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，我們必須對此項指標進行驗證。為保證裝夾可靠，在軸向需要施加預緊力，以確保工件在裝夾后萬無一失。尾座頂緊力究竟應設多大才能合適？若頂尖頂緊力太大，容易損壞尾座機構；若頂尖頂緊力太小，容易引起工件脫落，發生安全事故。為此需要設一測力機構以測量尾座對工件預緊力的大小，在裝夾和加工過程中起監測作用。目前國內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

針對國內重型車床尾座測力機構易出故障這一問題，研制出一種電阻應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）通過電阻應變原理利用數顯表顯示，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

利用數字模擬電路和單片機的智能化功能，實現智能化處理和控制，控制器對采集到的傳感器不同形變信號進行放大調理，然后經過AD轉換器，將轉換后的數字信號輸入中央處理器進行迅速的計算判斷后發出相應的指令，使整個頂緊裝置按預設的程序運行。

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、蝸輪蝸桿和絲桿構成。在靠近后壓蓋一側的尾座體內設有軸承套，尾座體后部用螺栓連接后壓蓋，尾座的后部設有絲杠，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，其結構為柱式或空心輪輻式結構。柱式結構（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；空心輪輻式結構（圖2）直接固定在后壓蓋上，相對柱式而言，它的受力在一個環面上，可用于加工工件噸位較大的車床。在其內部均貼有應變片，由應變片組成電橋（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

重型臥式車床尾座頂緊力控制系統（圖4）主要由中央處理器，輸入輸出設備，傳感器信號的采集、放大和調理（圖5），AD轉換器等部分組成。在設計上采用了全數字化操作的獨特設計方法，選用先進的數字模擬電路技術和單片機的智能化功能，結合微控制技術的發展，實現智能化處理和智能化控制。根據傳感器受力線性變化的特點，建立數字信號具有線性變化規律的數學模型，通過編寫相應的程序，嵌入到相應的控制系統，實現該數學模型。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整功能。由于采用了先進的光電隔離技術，對所有輸入輸出信號進行了隔離，使整個控制系統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，用數顯表顯示力的大小，當頂緊力超出設定的范圍時有報警輸出，能夠控制聯鎖設備的自動啟停或驅動相應的警示設備。其具有結構簡單緊湊、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準壓力試驗機上進行標定和檢驗，控制精度優于5‰，響應速度10 ms，通過安裝在重型臥式車床進行試驗，完全達到預期的設計目的。性能穩定可靠，測量與控制精度高，反應靈敏，具有很強的抗干擾能力。

3 結語

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、技術創新等特點。既保證了功能的合理實現，又使總體結構尺寸合理，美觀大方，為企業和社會創造了價值。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，具有很好的經濟效益和市場前景。

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