重型臥式車床尾座頂緊力測控裝置的研究

薛紅睿

（甘肅省機械科學(xué)研究院，甘肅蘭州730030；蘭州同位素儀表工程有限公司，甘肅蘭州730030）

重型臥式車床通常利用主軸卡盤和尾座頂尖裝夾重型工件，其所針對的加工對象都是大重型工件，因此重型臥式車床上尾座的頂緊力大小是一項非常重要的力能指標(biāo)，我們必須對此項指標(biāo)進行驗證。為保證裝夾可靠，在軸向需要施加預(yù)緊力，以確保工件在裝夾后萬無一失。尾座頂緊力究竟應(yīng)設(shè)多大才能合適？若頂尖頂緊力太大，容易損壞尾座機構(gòu)；若頂尖頂緊力太小，容易引起工件脫落，發(fā)生安全事故。為此需要設(shè)一測力機構(gòu)以測量尾座對工件預(yù)緊力的大小，在裝夾和加工過程中起監(jiān)測作用。目前國內(nèi)重型車床工件夾緊的頂緊力是用油缸通過一個磁柱電接點壓力表顯示力值大小，由于工件重量越來越大，油缸及其管路容易脹裂。另外油缸里的溫度、氣泡等對顯示力值也有一定影響。

1 解決方案

針對國內(nèi)重型車床尾座測力機構(gòu)易出故障這一問題，研制出一種電阻應(yīng)變式傳感器測力裝置。該裝置將軸向的壓力（由于頂尖的錐度不同，該值一般為工件重量的0.5～0.6倍）通過電阻應(yīng)變原理利用數(shù)顯表顯示，清晰直觀，可以達到很好的精度，提高工作效率。

1.1 工作原理

利用數(shù)字模擬電路和單片機的智能化功能，實現(xiàn)智能化處理和控制，控制器對采集到的傳感器不同形變信號進行放大調(diào)理，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入中央處理器進行迅速的計算判斷后發(fā)出相應(yīng)的指令，使整個頂緊裝置按預(yù)設(shè)的程序運行。

1.2 傳感部件

重型臥式車床測力尾座由尾座體、后壓蓋、頂尖、軸承套、尾軸、彈性元件、軸套、蝸輪蝸桿和絲桿構(gòu)成。在靠近后壓蓋一側(cè)的尾座體內(nèi)設(shè)有軸承套，尾座體后部用螺栓連接后壓蓋，尾座的后部設(shè)有絲杠，絲杠上螺紋連接1個軸套，軸套上裝著軸承。其特征在于在軸承與后壓蓋之間設(shè)有彈性元件。將該彈性元件作為一個獨立元件通常稱為壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)為柱式或空心輪輻式結(jié)構(gòu)。柱式結(jié)構(gòu)（圖1）通常3只傳感器作為一組，均勻地鑲嵌在一個端蓋法蘭上，端蓋法蘭再固定在后壓蓋上，一般用于加工工件噸位較小的車床；空心輪輻式結(jié)構(gòu)（圖2）直接固定在后壓蓋上，相對柱式而言，它的受力在一個環(huán)面上，可用于加工工件噸位較大的車床。在其內(nèi)部均貼有應(yīng)變片，由應(yīng)變片組成電橋（圖3），封裝后稱為柱式或輪輻式傳感器，其拆裝方便，可適用于重型車床和其他需要尾座裝夾的重型機床。

1.3 控制系統(tǒng)

重型臥式車床尾座頂緊力控制系統(tǒng)（圖4）主要由中央處理器，輸入輸出設(shè)備，傳感器信號的采集、放大和調(diào)理（圖5），AD轉(zhuǎn)換器等部分組成。在設(shè)計上采用了全數(shù)字化操作的獨特設(shè)計方法，選用先進的數(shù)字模擬電路技術(shù)和單片機的智能化功能，結(jié)合微控制技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)智能化處理和智能化控制。根據(jù)傳感器受力線性變化的特點，建立數(shù)字信號具有線性變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，通過編寫相應(yīng)的程序，嵌入到相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)該數(shù)學(xué)模型。由于機械加工和裝配不可避免的誤差，編程中本著硬件問題盡量軟件化處理的原則，在程序中增加了置零和調(diào)整功能。由于采用了先進的光電隔離技術(shù)，對所有輸入輸出信號進行了隔離，使整個控制系統(tǒng)在試驗過程中具有很強的抗干擾能力，并配合高精度測力傳感器，用數(shù)顯表顯示力的大小，當(dāng)頂緊力超出設(shè)定的范圍時有報警輸出，能夠控制聯(lián)鎖設(shè)備的自動啟?；蝌?qū)動相應(yīng)的警示設(shè)備。其具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、承載能力大、靈敏度高、操作簡便、功能齊全、可靠性高等特點，可對機床尾座頂緊力進行測量和加力控制，也可用作工礦企業(yè)對力值的測量和加力控制。

2 試驗

該測控裝置在尾座上安裝之前已在標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗機上進行標(biāo)定和檢驗，控制精度優(yōu)于5‰，響應(yīng)速度10 ms，通過安裝在重型臥式車床進行試驗，完全達到預(yù)期的設(shè)計目的。性能穩(wěn)定可靠，測量與控制精度高，反應(yīng)靈敏，具有很強的抗干擾能力。

3 結(jié)語

重型臥式車床尾座頂緊力測控裝置的成功研制，具有先進合理、技術(shù)創(chuàng)新等特點。既保證了功能的合理實現(xiàn)，又使總體結(jié)構(gòu)尺寸合理，美觀大方，為企業(yè)和社會創(chuàng)造了價值。該測控裝置也可用于重型軋輥車床、磨床尾座頂緊力的測控，還可用于重力（重量），離心力、張力等各種需要力的測量和控制的場合，具有很好的經(jīng)濟效益和市場前景。

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