沈 阳 航 院 设 计 用 纸前言随着科学技术的发展，人们对自动化的要求越来越高，对于车床切削力的检测，我院机械设计系学生原来使用的方法是通过测力仪以及动态电阻应变仪在双对数坐标纸上测绘出电压变化曲线，再根据曲线进行计算，得到力的变化曲线以及力与各车床参数之间的关系曲线和经验公式。这种数据采集和数据处理均靠人工进行的方法既繁琐又不精确。而随着电子技术的迅速发展以及微型计算机技术的普及，自动检测技术在机械工业的发展中得到了广泛的应用。尤其是面向对象程序设计语言和单片机的出现，使自动检测系统的成本及精度得到了明显的改观。实验室的切削力实验也多采用计算机辅助测试。随着软件技术的快步发展，面向对象的程序设计语言相继出现，Visual Basic语言以其实用、方便、快捷、开发周期短、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所亲赖，本系统的上位机部分就采用这种语言来编写的。经过调试，结果表明：此系统简化了传统的测量电路，工作效率高，测量准确，实现了切削力测试系统的自动化。本文首先论述了整体系统工程的工作原理，然后是方案论证，接着分别介绍了硬件电路设计和软件系统设计。 重点介绍了软件系统程序的编写过程，同时也对硬件的原理设计做了简练的叙述，最后讲述了软件测试及软硬件联通调试。第1章 方案论证本车床切削力的测试系统分上、下位机两部分，本文主要对上位机进行设计。上位机的主要任务是接收下位机传送过来的切削力数据，将其存储，并对采集的数据进行处理，得到切削力与进给量，切削力与切削深度，切削力与切削速度之间的关系曲线和经验公式，并能显示力的波形。图1.1为机床切削力的计算机辅助采集与处理系统简图。测力仪将主切削力Fc转变成电压信号VFc；经过电阻动态应变仪和低通滤波放大器将信号放大；再经过A/D转换器转换成数字信号，输入给单片机或微型计算机；计算机按预编程序对数字信号进行分析处理与计算，将其结果（切削力测量值及经验公式）以及各种关系曲线和随时间变化的力的曲线显示出来，也可以用打印机将切削力的各种影响曲线和随时间变化的曲线打印出来。该系统不仅可以测量切削力的平均值，而且可测得切削力的瞬时值，时间间隔在100us25ms之间。图1.1 切削力的计算机辅助采集与处理系统框图根据系统的设计要求，上位机部分可以分为用户控制界面模块、串口通信模块、数据存储模块、数据处理模块、曲线绘制模块以及曲线打印模块。以下介绍上位机的设计方案选择。1.高级语言的选择随着软件技术的快步发展，面向对象的应用程序的相继出现，许多设计语言都能够实现上下位机通信的编写，像Visual Basic语言、Visual C+语言、Visual FoxPro语言等等。对于目前短期开发的系统而言，Visual Basic语言以其实用、方便、快捷、开发周期短、ActiveX控件丰富、可移植性好、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所亲赖。似乎有些专业的编程人员也放弃了Visual C+而改用了Visual Basic之类的RAD编程工具，尽管Visual C+在灵活性、代码紧凑、运行速度快以及底层开发等方面Visual Basic是无法与其比拟的，但编写Visual C+应用程序过长的调试和开发周期确实有点不适应当今的应用程序开发环境。因此在本系统的设计中，采用Visual Basic语言来设计系统的上位机部分。2.界面的设计使用高级语言编程可以在PC机上编制非常友好、直观的人机控制界面。把原来的人体直接控制变成了鼠标、键盘的间接控制；并且通过直观的控制界面可以很容易的实现控制，对现场的控制情况一目了然，增加了操作人员的视觉感、安全感，简化了操作。用户通过各窗体与应用程序对话，而程序相对于用户是隐藏的，用户只要求程序能实现他们的具体要求，而不关心程序是如何组织的，因此，一个好的应用程序，应该具有友好的用户界面。3.串口通信模块的设计由于系统对数据传输的速度要求并不高，同时考虑串口的价格比并口低，因此本系统采用串口进行通信。Visual Basic语言的MSComm通信控件提供了一系列标准通信命令接口，它允许建立串口连接，还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种事件和错误，从而可以用它建立全双工的、事件驱动的、高效使用的通信程序。因此在设计中采用MSComm控件处理通信问题是必要的选择。要把上位机的数据送到串行端口上以及怎样才能把串行端口上数据接收进来，是上位机编程中的关键部分。4.数据处理由于系统要求的是单因素测力，在刀具、被切削的材料、应变仪固定的情况下，切削力主要与三个因素有关，即切削深度、切削速度、进给量。而且固定任意其中的两个量，则切削力与剩余的一个量成指数关系，两边取对数，则变成了线性关系，即在双对数的坐标纸上曲线是直线，因此在数据处理模块采用了一元线性回归算法，通过一元线性回归算法计算出曲线的参数。当然同时我们要找到切削力的实时变化曲线（这条曲线理论上是一条平行于X轴的直线，因为固定了切削深度、切削速度、进给量的情况下，切削力为一个常数，而实际测量中由于干扰，直线有所起伏）。5.数据存储在数据存储模块中，可以采用数组和数据库两种存储方式存储数据。使用数组存储数据既方便数据的传递，又方便数据的运算处理，而下位机采集的数据仅为切削力的实时值，所以只需要采用简单的数组对接收的数据进行存储即可，这使得程序中数据的调用更加方便。6.曲线绘制模块从下位机接收来的数据，经过处理运算之后，就要根据数据结果做出力与切削深度、切削速度、进给量之间的关系曲线。Visual Basic语言提供了MSChart控件绘制各种图表。使用 MSChart 控件可以方便、直观的按照一定的规范将数据以图表的形式绘制出来，并且易于编程。在曲线绘制模块中，拟采用MSChart控件显示力的关系曲线。7.曲线打印模块为了整个系统的完整性，需要设计曲线打印功能，以适应用户的需要。