（机械制造及其自动化专业论文）内螺纹冷挤压监测系统的研制.pdf

摘要 加工过程的在线监测技术是自动化加工中的关键性技术难题之一。本文对现有的 监测理论及技术进行了综合分析，针对制造业中一重要加工工艺内螺纹的冷挤压 成形技术，研制开发了专用的温度和扭矩实时监测系统。本文主要内容如下： 1 、总结了国内外加工过程状态监测技术的发展状况，讨论了课题的研究方向。 2 、分析了内螺纹冷挤压成形工艺的特点，提出了温度与扭矩相结合的监测策略，并 建立了相应的测试系统 3 、对监测系统中的多路信号放大及数据处理技术进行了深入细致的研究，提出了切 实可行的解决方案，优选了相应的电子模块及器件。 4 、组建了以a t 8 9 c 5 2 微控制器为控制核心的监测系统。完成了硬件的设计、布线及 监测软件的编制，深入探讨了相关的抗干扰等问题。 。 关键词：在线监预i 、冷挤盘、温匿、扭烂微菇钿器、抗丰轨 a b s t r a c t i n p r o c e s sm o n i t o r i n gi s o n eo ft h ec r u c i a la n dd i f f i c u l tt e c h n i q u e s i n a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n g i nt h i st h e s i s ，e x i s t e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g yo f m o n i t o r i n gh a v eb e e ns t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y w h a th a sb e e nd e v e l o p e di nt h e r e s e a r c hi sas p e c i a li n p r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt e m p e r a t u r ea n dt o r q u e i ni n t e r n a lt h r e a d sc o l df o r mt a p p i n gw h i c hi s o n eo ft h em o s tp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h ec o n t e n to ft h i s t h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ad e t a i ls u m m a r i z a t i o ni sg i v e na b o u tt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g p r o c e s sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 2 c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lt h r e a d sc o l df o r mt a p p i n ga r ea n a l y z e d am o n i t o r i n gs t r a t e g yo ft e m p e r a t u r es i g n a l sc o m b i n i n gt o r q u es i g n a l si sp u t f o r w a r d ，a n dt h et e s ts y s t e mi s s e tu p 3 m u l t i p l e xs i g n a la m p l i f y i n g a n dd a t a p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a r e r e s e a r c h e dt h o r o u g h l y f e a s i b l er e s o l v e n ti sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ， c o r r e s p o n d i n ge l e c t r o n i cm o d u l ea n de l e m e n t sa r ec a r e f u ll yc h o s e n 4 a ni n p r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e mu s i n ga t 8 9 c 5 2s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r a si t sm a s t e rc o n t r o lc o m p u t e rh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed e s i g no fh a r d w a r e ， c