C angelegt, ergibt sich die Ausgangsspannung U an den Klemmen B und D nach folgender Formel: (1) Aus Formel (1) geht hervor, dass die Brückenausgangsspannung ΔU = 0 ist, wenn R1R3 = R2R4 gilt, d. h. die Brücke im Gleichgewicht ist. Diese Brückenabgleichung muss vor der Messung der Schnittkraft durchgeführt werden. Unter Einwirkung der Schnittkraft ändert sich der Widerstand des Dehnungsmessstreifens, wodurch das Brückengleichgewicht gestört wird. Erzeugen R1, R2, R3 und R4 Widerstandsänderungen von ΔR1, ΔR2, ΔR3 bzw. ΔR4, so ergibt sich die Ausgangsspannung der Brücke gemäß Gleichung (1): (2) Aus Gleichung (2) lässt sich eine wichtige Eigenschaft der Brücke ablesen: Sind die Widerstandsänderungen benachbarter Brückenzweige gleich groß, entspricht die Ausgangsspannung der Brücke der Differenz der Widerstandsänderungen beider Brückenzweige. Um beim Brückenschaltbild eines Kraftmessgeräts eine größere Ausgangsspannung zu erzielen, müssen die Widerstandsänderungen benachbarter Brückenarme entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, während die Änderungen gegenüberliegender Arme das gleiche Vorzeichen haben müssen. Dies ist das Prinzip der Brückenschaltung im Kraftmessgerät. Die üblicherweise verwendeten Brücken sind die Vollbrücke (mit vier Armen, R1 = R2 = R3 = R4) und die Halbbrücke (mit zwei Armen und zwei Festwiderständen, R1 = R2 = R), wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Ausgangsspannungen der beiden Brücken werden durch Gleichung (2) beschrieben: Vollbrücke: ΔU = U/4R(ΔR1 - ΔR2 + ΔR3 - ΔR4) (3) Halbbrücke: ΔU = U/4R(ΔR1 - ΔR2) (4) Ein Vergleich von (3) und (4) zeigt, dass bei ΔR1 = ΔR3 = +ΔR; ΔR2 = ΔR4 = -ΔR. Der Ausgang der Vollbrücke ist doppelt so groß wie der der Halbbrücke, d. h. ihre Empfindlichkeit ist doppelt so hoch. Um die Empfindlichkeit des Kraftmessgeräts zu verbessern und somit einen höheren Ausgangswert zu erzielen, wurde beim Design des Kraftmessgeräts eine Vollbrücken-Messschaltung mit gleichen Armen verwendet. 2.3 Bereichsverstärker: Verstärkt das vom Sensor ausgegebene Signal, das üblicherweise im µV-mV-Bereich liegt, auf einen einheitlichen Pegel von 0–5 V, der vom Analog-Digital-Wandler verarbeitet werden kann. 2.4 Multiplexer: Verbindet die verschiedenen elektrischen Signale, die von den Sensoren während des CNC-Drehprozesses umgewandelt werden, mit dem A/D-Wandler zur A/D-Wandlung. Dies spart Geräteaufwand und verhindert Störungen zwischen den Messparametern. Die Anzahl der vom Multiplexer jeweils angesteuerten Kanäle wird durch das Programm gesteuert. 2.5 Abtast- und Halteschaltung: Da sich die vor Ort gemessene Schnittkraft kontinuierlich ändert, die Abtastung durch den Mikrocontroller jedoch intermittierend erfolgt, ist eine Abtast- und Halteschaltung erforderlich, um den ursprünglichen Wert beizubehalten, wenn der Parameter nicht abgetastet wird. Wir verwendeten den großskaligen integrierten Schaltkreis LF398. 2.6 A/D-Wandler: Wandelt die analoge Ausgangsspannung des Kraftsensors in einen digitalen Wert um. Wir wählten den 8-Bit-A/D-Wandler ADC0809, der die Methode der sukzessiven Approximation verwendet. Intern enthält der A/D-Wandler einen hochohmigen, chopperstabilisierten Komparator, einen 256-Ω-Spannungsteiler mit einem analogen Schalterarray und ein zeilenweises Approximationsregister. Die acht analogen Schalter können über einen Adressspeicher und einen Decoder angesteuert werden, wodurch der Zugriff auf jedes einseitige analoge Signal in jedem der acht Kanäle möglich ist. 2.7 Obwohl der A/D-Wandler die Schnittkraft anzeigt, wandelt er den vom Kraftsensor ausgegebenen analogen Spannungswert in einen digitalen Wert um. Dies ist jedoch nicht der tatsächliche Schnittkraftwert der CNC-Drehmaschine. Um