賈夢(mèng)，薛丁睿，劉思凡，王衛(wèi)英

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

動(dòng)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(yùn)動(dòng)及精度通過卡盤傳遞給工件[1]。高速旋轉(zhuǎn)的工件及其夾緊系統(tǒng)具有巨大的運(yùn)動(dòng)能量，由于卡爪離心力的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，夾緊力下降很多。當(dāng)有效夾緊力小于抵抗切削力所需的最小夾緊力時(shí)，工件就會(huì)被甩出而造成重大事故[2]。為保證安全，需要對(duì)動(dòng)力卡盤夾緊力進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。因此需要得到卡盤在不同轉(zhuǎn)速下的夾緊力數(shù)值。

本文針對(duì)動(dòng)力卡盤動(dòng)態(tài)夾緊力設(shè)計(jì)了一套測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)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(yīng)變片式壓力傳感器的檢測(cè)電路，采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)彈性體的應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；采用Altium Designer設(shè)計(jì)了傳感器輸出信號(hào)的處理電路及供電電路，制作了變送器實(shí)物；采用LabVIEW建立了數(shù)據(jù)接收虛擬機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)及顯示，為車床動(dòng)力卡盤夾緊力的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提供了技術(shù)支持。

1 測(cè)力傳感器

測(cè)力傳感器的作用是將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。本文采用S型電阻應(yīng)變片式壓力傳感器，其主要由彈性體、電阻應(yīng)變片和檢測(cè)電路組成[4]。檢測(cè)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(hù)電路，防止過載[5]；應(yīng)變片Rg1-Rg4組成全橋電路，U為電橋電壓，彈性體不受力時(shí)，應(yīng)變片阻值相等，U0=0，彈性體受壓時(shí)，彈性體承壓后產(chǎn)生應(yīng)變場(chǎng)，應(yīng)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(guān)系[6]；應(yīng)變片Rp1、Rp2為補(bǔ)償片，彈性體受壓阻值減小時(shí)對(duì)U0進(jìn)行非線性補(bǔ)償[7-8]。

圖1 壓力傳感器檢測(cè)電路

傳感器應(yīng)變片粘貼方式如圖2所示。傳感器材質(zhì)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(duì)傳感器性能進(jìn)行了驗(yàn)證，圖3所示為夾緊力3 140N時(shí)傳感器在應(yīng)變片敏感柵粘貼方向的彈性應(yīng)變輸出云圖。在應(yīng)變片粘貼位置取A、B、C、D 4個(gè)點(diǎn)，輸出其在不同載荷下沿應(yīng)變片敏感柵方向的彈性應(yīng)變值，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。仿真結(jié)果表明，應(yīng)變片位置的應(yīng)變與壓力成正比例關(guān)系，傳感器的功能可靠。

圖2 應(yīng)變輸出點(diǎn)位置

圖3 傳感器彈性應(yīng)變?cè)茍D(壓力3 140N)

表1 不同壓力下敏感柵方向的彈性應(yīng)變值

2 變送器設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出的電壓信號(hào)較小，5V供電時(shí)輸出的理論最大電壓僅為10mV，因此需要對(duì)其進(jìn)行放大及濾波處理。由于卡盤工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此將信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后無線發(fā)送至接收終端。為降低成本、提高效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用模塊化方法搭建信號(hào)處理電路，為各模塊設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的接口電路就可以使用模塊相應(yīng)功能。

采用AD623芯片搭建信號(hào)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(diǎn)。使用時(shí)外接反饋電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路增益的控制。AD623具有8個(gè)引腳，接口電路如圖4(a)所示，放大倍數(shù)為G時(shí)，所選反饋電阻阻值為RG1=(100/G-1) kΩ。

采用NRF24L01無線模塊進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送與接收，NRF24L01模塊具有體積小巧，功耗低，便于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在2.4GHz的工作頻段上，最高傳輸速率可以達(dá)到2 Mbit/s，滿足傳感器的數(shù)據(jù)傳輸要求。無線發(fā)送模塊接口電路如圖4(b)所示。

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

圖4 信號(hào)調(diào)理模塊電路

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

測(cè)力系統(tǒng)采用可充電的鋰電池供電，電池最大輸出電壓12.6V，可持續(xù)輸出電流為5A，電池容量為2 800mAh，適用于功耗60W以內(nèi)的電路系統(tǒng)。系統(tǒng)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(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)壓電路，將輸入電壓轉(zhuǎn)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(wěn)壓器LM2931-5.0轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器ICL7660轉(zhuǎn)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(wěn)壓器AMS1117-3.3轉(zhuǎn)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(jīng)過一階RC濾波電路后作為AD轉(zhuǎn)換器參考電壓。所有電壓源輸出端都與地之間連接了相應(yīng)的去耦電容來濾除各電壓源的高頻雜波，各電壓轉(zhuǎn)換模塊電路如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換模塊電路