i r c u i td i a g r a ma n ds o f t w a r eh a sb e e nf i n i s h e d o t h e rp r o b l e m ss u c ha s a n t i j a m m i n gh a v eb e e nd i s c u s s e dt h o r o u g h l y k e y w o r d s ：i n p r o c e s sm o n i t o r i n g ，c o l df o r mt a p p i n g ，t e m p e r a t u r e ，t o r q u e s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，a n t i j a m m i n g 第一章绪论 1 1 加工过程的在线监测技术 加工过程的在线监控技术是自动化加工中的关键技术之一，近三十年来，这一研 究领域受到许多专家学者的重视，并进行了大量的研究，先后提出应用光学法、电阻 膜、放射处理等直接检测方法和用切削力、切削功率、振动加速度、声发射等间接检 测方法。很多方法已经用于自动线和加工中心。 随着微电子技术、计算机技术的发展和广泛应用，不仅完善和发展了原有的加工 过程的信息检测方法，而且机械加工自动化技术的发展改变了加工过程信息检测的目 的和要求。给加工过程的检测技术增添了许多新的内容，使之成为- - f 新的包含传感 器技术、微电子技术、计算机技术和信号处理技术的交叉学科，是机电一体化领域的 个重要组成部分i i i 。 1 1 1 历史的回顾 1 9 5 3 年m e r c h a n t ，m eb c o l d i n g 和l g e r w a l l 把刀具进行放射性处理，提出了用 检测切屑中放射性物质含量推算刀具的磨损率的方法。因其放射性物质含量过大难以 广泛使用p l 【3 l 【4 】【5 1 。1 9 8 3 年，美国麻省理工学院的n h c o o k 教授等f 6 】提出了作微量放 射性同位素( 约l o 。9 _ 1 0 墙c i ) 埋入刀具后刀面的最大允许磨损处的方法。这种方法可 直接测其磨损极限值，但对车削、钻削等难以进行过程监控。 1 9 6 7 年，由臼本的t a k e g a m a ，h 等提出的用显微镜和工业电视( i t v ) 对刀具后 刀面磨损区进行图像处理的方法，是用i t v 在线检测刀具的雏形，经过发展，到1 9 7 8 年形成了用计算机和i t v 图像处理在线检测刀具磨损的样机【7 。图1 1 是其原理图。 i t v 检测方法精度较高，可靠性好，但这种方法必须在加工间歇时间内才能检测， 实时性差，对刀具破损不能及时检出，且需一定的清洗设备，效率也较低。 1 9 7 0 年，f r o s t s m i t h 提出的用光电倍增器在线检测铣刀后刀面磨损的方法，检测 精度可达2 5 p m t t i ，这种方法不需停机，效率较高。存在的主要问题是传感器的安装 调试困难，使用不便，应用较少。 7 0 年代初，光导纤维被引入刀具磨损破损在线检测的领域。1 9 7 7 年，意大利学 者f g i u s t i 和m s a n t o c h i 等又发展了这种方法。 利用刀具和工件f 1 日j 的接触面积的改变导致接触电阻的变化来测量刀具的磨损，也 丛鳖丝堡堑坠堕型叠丝塑塑型一 曾引起不少研究者的兴趣。1 9 7 1 年，w i l k i n s o n 教授利用测刀具一工件接触电阻的 方法在线检测精加工时车刀的磨损量，测量精度可达0 0 5 m m 。但是，接触电阻受切 削力切削速度、进给量及切屑形态的影响较大。 阿l li f v 也：线柃测川t 1 磨损的原理 以一i ：介绍的几利- 办法人多槭j j 。 接检测法。但血接检测法存扫i 许多难以克服的 缺点。近些年米，川i ：过科舱测的发胜尥辨足n u 接检测法。如通过检测、分析力、功 率，卢发射、震动等价号，并i j 测川儿帕辱命毋j 破坝折断状态。 切削力足切削过私的重幔参数，也禽管切削过程的许多信息，对刀只的磨损和破 损很敏感。6 0 i 代木，7 0 印代幸j ，炎的s u b r a m a n i a n k c o o k n h 等h 力的大小、 柯列增最等特“i ：参数枪测川il 嬲损进i 门f i j f 究。1 9 7 1 印，l v c o l w e l l 提出j j 切削分 j 比f y f z 作为检测 j 【崩损的特扯参数i 髯。这之后确：多学肯对这种方法进行了深 入的研究。 用切削j 的z 山念成分杓；线枪洲y jj 的墉坝_ _ f i i 破损，也是近年来研究的一大课题。 夺的赖光哲、齐雌义人教授分析了5 - l j i l 过私i i i 川具磨损和破损对力信号幼念分量的 口碡值及j e 频融，认为y j jl 席 6 1 j 破 f r i 刈i w 。1 f i i c 的影响较小，丽埘刀f i ：i j 振频率附近的频 带成分较规t i 地影响。华- i 科技人。z 的刘绛燕、杨叔子教授等认为刀具的磨损导致力 信号的第一频啭主峰卜移。 1 9 7 5 年后，h 小的彳川l i j 、森胁俊通等教投将声发射技术( a c o u s t i ce m i s s i o no r a e ) 引入刀j 靡损0 破损n 线榆测的的研究领域。