摘 要：介绍以8031为核心的机床主轴箱热变形测试系统的测试原理，并给出了系统的硬件和软件设计。
关键词：主轴箱热变形；测试系统；单片机
1测试原理
主轴箱发热导致箱体与床身的变形翘曲，使主轴产生了热位移与热倾斜，热变形使机床的几何精度发生了变化。考虑到主轴箱前后箱壁的厚度相对于长宽小得多，加上金属导热较快，故可近似认为稳定时厚度方向温度不变，温度只沿长宽方向变化，这样主轴箱温度场可简化为二维平面无内热源稳定温度场。主轴箱变形后引起主轴前端后端抬高不等，因此可以认为是研究主轴位置相对变化量的测定，其变化量对加工精度有最为直接的影响。测试方法借鉴车床主轴锥孔中心线的径向跳动的检测方法，在主轴锥孔内安一检验棒，在近主轴端及远主轴端的水平方向和垂直方向各安放两个位移传感器，将检测到的四路模拟信号通过预处理，经A/D转换输入单片机进行实时处理以及通过其他接口实现通信、键盘显示、报警等功能。系统的总体结构框图如图1所示。
图中1、2为水平方向电涡流位移传感器，3、4为垂直方向电涡流位移传感器，型号为CZF-1000型，并配以BZF-1型变换器，将位移信号线性转变为电压信号。检验棒用膨胀系数极小的镍铁合金制成。
2系统硬件设计
单片机测试系统原理图如图2所示。
该硬件系统以单片机8031为核心，由单片机外围部分、键盘显示部分、输入电路等组成。
2.1单片机外围部分
单片机外围电路部分功能如下：
74LS373：三态输出8D触发器，用于地址锁存；
6264：扩展8K数据存储器：
EPROM2732：扩展4K程序存储器；
掉电保护线路和看门狗线路：在断电情况下保存重要数据；
8155：可编程并行I/O扩展接口，完成键盘显示功能，还有256单元的RAM，可存放数据，同时8155还提供了一个14位计数结构的定时／计数器，为软件编程提供了定时器资源；
通信接口：8031提供有TXD、RXD信号引脚，通过RS232与外界进行通信，可以根据实际需要将采集到6264中的数据通过该串口发送给计算机以进行快速处理和评价。
2.2键盘显示部分
利用8155的三个可编程I/O口来实现键盘显示功能。键盘分选择键、校正键和显示键三种，连接8155的PC0～2输入口，输出口为PA0～3。在MCS-51汇编语言编制的键盘扫描程序中，调用LED显示子程序和判断扫描是否有键闭合两个子程序来实现键盘的三种选择。显示器由四个发光二极管式数码管组成，采用动态扫描的方法进行显示，将8155的PB0～7口作为段控口，输出8条段控线，而PA0～3作为4位显示的位控口，输出4条位控线。为提高驱动能力，PA口输出加74LS06进行反向驱动，PB口输出加74LS244进行段控输出驱动，以提高显示亮度。
2.3信号输入部分
检测到的位移模拟信号经过信号调理(低通滤波和放大)、多路切换、A／D转换后输入单片机。为了确保精度，采用了AD624放大器，并使用屏蔽电缆传送信号。A/D转换器采用AD0809，A、B、C分别接74LS373提供的低三位地址。只要把三位地址分别写入0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道的选择。8031的INT0脚与0809的EOC相连，作为A/D转换结束信号。
3软件设计
系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用模块化的程序设计方法，主要包括初始化模块、主控模块、数据采集、数据处理、键盘扫描及显示等模块。
3.1主控模块
主控模块是整个系统的总控制程序，负责系统的控制和各个子程序的调用。系统上电(复位)后，首先对8031及外围芯片的内部资源进行初始化设置，然后对CPU、RAM、ROM、A／D、定时器／计数器等进行自检。自检通过后，仪器才能投入正常运行，否则将显示出错信息提示。系统正常后，提示操作人员输入命令，根据操作人员输入的命令，调用相应的子程序模块。其流程图如图3所示。
3.2数据采集模块
A/D转换结束后，A/D芯片内的转换结束触发器置位，输出一个转换结束标志信号，通知CPU转换已经结束，可以读取转换结果的数据。CPU对转换结束信号的检查处理有三种工作方式：查询工作方式、中断工作方式、DMA工作方式。本系统采用查询的工作方式来实现连续顺序巡回数据的采集，其数据采集主程序框图如图4所示。
3.3数据处理模块
由于安装现场的传感元件到计算机的模拟量入口有一段距离，因而在信号传输途中不可避免地要混入各种干扰信号。为了滤掉这些随机干扰，本系统采用算术平均滤波来实现数据处理。
3.4软件抗干扰措施
a.设置软件看门狗：除了在断电情况下有效保存数据，同时还可以有效地解决死循环问题；
b.采用软件冗余技术，提高程序运行的可靠性；
c.数字滤波技术。
4结束语
基于8031单片机的机床主轴箱热变形测试系统是针对我院机电专业的教学和实验而开发出来的，该系统除具有性能可靠、工作稳定、操作简便、具有较强的抗干扰能力等优点外，还为开发其他相关测试系统，尤其是测试机床的有关参数积累了有益的经验。
参考文献：
［1］ 刘君华.现代检测技术与测试系统设计［M］.西安交通大学出版杜，1999.
［2］ 田维贤.机械制造中的热变形［M］.华中理工大学出版社，1991.
［3］ 刘明俊.计算机控制原理与技术［M］.国防科技大学出版社，1999.
［4］ 李广弟.单片机基础［M］.北京航空航天大学出版社，1993.