第2章 硬件电路介绍2.1 整体电路介绍车床切削力系统的下位机部分实现的功能是承担切削力信号的采集、A/D转换以及将数据传输给上位机。根据系统的要求，下位机硬件电路部分需要实现滤波、放大、A/D转换以及数据传输。这样就可以把硬件电路部分分为滤波电路、放大电路、采样保持电路、A/D转换电路、串口通信电路和电源电路。下位机整体电路见附录：下位机整体电路。2.2 串行通信电路介绍上下位机进行通信，涉及到数据通信问题。数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。并行数据通信是指数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传递线。例如MCS-51单片机与打印机之间的数据传送就属于并行数据通信。并行通信在位数多，传送距离远是就不太适宜。串行数据通信是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线)，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输。如图2.1所示：图37 串行数据通信在串行数据通信中，起始位占用一位（低电平），用来表示字符的开始。其后为7 或8 位的数据，第8位通常为奇偶校验位，最后一位为停止位（高电平），用来表示字符传送结束。上述字符格式通常作为一个串行帧，如无奇偶校验位，即为常见的N.8.1帧格式。串行数据通信中，每秒传送的数据位称为波特率。如数据传送的波特率为1200 波特，采用N.8.1 帧格式（10 位），则每秒传送字节为1200 个，单个字节传送的时间即为波特率的倒数：T=1/1200=0.833ms。即每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行数据通信突出优点是只需一对传送线，这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；其缺点是速度传送较低。假设并行传送N位数据所需的时间为t，那么串行传送的时间至少为Nt，而实际上总是大于Nt。因此，在远距离通信中串行数据通信可以节约通信成本，当然，其传输速度要比并行数据通信传输慢。而通常单片机与计算机间的数据通信常采用串行数据通信的方式。EIA RS232C是串行通讯中应用最广泛的标准总线, 它包括了按位串行传输的电平和机械方面的规定，其信号传输的最大电缆长度为30m，最高传输速率为30Kbps，因此，其适用于数据传输速率低、通信距离短的数据通信。通常PC机配有符合EIA RS-232C规范的外部总线标准接口，RS-232C采用的是负逻辑，即逻辑“1”：5V至15V；逻辑“0”：+5V至+15V。单片机通过普通I/O 口与PC 机通讯时，由于单片机输入输出电平均为TTL电平，TTL电平的逻辑“1”和“0” 则分别为2.4V和0.4V。二者电平的规范不一致，因此要完成PC机与单片机的数据通讯，必须外接电路进行电平转换。即在单片机发送端用驱动器将TTL电平转换为RS-232C电平，在接收端用接收器将RS232C电平再转换为TTL电平。 下位机串行接口部分选用了MAXIM公司的标准RS232接口芯片MAX3232来作TTL电平到RS232 接口电平的转换。MAX 3232芯片是MAXIM公司生产的包含两路接收器和驱动器的通用串行接收/发送驱动器芯片。该芯片适用于各种EIA-232C和V2.8/V2.4的通信接口。MAX3232芯片内部有一个电源电压变换器，可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V15V）和逻辑“0”（+3V15V）。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强。加之其价格适中，其外围电路简单，只需外接五个0.1F的电容即可，所以被广泛采用。下位机所采用的单片机与计算机串行接口电路如图2.2所示： 图2.2 单片机与计算机串行接口电路第3章 上位机系统设计本论文主要介绍上位机系统的设计与实现。上位机的主要任务是接收下位机传送过来的切削力数据，将其存储，并对采集的数据进行处理，得到切削力与进给量参数、切削力与切削深度参数、切削力与切削速度参数之间的关系曲线和经验公式，并能显示和打印力的曲线以及经验公式。在系统设计时，基于Windows程序风格而编写。例如，在界面设计模块中，系统对用户的某些如打开的文件类型不对、本应该输入数字而用户输入了字符等其它非法的值、打开文件的路径不对等等有可能导致系统出错或崩溃的错误操作进行处理并提示用户。系统还有历史记录的以及打印的功能，这使得系统的功能更加完善。依照系统的功能要求，系统设计分为用户控制界面模块、串口通信模块、数据存储模块、数据处理模块、曲线绘制模块以及曲线打印模块。整个系统的方框图如图3.1所示图3.1 系统方框图下面分别详细介绍各个模块的设计。3.1 用户控制界面模块设计使用高级语言编程可以在PC机上编制非常友好、直观的人机控制界面。把原来的人体直接控制变成了鼠标、键盘的间接控制；并且通过直观的控制界面可以很容易的实现控制，对现场的控制情况一目了然，增加了操作人员的视觉感、安全感，简化了操作。用户通过各窗体与应用程序对话，而程序相对于用户是隐藏的，用户只要求程序能实现他们的具体要求，而不关心程序是如何组织的，因此，一个好的应用程序，应该具有友好的用户界面。在本程序设计中，用户接口界面模块考虑实现了以下三个方面的特性：1.可使用性它包括： 使用的简单性 用户接口界面中所用的术语应标准化和相互一致 用户界面具有容错能力2.可靠性使用户接口界面能保证用户正确可靠的使用系统，保证有关程序和数据的安全性。3.复杂性复杂性指的是用户接口界面的规模和组织的复杂程度，在完成用户预定功能的前提下，应该使用户接口界面越简单越好。Visual Basic 作为一种可视化编程软