之后不少学者进行了广泛、深 入的研究，先后建直了些。丈验系统，挺小了脉冲计数法、频嘴分析法、加权计数法 等分析处理数撕的厅法。匕u i l j | j 过程 ，l 腓坝。j 破损时的a e 信号的有效频率一般 m1 0 0 k i i z 一1 m i i z 1 l ：常腓坝阶段蝴一船较i ，月j 发生破损州频带腱宽。也就是 兑，a e 信号频牢比。般村l 械震r 讪的蝴；礼百褂彩，从而提高了声发射信号的抗十扰能 j j 。塔管j l 】肌俯j 榆测j j j 0 蜊 f j 年日 f 竹许多优点但技术i ：还存在许多问题 2 南京航舡人人学顺十学位论文 特别是刀具磨损及切削条件对a e 信号的影响的规律性还没有完全掌握在生产中的 应用也较少。图t - 2 为哈尔滨工业人学研制的a e 刀具破损监测仪原理图f j 0 1 。 a 1 1 2 监测方法的分类 l 冬 1 2a ej jj 破损榆测仪的原理 ( 1 ) l j 加1 时m 的天系，- l 分为d 柃测礼线检测加州歇内检测和加一l 后检测儿人类。 实际上，：i j | i ：阿柃测嗣j j j | ii ：霸榆测j i l ；小卜足 1 i | i _ 日的，只是十h 对于某个具体的工件 水蜕f | i 狮肝之分f 阿l 。| il 狮比较钉发j 隧 讨途的榆测办法是定线检测和加丁问歇内检 测。 ( 2 ) 根妣所川传感； 年数模j 州内数| l ，i 叮分为儿类： 1 t 、f i 传感； 、n 特f i f 值： 2 n 传感器、多特钲位： 3 多化感器、多特钲值。 ( 3 ) 楸妣检测系统所川f i 感器平i l 榆测俯 ，的，1 i i 川，町分为i 氢接检测法和问接检 测法。 直接检测法就址 jj lj 某种信n j j jj2 件的1 卜接触时m 内直接测出刀具的磨 贝量 用j jj 乓l 竹和拍j ： n i j 接柃测，j “：址n i 切i j i j 加i ：过稚lr 通过榆洲，l 脐损l n f f ：；| 起的其他参数的变 化水推测j j i 的腓拟j 破损。桃捌所川1 0 感器 i i u - 处理办法的1 i 同，义町细分为i ， ： 内螺纹冷挤压监测系统的研制 多种。 ， 表1 1 是各种方法所用传感器、检测信号和处理方法的详细总结。 表1 1刀具磨损破损在线检测方法的分类 检测方法信号特征量或处理方法传感器 非直接测切削位移光传感器 连检测刃位置接触传感器 续 间接j 科：光、压力、被加上= j ：件尺寸变化测微仪，激 检检测质量超卢波等被加工表面粗糙度变化光传感器 测 直接切削刃形光将摄像机输出的图像数字工业电视 检测状、位置化，然后进行计算等光传感器 测切削力力 切削力变化量分力比值测力仪 f x f y ，f y f z 测电动机功率、电流主电动机或进给电动机功功率计 功耗 率、电流变化量电流计 连 测刀杆震加速度振动振幅等加速度计 续 间接动 检检测 测卢发射a e 信号a e 信号的有效值。功率谱，a e 传感器 测 突发脉冲幅值脉冲计数率 测切削温度切削温度的突发增量热电偶 温度 测刀具和电阻变化工件一刀具接触电阻突变电压表 i ：件的接电压变化 触电阻 j + 件质量尺寸变化加r 表面租糙度变化测微仪，光、 粗糙度变化工件尺寸变化激光、气压 液压、超声 波传感器 1 2 内螺纹冷挤压成形技术简介 由于现代工业的发展，高速、大负荷、动载条件下工作的精密机械越来越多。对 螺纹零件的性能提出的要求也越来越高，不仅要求螺纹的精度高、表面粗糙度低，而 4 - 南京航空航天大学硕士学位论文 且要求螺纹具有较高的表面完整性。多年的实践证明，只是在切削丝锥结构上寻求最 佳形状，采用新型工具材料或最佳加工条件，已不能满足高质量、高效率的攻丝要求。 因此，内螺纹的挤压成形技术引起了人们的重视。内螺纹的挤压成形是利用挤压丝锥 锥部的棱齿反复多次挤压工件金属而形成零件的内螺纹。挤压螺纹的表面性质与滚压 螺纹相似。 内螺纹的挤压攻丝与切削攻丝相比，具有以下优点： 提高了内螺纹的加工精度，对一般材料，可达4 h 5 h 的精度。 挤压螺纹的表面粗糙度低。粗糙度可达r a 0 4 0 8um 。 与切削螺纹相比，挤压螺纹具有更高的机械强度。 挤压丝锥强度高、寿命长。能承受较大的扭矩、避免丝锥折断。 加工效率高，提高了生产率。 加工深孔和盲孔螺纹时，省掉了清除切屑的工作。减小或避免了丝锥崩齿、 折断的可能性。 超高强度钢内螺纹冷挤压加工成形是一种新型工艺，它与一般的机械加工工艺相 比有其独特之处。首先，所选择的材料为3 0 0 m 钢，这种材料在加工中难以成形。第 二，采用的刀具是大直径内螺纹冷挤压丝锥，比常规冷挤压丝锥大得多。可达中1 3 5 1 5 m m ，刀具材料采用w 6 m o s c r 4 v 2 ，这种材料具有较高的强度和韧性，故丝锥制 造工艺复杂，成形困难，价格昂贵。第三，内螺纹的挤压成形是一种全封闭式的加工 过程，由于挤压丝锥过程和挤压丝锥结构参数的复杂性，在实际加工过程中，常会遇 到幺幺锥的损伤和工件的报废i 1 3 本文的基本任务和内容 “超高强度钢内螺纹冷挤压成形技术”是航空重点型号工程，南京航空航天大学 的王珉教授、徐九华教授通过机理和试验研究，填补了国内在高强度钢大直径内螺纹 的冷挤压成形加工领域中的空白。 