重型卧式车床尾座顶紧力测控装置的研究

薛红睿

（甘肃省机械科学研究院，甘肃兰州730030；兰州同位素仪表工程有限公司，甘肃兰州730030）

重型卧式车床通常利用主轴卡盘和尾座顶尖装夹重型工件，其所针对的加工对象都是大重型工件，因此重型卧式车床上尾座的顶紧力大小是一项非常重要的力能指标，我们必须对此项指标进行验证。为保证装夹可靠，在轴向需要施加预紧力，以确保工件在装夹后万无一失。尾座顶紧力究竟应设多大才能合适？若顶尖顶紧力太大，容易损坏尾座机构；若顶尖顶紧力太小，容易引起工件脱落，发生安全事故。为此需要设一测力机构以测量尾座对工件预紧力的大小，在装夹和加工过程中起监测作用。目前国内重型车床工件夹紧的顶紧力是用油缸通过一个磁柱电接点压力表显示力值大小，由于工件重量越来越大，油缸及其管路容易胀裂。另外油缸里的温度、气泡等对显示力值也有一定影响。

1 解决方案

针对国内重型车床尾座测力机构易出故障这一问题，研制出一种电阻应变式传感器测力装置。该装置将轴向的压力（由于顶尖的锥度不同，该值一般为工件重量的0.5～0.6倍）通过电阻应变原理利用数显表显示，清晰直观，可以达到很好的精度，提高工作效率。

1.1 工作原理

利用数字模拟电路和单片机的智能化功能，实现智能化处理和控制，控制器对采集到的传感器不同形变信号进行放大调理，然后经过AD转换器，将转换后的数字信号输入中央处理器进行迅速的计算判断后发出相应的指令，使整个顶紧装置按预设的程序运行。

1.2 传感部件

重型卧式车床测力尾座由尾座体、后压盖、顶尖、轴承套、尾轴、弹性元件、轴套、蜗轮蜗杆和丝杆构成。在靠近后压盖一侧的尾座体内设有轴承套，尾座体后部用螺栓连接后压盖，尾座的后部设有丝杠，丝杠上螺纹连接1个轴套，轴套上装着轴承。其特征在于在轴承与后压盖之间设有弹性元件。将该弹性元件作为一个独立元件通常称为压力传感器，其结构为柱式或空心轮辐式结构。柱式结构（图1）通常3只传感器作为一组，均匀地镶嵌在一个端盖法兰上，端盖法兰再固定在后压盖上，一般用于加工工件吨位较小的车床；空心轮辐式结构（图2）直接固定在后压盖上，相对柱式而言，它的受力在一个环面上，可用于加工工件吨位较大的车床。在其内部均贴有应变片，由应变片组成电桥（图3），封装后称为柱式或轮辐式传感器，其拆装方便，可适用于重型车床和其他需要尾座装夹的重型机床。

1.3 控制系统

重型卧式车床尾座顶紧力控制系统（图4）主要由中央处理器，输入输出设备，传感器信号的采集、放大和调理（图5），AD转换器等部分组成。在设计上采用了全数字化操作的独特设计方法，选用先进的数字模拟电路技术和单片机的智能化功能，结合微控制技术的发展，实现智能化处理和智能化控制。根据传感器受力线性变化的特点，建立数字信号具有线性变化规律的数学模型，通过编写相应的程序，嵌入到相应的控制系统，实现该数学模型。由于机械加工和装配不可避免的误差，编程中本着硬件问题尽量软件化处理的原则，在程序中增加了置零和调整功能。由于采用了先进的光电隔离技术，对所有输入输出信号进行了隔离，使整个控制系统在试验过程中具有很强的抗干扰能力，并配合高精度测力传感器，用数显表显示力的大小，当顶紧力超出设定的范围时有报警输出，能够控制联锁设备的自动启停或驱动相应的警示设备。其具有结构简单紧凑、承载能力大、灵敏度高、操作简便、功能齐全、可靠性高等特点，可对机床尾座顶紧力进行测量和加力控制，也可用作工矿企业对力值的测量和加力控制。

2 试验

该测控装置在尾座上安装之前已在标准压力试验机上进行标定和检验，控制精度优于5‰，响应速度10 ms，通过安装在重型卧式车床进行试验，完全达到预期的设计目的。性能稳定可靠，测量与控制精度高，反应灵敏，具有很强的抗干扰能力。

3 结语

重型卧式车床尾座顶紧力测控装置的成功研制，具有先进合理、技术创新等特点。既保证了功能的合理实现，又使总体结构尺寸合理，美观大方，为企业和社会创造了价值。该测控装置也可用于重型轧辊车床、磨床尾座顶紧力的测控，还可用于重力（重量），离心力、张力等各种需要力的测量和控制的场合，具有很好的经济效益和市场前景。

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