動力卡盤動態夾緊力測試系統研制

賈夢，薛丁睿，劉思凡，王衛英

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

動力卡盤是連接車床主軸與工件的專用夾具，用于工件的定位與夾緊。它是車床主軸與工件連接的橋梁，車床主軸的運動及精度通過卡盤傳遞給工件[1]。高速旋轉的工件及其夾緊系統具有巨大的運動能量，由于卡爪離心力的大小與轉速的平方成正比，夾緊力下降很多。當有效夾緊力小于抵抗切削力所需的最小夾緊力時，工件就會被甩出而造成重大事故[2]。為保證安全，需要對動力卡盤夾緊力進行動態補償。因此需要得到卡盤在不同轉速下的夾緊力數值。

本文針對動力卡盤動態夾緊力設計了一套測試系統。測試系統主要由傳感器、無線變送器及無線接收終端等組成[3]。本文分析了S型電阻應變片式壓力傳感器的檢測電路，采用Abaqus有限元分析軟件對彈性體的應變規律進行了仿真驗證；采用Altium Designer設計了傳感器輸出信號的處理電路及供電電路，制作了變送器實物；采用LabVIEW建立了數據接收虛擬機對采集到的信號進行存儲及顯示，為車床動力卡盤夾緊力的動態補償提供了技術支持。

1 測力傳感器

測力傳感器的作用是將壓力轉變為電信號輸出。本文采用S型電阻應變片式壓力傳感器，其主要由彈性體、電阻應變片和檢測電路組成[4]。檢測電路如圖1所示，其中E為供電電壓，U0為輸出電壓；R1與R2為定值電阻，作用是保護電路，防止過載[5]；應變片Rg1-Rg4組成全橋電路，U為電橋電壓，彈性體不受力時，應變片阻值相等，U0=0，彈性體受壓時，彈性體承壓后產生應變場，應變片阻值隨之改變，使U0值改變，且輸出值與壓力成正比例關系[6]；應變片Rp1、Rp2為補償片，彈性體受壓阻值減小時對U0進行非線性補償[7-8]。

圖1 壓力傳感器檢測電路

傳感器應變片粘貼方式如圖2所示。傳感器材質為不銹鋼，靈敏度為2mV/V，量程為1.5 T。本文采用Abaqus有限元分析軟件對傳感器性能進行了驗證，圖3所示為夾緊力3 140N時傳感器在應變片敏感柵粘貼方向的彈性應變輸出云圖。在應變片粘貼位置取A、B、C、D 4個點，輸出其在不同載荷下沿應變片敏感柵方向的彈性應變值，結果匯總如表1所示。仿真結果表明，應變片位置的應變與壓力成正比例關系，傳感器的功能可靠。

圖2 應變輸出點位置

圖3 傳感器彈性應變云圖(壓力3 140N)

表1 不同壓力下敏感柵方向的彈性應變值

2 變送器設計

2.1 信號調理電路設計

由于傳感器輸出的電壓信號較小，5V供電時輸出的理論最大電壓僅為10mV，因此需要對其進行放大及濾波處理。由于卡盤工作時處于旋轉狀態，因此將信號經模數轉換后無線發送至接收終端。為降低成本、提高效率與系統穩定性，采用模塊化方法搭建信號處理電路，為各模塊設計對應的接口電路就可以使用模塊相應功能。

采用AD623芯片搭建信號放大電路，AD623是一款易于使用的儀表放大器，具有低功耗、低噪聲、低溫漂、寬增益范圍(1～1 000)等特點。使用時外接反饋電阻實現對放大電路增益的控制。AD623具有8個引腳，接口電路如圖4(a)所示，放大倍數為G時，所選反饋電阻阻值為RG1=(100/G-1) kΩ。

采用NRF24L01無線模塊進行信號的發送與接收，NRF24L01模塊具有體積小巧，功耗低，便于開發等優點，在2.4GHz的工作頻段上，最高傳輸速率可以達到2 Mbit/s，滿足傳感器的數據傳輸要求。無線發送模塊接口電路如圖4(b)所示。

采用STM32F4核心板作為系統處理器，核心板內置ADC模塊，具有體積小巧、性能穩定、接口豐富、易于編程等優點，核心板接口電路如圖4(c)所示。核心板內置的AD模塊采集電壓信號范圍0～+3.3V，因此選用AD623的反饋電阻RG1阻值為330 Ω，此時放大倍數約為304倍，傳感器5V供電時，放大后的理論最大信號電壓為3.04V。

圖4 信號調理模塊電路

2.2 供電模塊設計

測力系統采用可充電的鋰電池供電，電池最大輸出電壓12.6V，可持續輸出電流為5A，電池容量為2 800mAh，適用于功耗60W以內的電路系統。系統各模塊所需電壓如圖5所示，壓力傳感器供電電壓為5V，放大電路供電電壓為±5V，核心板及無線模塊供電電壓3.3V。因此需要設計相應的調壓電路，將輸入電壓轉化為各模塊所需要的電壓。