本文在研究原有监测理论和监测方法的基础上，研制开发了以a t 8 9 c 5 2 微控制 器为控制核心的实时监测系统。对内螺纹冷挤压加工过程中的重要状态参量：温度和 扭矩实现了在线监测。该监测系统具有以下特点： ( 1 ) 为试验方法研究冷挤压加工过程中由于挤压速度、丝锥直径等的变化而引 起的刀具、工件状念变化提供了可靠的实验参数。 ( 2 ) 满足实际加工的需要，为冷挤压加工技术在航空航天、石油钻探、以及民 用工业的推广应用提供在线监测。提高了加工效率和加工成品率，保护了价格昂贵 的丝锥和工件，确保加工过程的顺利进行。 内螺纹冷挤压监测系统的研制 第二章冷挤压监测系统 2 1 挤压测试系统分析 内螺纹冷挤压系统是具有多个输入量和多个输出量的复杂系统。输入参变量包括 工件材料及形状，工件转速，丝锥材料，丝锥几何形状及角度，挤压冷却状况，机床 刚度等。输出参量包括加工尺寸精度，丝锥磨损量，机床消耗量，切削力，切削温度 等。设所讨论的是一个线性的离散时间系统。系统结构图如图2 1 。 系统的状态方程如下： 图2 1 系统的状态空间表达 牙( 女+ 1 ) = g ( 七) x ( t ) + 日( _ j ) c ，( t ) + 形( 七) ，( 七) = c ( 七) x ( | ) + d ( | ) ( ，( t ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：k 为离散时间，取整数：x ( k ) 为n 维状态向量：u ( k ) 为m 维控制向 量；y ( k ) 为y 维输出向量；g ( k ) 为n n 系统状态转移矩阵；h ( k ) 为n m 输 入矩阵；c ( k ) 为r n 输出矩阵；d ( k ) 为r m 输入输出矩阵；w ( k ) 为n 维随 机扰动。 这里状态变量是指确定切削系统状态的最小一组独立的参量x i ( k ) ( i = 1 ，2 ，n ) ， 当这组参量的初始值x i ( 1 ( o ) 以及系统在k l ( o 时的输入u ( k ) 被确定以后，则这组 参量在k k o 时的值也就完全被确定了。同时，切削系统的其余参量在任意时刻k k o 的值也均能用这组独立的参量来表示。一般来说，如果系统的状态可以根据输出的观 南京航空航天大学硕士学位论文 测值确定出来，此系统即为可观测的。对于冷挤压加工系统来说，就必须具有可观性。 在过程监测中，可以根据系统发生异常时，其状态变量和输出量的变化来进行，从而 可以将他们作为反馈来完成一定的控制。 根据过程控制中在线监测的特点，设计了温度、扭矩挤压测试系统。 2 2 温度测试子系统 2 2 1 传感器的选择 常用的温度传感器有热电偶、热电阻、温度送变器，半导体集成温度传感器等【i ”。 1 热电偶 热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其测量温区宽，一般在1 8 0 2 8 0 0 o c 的温度范围内均可使用；测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有 较高的精度。热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于中高温区的温度检测。常用 的热电偶材料有铂铹铂热电偶、镍铬一镍硅热电偶、铜一铜镍热电偶等。 2 热电阻 热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理测量温度。这种 温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此常用于该温区 ( 一2 0 0 6 5 0 0 c ) 。热电阻按其制作的材料来分，主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏 电阻等几种。 3 温度送变器 所谓温度送变器，是指借助检测元件接受被检测量，并将它转换成标准信号输出 的仪器。电动温度送变器，是电动单元组合式仪表( d d z ) 中的一种，他与热电偶、 热电阻配合，可将温度传感器的输出信号转换成统一的标准信号输出，从而完成被测 量的纪录或控制。 4 半导体集成温度传感器 随着微电子技术的迅速发展，不少厂家纷纷推出了各种高性能的半导体集成温度 传器在温度测控领域得到了极为广泛的应用。如二端式半导体集成温度传感器 a d 5 9 0 ，他的测温范围为一5 5 + 1 5 0 。c ，在全温区范围内使用，精度可高达l 。c 。 在冷挤压加工过程中，工件的材料、硬度、底孔直径和螺纹长度都会对加工区的 温度产生明显的影响。当挤压速度增大时。温度会迅速上升，即使二攻时挤压量非常 小，挤压温度仍会很高。试验证明：在相同条件下，加工3 0 0 m 钢时，挤压温度可高 达近5 0 0 0 c 】。 冷挤压挤压成形技术的实验装冒使用普通车床，工件由车床三爪卡盘进行定位， 内螺纹冷挤压监测系统的研制 随车床主轴作低速旋转运动；丝锥经由测扭仪( 由南京航空航天大学研制) 、浮动夹 头安装在车床尾座。考虑到挤压丝锥的轴线与螺纹底孔的轴线可能不同心，故将丝锥 夹头做成浮动形式，浮动夹头可以在轴向和径向浮动以补偿各种误差，使内螺纹挤压 成形顺利。加工时，挤压丝锥可以自动引进作直线进给运动。 