3 測(cè)力系統(tǒng)實(shí)物制作與標(biāo)定

使用Altium Designer 16軟件設(shè)計(jì)PCB板，采用雙層敷銅板作為印制板，雙面銅皮與地線網(wǎng)絡(luò)相連接。設(shè)計(jì)完成后打樣，焊接相關(guān)電子元器件到PCB板上，測(cè)試無異常后導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)程序，完成變送器的制作。變送器實(shí)物如圖7所示。

圖7 變送器實(shí)物

傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)最終以串口通信的方式發(fā)送到PC端，采用LabVIEW 2015軟件開發(fā)用于實(shí)時(shí)接收串口數(shù)據(jù)的虛擬機(jī)。本文采用串行通信ActiveX控件MSCOMM32實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與下位機(jī)的通信，虛擬機(jī)界面如圖8所示。開始讀取后可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)6路數(shù)據(jù)的接收與處理，測(cè)試數(shù)據(jù)被存放到指定地址可供訪問。

圖8 數(shù)據(jù)處理與顯示虛擬機(jī)界面

采用壓力機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，壓力機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示施加的壓力，最大壓力輸出為10 T。得到施加壓力與測(cè)試系統(tǒng)輸出匯總?cè)绫?所示。

表2 壓力機(jī)示數(shù)與測(cè)試系統(tǒng)輸出

將壓力f(x)與示數(shù)x使用Matlab進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到f(x)與x間的關(guān)系式：

f(x)=4 468x+99.31。

采用此表達(dá)式，在4 000～11 000N范圍內(nèi)，無線測(cè)力系統(tǒng)誤差<0.75%。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

夾緊力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作完成以后，針對(duì)不同類型的動(dòng)力卡盤還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試工裝。圖9(a)所示為安裝在CAK6150Di車床上的一種動(dòng)力分度卡盤，卡盤上預(yù)留了夾具安裝的標(biāo)準(zhǔn)接口，根據(jù)接口尺寸為傳感器設(shè)計(jì)測(cè)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(cè)試工裝安裝到卡盤上并夾緊，如圖9(c)所示。為變送器設(shè)計(jì)外殼防止其測(cè)試時(shí)甩出，外殼如圖9(d)所示。動(dòng)力分度卡盤測(cè)試系統(tǒng)總體測(cè)試方案如圖10所示，傳感器通過測(cè)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(cè)試工裝設(shè)計(jì)

圖10 測(cè)試系統(tǒng)安裝方案

卡盤的理論夾緊力在供油壓力分別為2MPa、3MPa、4MPa時(shí)分別為5 652N、8 478N、11 304N。測(cè)試系統(tǒng)安裝完成后，開始夾緊力測(cè)試，過程如下：

1)設(shè)置初始供油壓力為2MPa，通過LabVIEW虛擬機(jī)讀取夾緊力的靜態(tài)穩(wěn)定值；

2)設(shè)置車床轉(zhuǎn)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(shí)際轉(zhuǎn)速，記錄不同轉(zhuǎn)速下夾緊力的穩(wěn)定值；

3)停轉(zhuǎn)主軸，增大供油壓力到3MPa讀取靜態(tài)夾緊力并重復(fù)2)中的測(cè)試步驟；

4)停轉(zhuǎn)主軸，增大供油壓力到4MPa讀取靜態(tài)夾緊力并重復(fù)2)中的測(cè)試步驟。

動(dòng)力分度卡盤的夾緊力實(shí)測(cè)值匯總?cè)绫?所示，繪制夾緊力變化折線圖如圖11所示。從圖表中數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)速達(dá)到1 800 r/min時(shí)，動(dòng)力卡盤夾緊力在初始供油壓力分別為2MPa、3MPa、4MPa時(shí)損失分別為891N、720N、544N，夾緊力損失分別達(dá)16.7%、8.7%和5.0%。

表3 動(dòng)力卡盤動(dòng)態(tài)夾緊力測(cè)試

圖11 不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)力卡盤夾緊力

夾緊力測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可以在卡盤旋轉(zhuǎn)時(shí)獲取其實(shí)際夾緊力；初始供油油壓較小時(shí)，該款動(dòng)力卡盤的夾緊力受轉(zhuǎn)速影響較大，因此在保證加工質(zhì)量前提下應(yīng)選用較高的初始供油壓力。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并制作了一套帶無線傳送功能的車床夾緊力測(cè)試系統(tǒng)樣機(jī)，完成了傳感器選型、變送器設(shè)計(jì)與制作、傳感器的標(biāo)定等，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)可以有效滿足卡盤夾緊力的測(cè)試需求。