圖5 變送器各模塊組成及電壓

首先將鋰電池提供的+12.6V的電壓通過低壓差線性穩壓器LM2931-5.0轉換為+5V的電壓源分別提供給傳感器、AD623。再將+5V電壓通過小功率極性翻轉電源轉換器ICL7660轉換為-5V的電壓源提供給AD623。然后將+5V的電壓通過正向低壓降穩壓器AMS1117-3.3轉換為+3.3V電壓提供給核心板、無線模塊。最后將+3.3V的電壓源經過一階RC濾波電路后作為AD轉換器參考電壓。所有電壓源輸出端都與地之間連接了相應的去耦電容來濾除各電壓源的高頻雜波，各電壓轉換模塊電路如圖6所示。

圖6 電壓轉換模塊電路

3 測力系統實物制作與標定

使用Altium Designer 16軟件設計PCB板，采用雙層敷銅板作為印制板，雙面銅皮與地線網絡相連接。設計完成后打樣，焊接相關電子元器件到PCB板上，測試無異常后導入驅動程序，完成變送器的制作。變送器實物如圖7所示。

圖7 變送器實物

傳感器所測得的數據最終以串口通信的方式發送到PC端，采用LabVIEW 2015軟件開發用于實時接收串口數據的虛擬機。本文采用串行通信ActiveX控件MSCOMM32實現計算機與下位機的通信，虛擬機界面如圖8所示。開始讀取后可以同時實現6路數據的接收與處理，測試數據被存放到指定地址可供訪問。

圖8 數據處理與顯示虛擬機界面

采用壓力機對傳感器進行靜態標定，壓力機可以實時顯示施加的壓力，最大壓力輸出為10 T。得到施加壓力與測試系統輸出匯總如表2所示。

表2 壓力機示數與測試系統輸出

將壓力f(x)與示數x使用Matlab進行多項式擬合，得到f(x)與x間的關系式：

f(x)=4 468x+99.31。

采用此表達式，在4 000～11 000N范圍內，無線測力系統誤差<0.75%。

4 實驗測試與分析

夾緊力測試系統設計、制作完成以后，針對不同類型的動力卡盤還需設計相應的測試工裝。圖9(a)所示為安裝在CAK6150Di車床上的一種動力分度卡盤，卡盤上預留了夾具安裝的標準接口，根據接口尺寸為傳感器設計測試專用工裝并安裝在傳感器上，如圖9(b)所示，將傳感器通過測試工裝安裝到卡盤上并夾緊，如圖9(c)所示。為變送器設計外殼防止其測試時甩出，外殼如圖9(d)所示。動力分度卡盤測試系統總體測試方案如圖10所示，傳感器通過測試工裝被卡盤夾緊，變送器通過安裝基板固定在卡盤的端面。

圖9 測試工裝設計

圖10 測試系統安裝方案

卡盤的理論夾緊力在供油壓力分別為2MPa、3MPa、4MPa時分別為5 652N、8 478N、11 304N。測試系統安裝完成后，開始夾緊力測試，過程如下：

1)設置初始供油壓力為2MPa，通過LabVIEW虛擬機讀取夾緊力的靜態穩定值；

2)設置車床轉速分別為200、500、800、1 000、1 200、1 500、1 800 r/min，通過車床控制面板讀取主軸實際轉速，記錄不同轉速下夾緊力的穩定值；

3)停轉主軸，增大供油壓力到3MPa讀取靜態夾緊力并重復2)中的測試步驟；

4)停轉主軸，增大供油壓力到4MPa讀取靜態夾緊力并重復2)中的測試步驟。

動力分度卡盤的夾緊力實測值匯總如表3所示，繪制夾緊力變化折線圖如圖11所示。從圖表中數據可以看出，轉速達到1 800 r/min時，動力卡盤夾緊力在初始供油壓力分別為2MPa、3MPa、4MPa時損失分別為891N、720N、544N，夾緊力損失分別達16.7%、8.7%和5.0%。

表3 動力卡盤動態夾緊力測試

圖11 不同轉速下動力卡盤夾緊力

夾緊力測試結果表明，本文設計的測試系統可以在卡盤旋轉時獲取其實際夾緊力；初始供油油壓較小時，該款動力卡盤的夾緊力受轉速影響較大，因此在保證加工質量前提下應選用較高的初始供油壓力。

5 結語

本文設計并制作了一套帶無線傳送功能的車床夾緊力測試系統樣機，完成了傳感器選型、變送器設計與制作、傳感器的標定等，并進行了實驗測試。測試結果表明該測試系統可以有效滿足卡盤夾緊力的測試需求。