通过对冷挤压加工过程的具体分析，我们采用镍铬一镍硅人工热电偶为温度传感 器，使监测系统的最高测量温度达到1 0 0 0 0 c ，在0 0 c 1 0 0 0 0 c 温区范围内，测量精 度可达到3 。c 。实现了加工过程的多点温度自动巡回检测，满足了试验和实际加工 的需要。并且采用半导体集成温度传感器a d 5 9 0 ，实现了热电偶的冷端温度自动补 偿。 2 2 2 热电偶测温的工作原理 热电偶测温有许多优点：测温范围广、性能稳定、准确可靠、结构简单、热惯性 小、动态响应速度快、信号能够远距离传送和多点测量等。 热电偶测温是利用了不同材料之间的热点效应原理。在热电偶回路中( 见图2 2 ) ， 如果组成热电偶回路的两热电极a ，b 材料不同( n 1 n b t ) ，且两端温度不同( t t t o ) ， 则在这个回路中的两个接触点就会产生两个接触电势e s s ( t ) 和e a s ( t o ) ，在a ， b 两个电极上就各产生一个温差电势e a ( t ，t o ) 和e b ( t ，t 0 ) 。其电势方向和分 布如图2 2 所示，这时回路中的总的热电势应等于4 项电势值的代数和。e a s ( t ，t o ) 代表回路中总的热电势，则 e 胭( 丁，r o ) = e 朋( r ) + e 矗( t ，瓦) - e 口( 瓦) 一e j ( 丁，r o ) ( 2 3 ) 整理后得： 驴等m 惫一争t n 瓮泣t ， 图2 2 热电偶回路的电势分布 其中，n a t 和n a t 是温度的函数，不仅取决 于导体材料的性质，而且随温度的变化而变化。 当两极材料以及自由电子密度n a t 、n b t 和温度的函数关系确定以后，式( 2 4 ) 可写 成下列形式： e ( r ，瓦) = 厂。( r ) 一_ ，：( 瓦) ( 2 5 ) 或： ( r ，瓦) = e a b ( t ) - e ( 瓦) ( 2 6 ) 式中：c a b ( t ) ，c a b ( t 0 ) 一接点的分热电势或分赛贝克电势。 南京航空航天大学硕士学位论文 从上式可以看出，热电势回路的总热电势为两接点分热电势之差。由于热电势仅与热 电极材料和接点温度有关，因此接点分热电势角标的颠倒不改变热电势大小，2 而只 改变热电势的正负。如e a b ( t o ) = - e b a ( t o ) ，则 e a n ( f ，7 0 ) = e ( r ) + e ( 瓦) ( 2 7 ) 可见，热电偶回路的总热电势等于各接点分热电势值代数和，即 = p ( ，) 根据热电偶测温原理可以导出热电偶测温的4 个定律：均质导体定律。中间 导体定律。参考电极定律。连接导体定律与中间温度定律。中间温度定律为使用 分度表奠定了理论基础。根据这一定理，只要知道参考温度不为0 0 c 时的热电势值， 即可求出参考端为o o c 时的热电势值，从而由分度表可确定测量端的实际温度。即 e = 配晶) + 国 o ) ( 2 8 ) e ( ，r ，o ) ：补偿端温度为0 0 c ，测量端温度为1 r o c 时的热电势。 e ( t ，t 0 ) ：补偿端温度为1 0 0 c ，测量端温度为t o c 时的热电势。 2 2 3 热电偶参考端的补偿 由于热电偶参考端所处环境温度的变化，根据式( 2 8 ) ，热电偶在实际应用中， 必须根据具体的要求予以修正。 热电偶冷端误差的的大小取决于所选用的热电偶即冷端温度。对于镍铬一镍硅热 电偶，当测量端温度为5 0 0 0 c ，冷端温度为3 0 0 c 时，由式( 2 8 ) ： e ( 5 0 0 ，3 0 ) = e ( 5 0 0 ，o ) 一e ( 3 0 ，0 ) = 2 0 6 5 1 2 0 = 1 9 4 5 ( m v ) 查分度表得t = 4 7 2 0 c ，故此时的冷端误差6 = 5 0 0 - 4 7 2 = 2 8 0 c 。 热电偶参考端补偿有许多方法，即可采用硬件电子线路法，也可采用硬件和软件 相结合的方法 1 4 1 。 ( 1 ) 感温晶体管冷端误差补偿法。使用感温晶体管组成冷端误差补偿网络，将 他安插在比例放大器电路中，可有效补偿冷端误差。 ( 2 ) 用热电偶信号调理模块。如2 8 5 0 、2 8 5 2 、2 8 5 3 、2 8 5 6 系列信号调理模块。 2 8 5 0 具有完整的冷端补偿功能，使用方便。此外他还具有滤波、高共模抑制比、低 漂移信号放大等特点，功能十分完善。 ( 3 ) 采用集成温度传感器a d 5 9 0 。a d 5 9 0 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司生产的单 片集成的二端式温度敏感电流源，具有精度高、线性好等优点，可以用它产生的温度 敏感电流形成补偿电压。图2 3 是利用a d 5 9 0 对热电偶进行温度补偿的电路。 内螺纹冷挤压监测系统的研制 + v s7 5 v ! 坠! ：! 坚， r 图2 2a d 5 9 0 构成的冷结点补偿电路 厶：一以+ 坐二兰鲁去竽一2 5 。咋 ( 2 9 ) 1 + 竺兰 r i a ：a d 5 9 0 的输出电流。v a ：热电偶冷端所产生的热电势。 v t ：热电偶测温结点所产生的热电势 选择合理的电阻r a 和r ，使放大器的输入电压e o t v t ，即放大器的输入电压就 是热电偶测温结点所产生的热电势，与冷端无关。