一種新型加工中心拉刀力數(shù)字化測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)*

霍紅梅 楊廷華 茍衛(wèi)東 李新寧 柯貞東 薛紅睿 楊錦斌

(①青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018;②青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧810003;③甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030)

加工中心的切削刀具一般采用碟形彈簧拉緊在主軸錐孔上，拉刀力的大小直接影響刀具定位的可靠性，見(jiàn)圖1所示。如果拉刀力小于規(guī)定值，輕則影響加工質(zhì)量，嚴(yán)重的會(huì)造成機(jī)床事故，甚至人身傷害事故;相反，如果拉刀力過(guò)大，主軸錐孔易變形，主軸單元旋轉(zhuǎn)精度和加工零件精度會(huì)降低，同時(shí)主軸壽命也會(huì)縮短。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定量檢測(cè)裝置，因此拉刀力測(cè)定應(yīng)納入加工中心出廠(chǎng)安全性檢測(cè)項(xiàng)目。隨著我廠(chǎng)加工中心產(chǎn)量不斷增加，迫切需要一種能在裝配線(xiàn)上方便快捷地檢測(cè)拉刀力的檢測(cè)裝置，或者是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的小型工裝。在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)——高速立臥式加工中心課題研究中，設(shè)計(jì)了一種直觀的、數(shù)字化拉刀力測(cè)量裝置，滿(mǎn)足了加工中心主軸拉刀機(jī)構(gòu)的拉刀力測(cè)量中提出的“快速、準(zhǔn)確、量化、便捷”的測(cè)力要求，同時(shí)有效消除人為誤差，使之更加符合企業(yè)質(zhì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的使用要求，以便通過(guò)這個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量，提高加工中心工作過(guò)程中的可靠性和安全性。

1 拉刀力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

2009年我公司承擔(dān)了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)——“高速立臥式加工中心”課題攻關(guān)任務(wù)。在課題研究過(guò)程中，應(yīng)用已經(jīng)成熟的現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子數(shù)據(jù)處理技術(shù)，解決拉刀力檢測(cè)的數(shù)據(jù)顯示和傳輸問(wèn)題，采取了壓力傳感器技術(shù)與數(shù)控機(jī)床刀柄相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，見(jiàn)圖2所示。

1.1 傳感器選型

根據(jù)數(shù)控機(jī)床主軸拉刀力為15～20 kN、刀柄頭部結(jié)構(gòu)及尺寸限制、拉桿尺寸限制，提出了壓力傳感器參數(shù)及尺寸要求:額定載荷大于30 kN(至少保證50%的安全過(guò)載)，結(jié)構(gòu)上必須是環(huán)形壓力傳感器，內(nèi)孔尺寸大于φ24 mm且不大于φ30 mm，外圓尺寸不大于φ75 mm。參照傳感器參數(shù)及尺寸要求，最后選定了寧波柯力電氣制造有限公司生產(chǎn)的HND－SS型鋼制環(huán)形電阻應(yīng)變式壓力傳感器，外型尺寸見(jiàn)圖3所示，其參數(shù)為額定載荷大于50 kN，靈敏度為1.5±0.5 mV/V，工作溫度范圍－20～+70℃，安全過(guò)載150%F.S，極限過(guò)載200%F.S，密封等級(jí)為IP67，壓力傳感器受力面為25.4 mm尺寸兩面。

HND－SS型鋼制環(huán)形電阻應(yīng)變式壓力傳感器在其內(nèi)部貼有電阻應(yīng)變片，由電阻應(yīng)變片組成電橋電路(圖4)。

1.2 拉刀力數(shù)字化測(cè)量裝置的組成

拉刀力數(shù)字化測(cè)量裝置主要由拉刀力測(cè)量裝置、測(cè)力控制儀、壓力傳感器及電纜組成，見(jiàn)圖5所示。

2 拉刀力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

起初，擬采購(gòu)進(jìn)口測(cè)量?jī)x，選定了國(guó)外某品牌產(chǎn)品，但其近2萬(wàn)元的價(jià)格給企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為此，經(jīng)我們多次與有經(jīng)驗(yàn)的老師傅探討，向甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院咨詢(xún)，提出了一種新型、實(shí)用的解決方案，設(shè)計(jì)了一種加工中心拉刀力數(shù)字化檢測(cè)裝置，見(jiàn)圖6所示。加工中心拉刀力數(shù)字化檢測(cè)裝置由鎖緊螺母、施力法蘭、壓力傳感器、測(cè)力拉桿及錐柄組成，鎖緊螺母與測(cè)力拉桿采取了M24－6g螺紋連接，施力法蘭、壓力傳感器及錐柄與測(cè)力拉桿采取了間隙配合的方式，壓力傳感器與施力法蘭、錐柄采取了間隙0.5 mm配合的方式，施力法蘭與錐柄也采取了間隙0.5 mm配合的方式，壓力傳感器受力采取了25.4 mm尺寸兩面受力的結(jié)構(gòu)。

