振動(dòng)擺碾加工中擺碾力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：振動(dòng)擺碾壓加工技術(shù)是將振動(dòng)技術(shù)引入擺動(dòng)碾壓成形中，具有成形力小、成形效率和成形精度高等特點(diǎn)，可以降低材料變形時(shí)所需的外力，還能大幅度提高產(chǎn)品成形質(zhì)量。為了了解振動(dòng)擺動(dòng)碾壓力的效果，在現(xiàn)有振動(dòng)擺動(dòng)碾壓設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了振動(dòng)擺碾力檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)擺碾力的實(shí)時(shí)檢測(cè)及振動(dòng)擺碾的控制。根據(jù)檢測(cè)要求，分析振動(dòng)擺碾力檢測(cè)系統(tǒng)的組成，選擇合適的測(cè)力傳感元件，設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路和串口數(shù)據(jù)傳送電路，并通過(guò)按鍵控制振動(dòng)擺檢測(cè)系統(tǒng)中的振動(dòng)頻率及工作進(jìn)給，選擇單片機(jī)作為下位機(jī)采集擺碾力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)通信電路把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

關(guān)鍵詞：擺動(dòng)碾壓；振動(dòng)；力檢測(cè)；單片機(jī)；數(shù)據(jù)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(dòng)碾壓加工藝是美國(guó)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(tái)Slick擺碾機(jī)在美國(guó)問(wèn)世。20世紀(jì)20年代，英國(guó)人馬賽也開(kāi)始從事擺碾研究工作。但以后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于模具壽命，生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益等幾方面的原因，擺動(dòng)碾壓未能得到進(jìn)一步發(fā)展。六十年代以后，由于它具有省力、精度高、無(wú)公害等顯著優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們重視。1962年，蘇聯(lián)人A.N.Silckev取得兩項(xiàng)擺碾專利。1964年，英國(guó)人又在原來(lái)的基礎(chǔ)上制造和安裝了一臺(tái)能加工φ100mm鍛件的70噸擺碾機(jī)。波蘭人從事擺動(dòng)碾壓研究雖然較晚，1967年才研制成功第一臺(tái)擺碾機(jī)，但在擺碾研究和實(shí)際應(yīng)用方面均處于先進(jìn)地位。日本到1972年才在名古屋工業(yè)研究所制成第一臺(tái)擺碾機(jī)。1979年、1982年和1984年分別在英國(guó)的倫敦和斯特拉福及日本的東京召開(kāi)了三次國(guó)際回轉(zhuǎn)加工會(huì)議，主要對(duì)擺碾工藝、設(shè)備及理論等方面進(jìn)行探討和交流。到目前為止，世界上已有美國(guó)、英國(guó)、蘇聯(lián)、波蘭、捷克、匈牙利、瑞士、法國(guó)、日本、印度等國(guó)從事擺動(dòng)碾壓的研究工作和生產(chǎn)實(shí)踐。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 力檢測(cè)及控制總體方案設(shè)計(jì)

1擺頭 2工件 3凹模 4墊板 5球鉸 6圓環(huán) 7工作臺(tái)

為了保證振動(dòng)擺碾力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先對(duì)振動(dòng)擺碾力檢測(cè)系統(tǒng)作總體的設(shè)計(jì)分析。如圖1所示，振動(dòng)擺碾力是通過(guò)擺碾頭做用于工作臺(tái)上的工件，由于圓錐擺頭是不停的旋轉(zhuǎn)并作用于工件上的，為了能夠檢測(cè)出擺碾力任一時(shí)刻的力值，將凹模與工作臺(tái)之間的圓環(huán)分成8塊，每塊貼上應(yīng)變片，當(dāng)有擺碾力作用于工件時(shí)，每塊圓環(huán)就會(huì)發(fā)生變形。通過(guò)碾上應(yīng)變片檢測(cè)圓柱的形變量，進(jìn)而測(cè)出擺碾力的大小。

1.1.1 力檢測(cè)及控制硬件方案設(shè)計(jì)

從應(yīng)變片測(cè)量電路輸出的是微小的模擬信號(hào)，需進(jìn)行放大處理然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理后輸入到單片機(jī)，單片機(jī)把處理過(guò)的數(shù)據(jù)信號(hào)作初步分析和計(jì)算，并將計(jì)算后的結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)（PC機(jī)）。

對(duì)于控制方案設(shè)計(jì)主要是對(duì)于工作臺(tái)上下進(jìn)給及振動(dòng)頻率控制的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，工作臺(tái)的上下進(jìn)給是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，振動(dòng)頻率是通過(guò)換向電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故可通過(guò)單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)的控制電機(jī)和電磁閥。硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

1.1.2 力檢測(cè)及控制軟件方案設(shè)計(jì)

軟件方案的設(shè)計(jì)主要完成對(duì)測(cè)量到的振動(dòng)擺碾力信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、通信和電機(jī)電磁閥控制等功能。振動(dòng)擺碾力檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分都采用模塊化設(shè)計(jì)，單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集程序、通信、控制程序等，采用C51編程。軟件結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示。

2 控制主程序設(shè)計(jì)

控制程序主要包括步進(jìn)電機(jī)的控制和電磁閥的控制，當(dāng)單片機(jī)接收到按鍵的信號(hào)后，判斷是控制的電機(jī)還是控制頻率，然后根據(jù)按鍵的功能選擇去執(zhí)行控制程序，執(zhí)行完后結(jié)束程序

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)振動(dòng)擺碾力的檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)擺碾力實(shí)時(shí)檢測(cè)并且能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)存取，對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)分析提供了數(shù)據(jù)幫助，彌補(bǔ)了擺碾力測(cè)量的局限性，而且為振動(dòng)擺碾技術(shù)的發(fā)展和完善提供了有用的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方案

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作者簡(jiǎn)介：第一作者陳叢城，男，廣東韶關(guān)人，研究方向：機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)。