由于a d 5 9 0 与冷端放在一起，利 用a d 5 9 0 产生的电流与冷结点的温度成正比，电流在r 上的电压降补偿v a 。2 5 v 的参考源提供2 7 3 9 a 的电流，经过r 抵消0 。c 时a d 5 9 0 的输出电流。在冷挤压监测 系统中，使用的是硬件电路与软件数据处理相结合的方法，以消除热电偶的参考端误 差( 见图2 4 ) 。当a d 5 9 0 两端加“v + 3 0 v 电压时，呈现高阻抗，其输出电流与绝 对温度成正比，且按i ! a a k 变化，其本身保证在2 9 8 2 k ( 2 5 0 c ) 时输出电流为 2 9 8 2 a ( 相当于2 7 3 2 k 即0 0 c 时对应于2 9 8 2 u a ) ，是一个线性温度恒流源。图中， 在a d 5 9 0 后采用运放o p 2 7 构成增益为l 的缓冲( 跟随器) ，以提高输出负载能力， 并使前后电路部分相互隔离。 与传统的控制冷端温度和电路补偿法相比，该系统的热电偶冷端误差补偿法具有 许多优点：结构简单，与传统温补方法相比，大大简化了电路，仅使用了一片集成 温度传感器a d 5 9 0 。用于采集热电偶冷端温度信号。性能可靠，由于结构简单， 系统的可靠性和测量精度得以提高。在每次冷挤压温度巡回检测之前，系统会自动采 南京航空航天大学硕士学位论文 集一次热电偶冷端温度信号，经过信号调理与模数转换，由微控制器进行数据处理， 求得测量端的实际温度( 具体的软件补偿方法在第五章中有详细的论述) 。而传统的 冷端温度补偿由于电路复杂、补偿电路网络零漂、温漂等随机误差的存在，使用效果 并不是很理想。 + 2 3 扭矩测试子系统 r 2l o k 图2 4 冷端温度测量放大电路 冷挤压过程中作用的扭矩很大，且变化较明显。工件的材料、硬度、底孔直径、 螺纹长度、挤压速度等都会对内螺纹的挤压扭矩产生显著的影响。材料为3 0 0 m 钢， 硬度为h r c 2 3 ，挤压余量为o 0 6 m m ，车床主轴转速为5 0 r p m 情况下，所产生的挤压 扭矩可达1 6 0 n m 】。因此，冷挤压监测系统选取加工过程中的扭矩信号为监控信号 之一。并建立相应的测试系统。 2 3 i 挤压过程的受力分析 挤压成形过程受力分析如图2 5 所示。丝锥所承受的载荷主要来自径向力p 。和切 向力f f a m 。= f ，xr ( 2 1 0 ) 其中：f f ：主要包括丝锥与工件之问的摩擦力和变形抗力。它受到很多因素的影 响，最主要的有工件材料的性能、几何尺寸、切削用量、丝锥状态等。 内螺纹冷挤压监测系统的研制 图2 5 挤压变形区金属的受力图 2 3 2 扭矩测试原理分析 测扭装置示意图如图2 6 所示。 幽2 6 测抖装置示意幽 由图2 6 ，可以把丝锥刀架简化成空心圆轴结构。根据材料力学的研究”1 ，可建立 幽27 圆筒截面麻力| 芏| 该空心圆轴所受的扭转力偶矩与最大剪应力之间的数学 关系。圆筒截面应力图如图2 7 所示。 t = r 。彬 ( 2 1 1 ) t 。：最大剪应力。位于圆截面边缘上。 w 。：抗扭截面模量。对于外径为d ，内径为d 的空 心圆轴。 彬= 警( 1 爿) 其中口= ( 2 1 2 ) 当空心圆轴受扭时，其表面上任一点a 的应力状态为 纯剪切应力状态，在其与母线成4 5 方位上，产生最大拉、 南京航空航天人学硕士学位论文 压应力ol - 一o3 ( 相应的应变为el - e3 ) ，且其数值与横截面上的最大剪应力t 。 相等。根据二向应力状态的广义虎克定律： r 。咱= 击h 州训= 南占7 一卸一2 巧h + ) 卜而占 e ：材料的弹性模量。 u ：材料的泊松比。 联立式( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) ，可以看出，只要测得l ，就可由上式算出扭矩t 。 2 3 3 扭矩监测方法 ( 2 1 3 ) 冷挤压监测系统采用电阻应变片为测扭传感器。 一、电测原理 将作为传感元件的电阻应变片粘贴在弹性元件表面，然后将其接入测量电路。当 丝锥受扭变形时，应变片的电阻值发生相应的变化，测量电路将这电阻变化转换成电 压信号，经多路模拟开关、信号调理电路，由微控制器进行数据处理，得到所需的扭 矩值。并进行相应的数据显示和存储。其工作过程如下： l 应变 _ 叫电阻变化 一电压变化 叫信号处理 叫存储显示l r r _ 1r _ 1r - r 1 二、测技术的主要特点 ( 1 ) 应变片尺寸小、重量轻、安装方便、粘贴牢固，对被测构件的应力分布不 会产生干扰。 ( 2 ) 测量应变的范围广，测量精度高。测量范围可以从lu 到几千u e 。 ( 3 ) 频率响应好。一般应变片的响应时间约为1 0 _ 7 秒。 ( 4 ) 由于电测的输出信号为电信号，因而便于实现测试过程的自动化和数字化， 可由计算机进行数据处理，并能进行远距离测量及无线电遥测。 三、电阻测量扭矩的实验方法 为提高测量e 一的灵敏度并消除温度效应引起的测量误差，可在沿与轴线成4 5 0 的方向粘贴四个相同的应变片，如图2 8 ( a ) 所示。采用全桥接法，如图2 8 ( b ) 所 示1 1 研。在允许的非线性误差范围内，直流电压桥的输出电压为： u ：旦单一生+ 坐一些 ( 2 1 4 ) 4 。r lr 2r 3r 4 。 v ：供给电桥的精密直流电压。 