一種新型加工中心拉刀力數字化測量裝置的設計*

霍紅梅 楊廷華 茍衛東 李新寧 柯貞東 薛紅睿 楊錦斌

(①青海一機數控機床有限責任公司，青海西寧 810018;②青海交通職業技術學院，青海西寧810003;③甘肅省機械科學研究院，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，見圖1所示。如果拉刀力小于規定值，輕則影響加工質量，嚴重的會造成機床事故，甚至人身傷害事故;相反，如果拉刀力過大，主軸錐孔易變形，主軸單元旋轉精度和加工零件精度會降低，同時主軸壽命也會縮短。目前，國內還沒有具有自主知識產權的定量檢測裝置，因此拉刀力測定應納入加工中心出廠安全性檢測項目。隨著我廠加工中心產量不斷增加，迫切需要一種能在裝配線上方便快捷地檢測拉刀力的檢測裝置，或者是一種簡單實用的小型工裝。在國家科技重大專項——高速立臥式加工中心課題研究中，設計了一種直觀的、數字化拉刀力測量裝置，滿足了加工中心主軸拉刀機構的拉刀力測量中提出的“快速、準確、量化、便捷”的測力要求，同時有效消除人為誤差，使之更加符合企業質量管理和工業生產過程控制的使用要求，以便通過這個裝置實現測量，提高加工中心工作過程中的可靠性和安全性。

1 拉刀力測量裝置設計

2009年我公司承擔了國家科技重大專項——“高速立臥式加工中心”課題攻關任務。在課題研究過程中，應用已經成熟的現代傳感器技術、電子技術和計算機技術一體化的電子數據處理技術，解決拉刀力檢測的數據顯示和傳輸問題，采取了壓力傳感器技術與數控機床刀柄相結合的結構方案，見圖2所示。

1.1 傳感器選型

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

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

1.2 拉刀力數字化測量裝置的組成

拉刀力數字化測量裝置主要由拉刀力測量裝置、測力控制儀、壓力傳感器及電纜組成，見圖5所示。

2 拉刀力測量裝置設計

起初，擬采購進口測量儀，選定了國外某品牌產品，但其近2萬元的價格給企業帶來了一定的經濟負擔。為此，經我們多次與有經驗的老師傅探討，向甘肅省機械科學研究院咨詢，提出了一種新型、實用的解決方案，設計了一種加工中心拉刀力數字化檢測裝置，見圖6所示。加工中心拉刀力數字化檢測裝置由鎖緊螺母、施力法蘭、壓力傳感器、測力拉桿及錐柄組成，鎖緊螺母與測力拉桿采取了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尺寸兩面受力的結構。

3 測力控制儀設計

3.1 測力控制儀原理

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，再經過AD轉換器，將轉換后的數字信號輸入中央處理器進行迅速計算、判斷后顯示相應結果。其主要原理是:在測力拉桿孔內安裝環形墊圈傳感器，碟形彈簧通過主軸孔內的刀具拉桿拉動錐柄孔內的測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形墊圈傳感器，該傳感器發生形變，從而使阻抗發生變化，同時給傳感器施加激勵電壓，就會輸出一個變化的模擬信號，該信號經信號放大和調理電路輸入到AD轉換器，轉換成便于處理的數字信號輸入到控制器的中央處理單元，經過靜態標定和標度轉換程序，將結果通過液晶顯示器顯示出來。

3.2 控制系統設計

控制系統按便攜式進行設計，外觀要滿足人類工程學要求。主要由中央處理器、輸入輸出設備、傳感器信號的采集、信號的放大和調理、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，用液晶顯示器顯示拉刀力的大小。

4 拉刀力測量裝置及檢測過程

加工中心拉刀力數字化檢測裝置的檢測工作過程如下(參見圖2、圖6):測力拉桿穿過施力法蘭、壓力傳感器和錐柄連接，測力拉桿的一端有鎖緊螺母，另一端為標準的數控機床拉釘結構，并通過該拉釘結構與主軸孔內的刀具拉桿連接，刀具拉桿穿過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的錐孔連接。當檢測拉刀力時，推動碟形彈簧鎖緊螺母，壓縮碟形彈簧，刀具拉桿前移;拉桿頭部的徑向開有4個孔，孔內放置鋼球，當刀具拉桿的頭部進入加工中心主軸內的大孔時，鋼球可沿徑向移動，與此同時將鎖緊螺母、施力法蘭、壓力傳感器、測力拉桿和錐柄的組合體通過錐柄與加工中心主軸錐孔連接，測力拉桿另一端標準的數控機床拉釘結構可進入刀具拉桿頭部的4個鋼球內，松開碟形彈簧鎖緊螺母的推力使復位，刀具拉桿后移，其頭部進入加工中心主軸內的小孔時，鋼球將刀具拉桿和測力拉桿連接在一起，同時將碟形彈簧的拉刀力通過施力法蘭傳遞給壓力傳感器，后者將模擬信號輸出到信號接收裝置，完成加工中心拉刀力的大小檢測。檢測結束后，對刀具拉桿外端施力，刀具拉桿向前移動，并推動測力拉桿前移，鋼球同時前移至脫開位置，將測力裝置取下，完成拉刀力的一次檢測工作。

5 結語

設計制造的加工中心拉刀力數字化檢測裝置已投入用戶使用，解決了拉刀力測量的問題，滿足了測量拉刀力的“快速、準確、量化、便捷”的檢測要求，并已獲得新型實用專利授權(專利號:201020621565.9)。拉刀力數字化檢測裝置有效地消除了人為誤差，更加符合企業質量管理和工業生產過程控制的要求，提高了加工中心工作過程的可靠性和安全性，能在加工中心生產裝配線上方便快捷地檢測加工中心的拉刀力，具有結構簡單緊湊、攜帶方便、操作簡便、靈敏度高等優點，還具有功能齊全、無需復雜維護又能長時間可靠工作等特點。對數控機床拉刀力進行數字化測量，對發揮數控機床的潛能，實現高效加工有現實意義。

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