den wahren Schnittkraftwert zu ermitteln, sind zwei Schritte erforderlich: statische Kalibrierung und Skalierungstransformation. Statische Kalibrierung: Hierbei wird experimentell die Kennlinie und das mathematische Modell zwischen der Ausgangsspannung des Kraftsensors und der Schnittkraft ermittelt. Skalierungstransformation: Hierbei wird der vom A/D-Wandler erzeugte digitale Wert (00H-FFH) wieder in den tatsächlichen Schnittkraftwert umgerechnet. Erst nach Abschluss dieser beiden Schritte kann der tatsächliche Schnittkraftwert der CNC-Drehmaschine auf dem LED-Display des Mikrocontrollers angezeigt werden. Dies ermöglicht den Bedienern der CNC-Drehmaschine die Überwachung und Steuerung der Produktion. 3. Systemsoftware-Design: Das Hauptprogrammablaufdiagramm des Systems ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Systemsoftware umfasst: ein dynamisches Anzeigeprogramm, ein A/D-Abtastprogramm, ein Skalierungstransformationsprogramm und ein Interrupt-Service-Programm. Das Interrupt-Service-Programm verwendet hauptsächlich den vom Timer-Interrupt generierten Zeitstempel, um die LED-Digitalanzeige dynamisch zu aktualisieren. 3.1 A/D-Abtastprogramm: Dieses Programm besteht aus zwei Teilen: dem Hauptprogramm und dem Interrupt-Service-Programm. Das Hauptprogramm dient der Interrupt-Initialisierung, dem Senden eines Startimpulses an den ADC0809, dem Senden der Adressen der analogen Signalkanäle, der dynamischen Anzeige, der Alarmüberwachung usw. Die Interrupt-Service-Routine empfängt das digitale Signal nach der A/D-Wandlung und prüft, ob ein Abtastdurchlauf abgeschlossen ist. Abbildung 3: Ablaufdiagramm des Hauptprogramms. Abbildung 4: Ablaufdiagramm der Skalierungstransformations-Subroutine. Ein Teilbeispiel des Programms lautet wie folgt: Hauptprogramm: ORG 0A00H MOV R1,#30H; Startadresse des Eingangsdatenbereichs MOV R4,#03H; Gesamtzahl der an R4 gesendeten analogen Kanäle MOV R2,#00H; IN0-Adresse an R2 gesendet SETB EA SETB EX0 SETB IT0 MOV R0,#0F0H MOV A,R2 MOVX @R0,A SJMP $ ; Warten auf Interrupt-Service-Routine: 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; Falls nicht alle 3 Kanäle erfasst wurden, dann Sprung zu LOOP CLR EX0; Falls alle 3 Kanäle erfasst wurden, dann INT0-Interrupt deaktivieren LOOP: RETI END 3.2 Skalierungstransformations-Subroutine-Ablaufdiagramm Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die in diesem System aus dem A/D-Wandler umgewandelte digitale Größe in einem linearen Verhältnis zum Wert der CNC-Drehmaschinen-Schnittkraft steht. Die mathematische Formel für die Skalentransformation lautet daher: Ax=A0+(Am-A0)(Nx-No)/(Nm-No) A0 ── Untere Grenze des primären Messgeräts Am ── Obere Grenze des primären Messgeräts Ax ── Tatsächlicher Messwert N0 ── Digitaler Wert entsprechend der unteren Grenze des Instruments Nm ── Digitaler Wert entsprechend der oberen Grenze des Instruments Nx ── Digitaler Wert entsprechend dem Messwert Um das Programm zu vereinfachen, wird der A/D-Wandlungswert, der dem Startpunkt A0 (Eingangssignal ist 0) des Messparameters entspricht, im Allgemeinen auf 0 gesetzt, d.h. N0=0. Die Formel lautet somit: Ax = Nx/Nm(Am-A0)+A0. Das Ablaufdiagramm der Skalierungstransformationsroutine dieses Systems ist in Abbildung 4 dargestellt. 4. Fazit: Dieses System nutzt einen Mikrocontroller zur Messung der Schnittkraft einer CNC-Drehmaschine und ermöglicht so die kontinuierliche automatische Abtastung, Echtzeitanzeige und Überlastwarnung während der Produktion. Dies erleichtert dem Bediener die Überwachung und Steuerung der Produktion und beugt Schäden an der CNC-Drehmaschine durch zu hohe Schnittparameter effektiv vor. Das System kann zudem für andere Anwendungen mit Lastbegrenzung modifiziert und angepasst werden.