各桥臂应变片阻值变化： 内螺纹冷挤压监测系统的研制 ( a ) i ! f j2 8 测扣布片方式及电桥接法 ( b ) 丝l = 欲l + 出从2 = 衄2 f + 曲2 r 欲3 = 猷k + 欲m址4 = 衄“+ 艘“ r i 。( i _ l ，2 ，3 ，4 ) ：应力引起的各应变片电阻值的变化。 r i t ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ：温度效应引起的各应变片电阻值的变化。 由于r l ，r 3 感受的应变是6 r 2 ，r 4 感受的应变是。2 = 一8i ，故r l 。= 一 r 2 。= r 3 。= 一r 4 。= r 。，将其代入式( 2 1 4 ) 后有 u ：兰f a r + a r i , 一坐。些+ 竺。竺3 l 堂。竺“1 4 。rrrr 1 = 等【。等】= 导酏) ( 2 1 5 ) k ：应变片的灵敏系数。 这样，输出电压提高了四倍，有效地实现了温度补偿：并且提高了输出电压，提高了 测量的灵敏度；而且能起到将各应变片所测得的应变值取平均值的效果，从某种意义 上讲，可使测量精度提高。 联立式( 2 i i ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 5 ) ，即可求出空心圆轴所受扭矩t 与电阻应变片电 路输出电压u 之间的关系： r = 瓦e ( 1 w + , ) u ( 2 1 6 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4 冷挤压监测系统基本组成 一、系统的组成 冷挤压监测系统采用两级结构，上位管理机和下位监测机。如图2 9 所示。 图2 9系统基本组成框图 主板 上位管理机为奔腾系列p c 机，管理软件使用v i s u a lb a s i c 在w i n d o w s 环境下开 发。通过r s 一2 3 2 c 接口与下位监测机通讯并完成数据接收，根据菜单选项作数据统计、 数据存储、数据分析、图表显示、数据图表的打印等工作。 下位监测机是以a t 一8 9 系列微控制器为核心的应用系统，主要完成挤压过程温 内螺纹冷挤压监测系统的研制 度与扭矩信号的自动巡回采集和数据存储。除此之外，还具有通道自动识别、键盘控 制、液晶显示，报警等功能。下位机可独立工作于环境较恶劣的工作现场，对加工过 程进行实时动态监测，然后将监测数据传给上位机进行处理分析。也可以上位机与下 位机联合工作，由上位机对下位机发送开始采集、通道转换、数据传送等控制命令， 完成系统的监测过程。 二、系统的主要功能及特点 本系统的主要功能是实时采集内螺纹冷挤压过程中的扭矩和温度信号；并可设置 参数的临界值，实现过程的实时监测；亦可增加相应的驱动电路和控制单元，实现加 工过程的实时控制，以保护丝锥和工件，甚至机床免遭损坏。具体的功能有： ( 1 ) 六路温度信号与一路扭矩信号的巡回检测。 ( 2 ) 多路信号的采集数据自动动态存储，存储时间由所选通道数决定。 ( 3 ) 所选择通道的自动判断功能。 ( 4 ) 加工过程的自动报警功能。 ( 5 ) 上位机的数据处理与图形显示功能。 与传统的电子仪器相比，该监测系统具有如下一些特点： ( 1 ) 增强了自动化测量的能力。如自动选择量程，自动调节零点，自动校准和 自动故障诊断。 ( 2 ) 具有数据处理能力。即运算和判断的能力。如求平均值、方差、百分误差 和统计分析等，从而可以提高测量精确度。 ( 3 ) 扩展了测量功能。利用微处理器的数据处理能力，可以将几个不同参数的 测量结果综合起来，从而间接地获得需要知道的测量参数。 ( 4 ) 具有编程能力和一定的人机对话能力，采用键盘操作和液晶中文显示。 ( 5 ) 具有存储测量信息，标准量值和备用参数的功能。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章前向通道配置与接口技术 在以微控制器为控制核心的温度与扭矩测控系统中，前向通道主要完成对被测对 象：温度、扭矩的状态、量值的检测。由于热电偶、电阻应变桥的输出电势为微弱模 拟信号输出，转换成计算机要求的信号电平时，必须借助一些模拟电路技术。因此， 系统的前向通道是一个模拟、数字等的混和电路【1 7 】。 由于前向通道是微控制器应用系统的信号采集通道，从信号的传感、变换、到微 控制器的输入。故在前向通道设计中必须考虑到信号拾取、信号的调节、，d 转换以 及电源配置与抗干扰等问题。 一、信号拾取方式 即将温度与扭矩等物理量转换成电量。该系统采用镍铬一镍硅热电偶作为测温传 感器，电阻应变电桥作为测扭传感器。传感器的工作原理第二章已做了详细介绍。 二、信号的调节 在前向通道中，信号调节的任务是将传感器输出的初次电信号转换成满足a ，d 输 入要求的标准电平信号。 在一般测量系统中，信号调节的任务较复杂。除了小信号放大、滤波外、还有诸 如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号调节电路。但在微 控制器应用系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调节任务都可通过软件实现。这样 大大简化了系统的前向通道结构。前向通道中的信号调节重点为多路选择、小信号放 大、信号滤波等。 