滚齿切削扭矩测试系统的设计

　　滚齿的切削过程十分复杂,不但滚刀各刀齿的工作状态彼此相差很大,而且同一刀齿的工作状态在不同瞬间也有很大变化。笔者对滚齿过程的扭矩测试及其相应工艺参数进行了专门研究,设计并制造了一套滚齿扭矩测试系统。此测力系统采用光信号传输,传输过程不受噪声和畸变影响,测量数据仅靠光单一方向作串行传输,数据传输装置简单,易于安装,系统成本低廉,性能可靠。系统主要采用电阻应变式传感、光电耦合、V/F数字化处理以及8098单片机系统数据采集等技术。

　　1　弹性滚刀轴的设计

　　对滚刀轴进行受力分析后可知,在某一瞬间滚刀轴上所受的扭矩各部分是相同的。因此,可通过测量滚刀轴所受的瞬时扭矩来确定作用在轴上的瞬时力。滚刀轴的设计不仅要满足滚齿需要,还要满足实验需要。首先为滚削出合格的齿轮,要求刀轴强度、刚度大,弹性变形小,然而从实验要求出发,刀轴必须有较小的刚度,且能产生较大的变形。为解决上述矛盾,设计了图1所示的滚刀轴。滚刀轴设计了轴肩CD,使滚刀紧靠其上,从而保证了刀杆旋转时,用于贴应变片的AB段始终处于受扭状态;为了使应变片电桥输出的电压信号尽可能大,设计时使AB段的当量直径尽量小;轴的锥部中间有孔,以供导线的引入引出,为减小导线的晃动对应变电桥的影响,要求孔的直径也尽量小。

　　2　系统的硬件设计

　　滚齿测力系统(图2)的主要目的是:将作用在滚刀轴上的扭矩信号转化为电信号,经一系列处理后,最后在计算机上得到直观的扭矩变化曲线,以便分析相关参数,对滚齿切削规律进行探讨研究。

　　对此测力系统的实验是在Y31滚齿机上完成的。Y31滚齿机结构紧凑,尤其滚刀箱部分空间可利用率小,为此我们选用了半导体应变片作为传感元件,与轴成45°呈全桥布置。

　　电桥输出的毫伏(mV)级信号经差动放大、RC-π型有源滤波[3]后,由隔离传输装置将信号传给8098单片机采集系统,最后经串行通讯接口传给计算机或键盘显示器。信号的隔离传输是解决机床旋转力矩测量的关键,也是本测力系统的关键技术。该装置包括电压频率转换和光电耦合两部分。

　　2·1　电压频率转换

　　电压频率转换技术容易适应于传感器和实际计数器之间或传感器同系统的其他部件之间要求机械上和电气上完全隔离的设备。本实验采用LM331精密电压频率转换器,这是一种简单的廉价电路,具备电压-频率转换技术的所有固有优点,其输出电压为频率正比于输入电压的脉冲链。用电池供电的电压频率转换器,其输出的频率可方便地通过简单的光电隔离器分道,从而提供很好的共模抑制能力。应用电路如图3所示。输出频率fout(kHz)和输入电压Uin(为经滤波后的放大信号)的关系为