振動擺碾加工中擺碾力檢測系統設計

摘要：振動擺碾壓加工技術是將振動技術引入擺動碾壓成形中，具有成形力小、成形效率和成形精度高等特點，可以降低材料變形時所需的外力，還能大幅度提高產品成形質量。為了了解振動擺動碾壓力的效果，在現有振動擺動碾壓設備的基礎上，設計了振動擺碾力檢測系統，通過該系統實現對振動擺碾力的實時檢測及振動擺碾的控制。根據檢測要求，分析振動擺碾力檢測系統的組成，選擇合適的測力傳感元件，設計傳感器信號調理電路、A/D 轉換電路和串口數據傳送電路，并通過按鍵控制振動擺檢測系統中的振動頻率及工作進給，選擇單片機作為下位機采集擺碾力數據，經過通信電路把數據傳送到上位機。

關鍵詞：擺動碾壓；振動；力檢測；單片機；數據采集

Abstract： Vibration pendulum rolling processing technology is the technology into the swing vibration rolling forming，has low forming force，the fabrication efficiency and high precision，can reduce the deformation of the material required for the external force，but also greatly improve the product forming quality.In order to understand the vibration swing grinding pressure effect，the existing oscillating roller device based on the design of vibration，swinging grinding force detection system，through the system to achieve the vibration swing grinding force detection and realtime vibration swinging grinding control.According to testing requirements，analysis the vibration swing grinding force detection system，select the appropriate force measuring sensing element，design of sensor signal conditioning circuit，A/D conversion circuit and a serial data transmission circuit，through the key to control the vibration swing in the measurement system of vibration frequency and feed，select single chip microcomputer as the nextbit machine acquisition swinging grinding force data，through the communication circuit transmits data to PC.

Key words：Rotary forging；Vibration；Force detection；MCU；Data acquisition

擺動碾壓加工藝是美國Midvale & Ordance公司副總裁E.E.Slick在1900年以前提出的一種新的壓力加工方法。在1906年，世界上第一臺Slick擺碾機在美國問世。20世紀20年代，英國人馬賽也開始從事擺碾研究工作。但以后相當長一段時間內，由于模具壽命，生產率和經濟效益等幾方面的原因，擺動碾壓未能得到進一步發展。六十年代以后，由于它具有省力、精度高、無公害等顯著優點，越來越受到人們重視。1962年，蘇聯人A.N.Silckev取得兩項擺碾專利。1964年，英國人又在原來的基礎上制造和安裝了一臺能加工φ100mm鍛件的70噸擺碾機。波蘭人從事擺動碾壓研究雖然較晚，1967年才研制成功第一臺擺碾機，但在擺碾研究和實際應用方面均處于先進地位。日本到1972年才在名古屋工業研究所制成第一臺擺碾機。1979年、1982年和1984年分別在英國的倫敦和斯特拉福及日本的東京召開了三次國際回轉加工會議，主要對擺碾工藝、設備及理論等方面進行探討和交流。到目前為止，世界上已有美國、英國、蘇聯、波蘭、捷克、匈牙利、瑞士、法國、日本、印度等國從事擺動碾壓的研究工作和生產實踐。

1 設計方案

1.1 力檢測及控制總體方案設計

1擺頭 2工件 3凹模 4墊板 5球鉸 6圓環 7工作臺

為了保證振動擺碾力的實時檢測，進行檢測系統的設計，先對振動擺碾力檢測系統作總體的設計分析。如圖1所示，振動擺碾力是通過擺碾頭做用于工作臺上的工件，由于圓錐擺頭是不停的旋轉并作用于工件上的，為了能夠檢測出擺碾力任一時刻的力值，將凹模與工作臺之間的圓環分成8塊，每塊貼上應變片，當有擺碾力作用于工件時，每塊圓環就會發生變形。通過碾上應變片檢測圓柱的形變量，進而測出擺碾力的大小。

1.1.1 力檢測及控制硬件方案設計

從應變片測量電路輸出的是微小的模擬信號，需進行放大處理然后輸入到A/D轉換器，經過A/D轉換處理后輸入到單片機，單片機把處理過的數據信號作初步分析和計算，并將計算后的結果發送到上位機（PC機）。

對于控制方案設計主要是對于工作臺上下進給及振動頻率控制的設計。根據系統機械結構方案，工作臺的上下進給是通過電機來實現，振動頻率是通過換向電磁閥來實現的，故可通過單片機和驅動電路來的控制電機和電磁閥。硬件結構框圖如下圖2所示。

1.1.2 力檢測及控制軟件方案設計

軟件方案的設計主要完成對測量到的振動擺碾力信號進行采集、轉換、通信和電機電磁閥控制等功能。振動擺碾力檢測系統的軟件部分都采用模塊化設計，單片機的軟件設計主要包括：主程序設計、數據采集程序、通信、控制程序等，采用C51編程。軟件結構框圖如下圖3所示。

2 控制主程序設計

控制程序主要包括步進電機的控制和電磁閥的控制，當單片機接收到按鍵的信號后，判斷是控制的電機還是控制頻率，然后根據按鍵的功能選擇去執行控制程序，執行完后結束程序

3 結論

通過對振動擺碾力的檢測系統的設計，實現了對振動擺碾力實時檢測并且能夠對采集到的數據存取，對以后的實驗分析提供了數據幫助，彌補了擺碾力測量的局限性，而且為振動擺碾技術的發展和完善提供了有用的實驗檢測方案

參考文獻：

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作者簡介：第一作者陳叢城，男，廣東韶關人，研究方向：機械設備設計與維護。