3 測(cè)力控制儀設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)力控制儀原理

利用數(shù)字模擬電路和單片機(jī)的智能化功能，實(shí)現(xiàn)智能化處理和控制，控制器對(duì)采集到的傳感器不同形變信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入中央處理器進(jìn)行迅速計(jì)算、判斷后顯示相應(yīng)結(jié)果。其主要原理是:在測(cè)力拉桿孔內(nèi)安裝環(huán)形墊圈傳感器，碟形彈簧通過(guò)主軸孔內(nèi)的刀具拉桿拉動(dòng)錐柄孔內(nèi)的測(cè)力拉桿前端的鎖緊螺母，擠壓傳感器施力法蘭將壓力傳遞給環(huán)形墊圈傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)給傳感器施加激勵(lì)電壓，就會(huì)輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大和調(diào)理電路輸入到AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)輸入到控制器的中央處理單元，經(jīng)過(guò)靜態(tài)標(biāo)定和標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序，將結(jié)果通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)按便攜式進(jìn)行設(shè)計(jì)，外觀要滿(mǎn)足人類(lèi)工程學(xué)要求。主要由中央處理器、輸入輸出設(shè)備、傳感器信號(hào)的采集、信號(hào)的放大和調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換器等部分組成。在設(shè)計(jì)上采用了全數(shù)字化操作的獨(dú)特設(shè)計(jì)方法，選用先進(jìn)的數(shù)字模擬電路技術(shù)和單片機(jī)的智能化功能，結(jié)合微控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化處理和智能化控制。根據(jù)傳感器受力線(xiàn)性變化的特點(diǎn)，建立數(shù)字信號(hào)具有線(xiàn)性變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，嵌入到相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該數(shù)學(xué)模型。由于機(jī)械加工和裝配不可避免的誤差，編程中本著硬件問(wèn)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(jìn)的光電隔離技術(shù)，對(duì)所有輸入輸出信號(hào)進(jìn)行了隔離，使整個(gè)控制系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并配合高精度測(cè)力傳感器，用液晶顯示器顯示拉刀力的大小。

4 拉刀力測(cè)量裝置及檢測(cè)過(guò)程

加工中心拉刀力數(shù)字化檢測(cè)裝置的檢測(cè)工作過(guò)程如下(參見(jiàn)圖2、圖6):測(cè)力拉桿穿過(guò)施力法蘭、壓力傳感器和錐柄連接，測(cè)力拉桿的一端有鎖緊螺母，另一端為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床拉釘結(jié)構(gòu)，并通過(guò)該拉釘結(jié)構(gòu)與主軸孔內(nèi)的刀具拉桿連接，刀具拉桿穿過(guò)碟形彈簧后與由碟形彈簧鎖緊的螺母螺紋連接，碟形彈簧鎖緊螺母與加工中心主軸內(nèi)的錐孔連接。當(dāng)檢測(cè)拉刀力時(shí)，推動(dòng)碟形彈簧鎖緊螺母，壓縮碟形彈簧，刀具拉桿前移;拉桿頭部的徑向開(kāi)有4個(gè)孔，孔內(nèi)放置鋼球，當(dāng)?shù)毒呃瓧U的頭部進(jìn)入加工中心主軸內(nèi)的大孔時(shí)，鋼球可沿徑向移動(dòng)，與此同時(shí)將鎖緊螺母、施力法蘭、壓力傳感器、測(cè)力拉桿和錐柄的組合體通過(guò)錐柄與加工中心主軸錐孔連接，測(cè)力拉桿另一端標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床拉釘結(jié)構(gòu)可進(jìn)入刀具拉桿頭部的4個(gè)鋼球內(nèi)，松開(kāi)碟形彈簧鎖緊螺母的推力使復(fù)位，刀具拉桿后移，其頭部進(jìn)入加工中心主軸內(nèi)的小孔時(shí)，鋼球?qū)⒌毒呃瓧U和測(cè)力拉桿連接在一起，同時(shí)將碟形彈簧的拉刀力通過(guò)施力法蘭傳遞給壓力傳感器，后者將模擬信號(hào)輸出到信號(hào)接收裝置，完成加工中心拉刀力的大小檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)束后，對(duì)刀具拉桿外端施力，刀具拉桿向前移動(dòng)，并推動(dòng)測(cè)力拉桿前移，鋼球同時(shí)前移至脫開(kāi)位置，將測(cè)力裝置取下，完成拉刀力的一次檢測(cè)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)制造的加工中心拉刀力數(shù)字化檢測(cè)裝置已投入用戶(hù)使用，解決了拉刀力測(cè)量的問(wèn)題，滿(mǎn)足了測(cè)量拉刀力的“快速、準(zhǔn)確、量化、便捷”的檢測(cè)要求，并已獲得新型實(shí)用專(zhuān)利授權(quán)(專(zhuān)利號(hào):201020621565.9)。拉刀力數(shù)字化檢測(cè)裝置有效地消除了人為誤差，更加符合企業(yè)質(zhì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的要求，提高了加工中心工作過(guò)程的可靠性和安全性，能在加工中心生產(chǎn)裝配線(xiàn)上方便快捷地檢測(cè)加工中心的拉刀力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、攜帶方便、操作簡(jiǎn)便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，還具有功能齊全、無(wú)需復(fù)雜維護(hù)又能長(zhǎng)時(shí)間可靠工作等特點(diǎn)。對(duì)數(shù)控機(jī)床拉刀力進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，對(duì)發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的潛能，實(shí)現(xiàn)高效加工有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］譚福年.常用傳感器應(yīng)用電路［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，1996.