三、模拟数字转换方式选择 a d 转换设簧在前向通道中它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接 受的数字量。选择a d 转换芯片的原则应从转换精度、转换速度、模拟信号输入通道 数以及成本、供货来源全面考虑。 四、电源配置 前向通道中要完成信号的拾取、调节、变换等复杂任务。在信号拾取时，要考虑 对传感器的供电；对于信号调节电路中的不同芯片，也要有供电系统。因此，前向通 道中，要根据电路配置状况，很好的解决电源供给问题。 五、抗干扰措施 内螺纹冷挤压监测系统的研制 3 2 前向通道设计方案的确定 内螺纹冷挤压监测系统为多点巡回检测系统，包括六路温度信号和一路扭矩信 号。所以微控制器只能分时对这些信号进行采样。为满足多路分时采样和数据传送， 前向通道中必须配置有多路模拟开关，多路开关的的选择由微处理器控制。而多路开 关在通道中的插入位置则可有不同的选择。如图3 1 ( a ) ，3 1 ( b ) 所示 本系统传感器的输出电压非常微弱，为毫伏级，比如镍铬一镍硅热电偶的热电势 大约为4 0 uv 。c 。传统观点认为，对于微弱信号电压，应先进行初级放大，以防 止多路开关引入较大的误差，如图( a ) 所示。但是对每一路信号都要 i 垫皇堡卜p怄 匦 区正 _ 岖因一 多 l 热电偶卜_ _ - 1 放大卜+ 路 模 拟 医亟卜廿 开 一 多路选择控制 关 际丽卜吐区卜 ( a l 热电偶l 等增益选择控制 l l 热电偶卜一 多 可 编 路程 模 增 益 拟 放 l 应变桥卜一 开 大 关 l 温度补偿卜一 ( b 幽3 1多路信号输入的前向通道结构 ( a ) 多路放人：( b ) 单路可编程增益放大 进行信号放大，无疑会增加硬件电路设计的复杂性和设计成本，导致系统体积庞大， 且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难，从而系统 南京航空航天大学硕士学位论文 的可靠性，可维修性、和抗干扰性会大大降低。而且如果采用一般的运放，放大器的 温漂、时漂、差模干扰、共模干扰等不利因素也会造成较大的随机误差。随着计算机 技术的飞速发展，功能更完善、精度更高、价格更便宜的大规模、超大规模集成芯片 已经广泛的应用于科研生产的各个领域。因此，我们将性能优良的多路模拟开关和仪 用运算放大器应用于内螺纹冷挤压监测系统，采用了如图( b ) 所示的多路信号输入 方式。组成了在满足使用性能和各项技术指标的前提下，尽量节省硬件开销的监测系 统。 3 3 多路模拟开关的选择 多路模拟开关的作用主要是用于信号切换，在某一时刻接通某一路，让该路信号 输入而让其他路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列 参数【2 0 】： 1 、通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影 响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开 关时，尽管只有一路导通，但由于其它模拟开关尽管断开，只是处于高阻状态，仍存 在漏电流对导通的那一路产生影响：通道越多，漏电流越大，通道问的干扰也越大。 2 、泄漏电流： 3 、切换速度：对于高速数据采集系统，就要求多路开关的切换速度高。 4 、开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而 实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负 载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。 常用的多路模拟开关主要有a d 7 5 0 1 、a d 7 5 0 2 、c d 4 0 5 l 、c d 4 0 5 2 等。 在冷挤压监控系统中，多路模拟开关的输入端为八路温度与扭矩信号，后端接测 量放大器，因此，应选择差动八通道模拟开关。输入端温度与扭矩信号电压都非常小， 为毫伏级，信号在通过多路模拟开关或者模拟开关在不同的通道之间进行切换时，都 会造成有效信号的衰减，降低系统测量精度。所以，应尽量选择泄漏电流、导通电阻 小、断丌电阻大的性能优良的模拟丌关。我们选择了由美国m a x i m 公司生产的差动 8 通道多路模拟开关m a x 3 9 7 。 m a x 3 9 7 属于低电压、c m o s 模拟丌关。有很低的的导通电阻( 1 0 0 qm a x ) 和路问偏差( 6q m a x ) ，泄漏电流小，转换速度快，与t t l c m o s 电路兼容。因此， 非常适合应用于信号微弱的多路信号采集系统。表3 1 为几种常用模拟开关性能比较。 内螺纹冷挤压监测系统的研制 表3 1 常用模拟开关性能表 静拦 型号 心。 i 。 v e e m a x 3 9 76 0 1 0 0 0o 1 n a5 v a d 7 5 0 l1 7 0 3 0 0 00 2 n a1 5 v c d 4 0 5 12 0 0 3 0 0q2 0 n a7 5 v 心。：导通电阻。 i 。：泄漏电流。 v 旺：电源电压。 3 4 模拟信号放大技术 温扭信号经由多路模拟开关后，理想情况下信号应该没有衰减。因为此时信号电 压幅度很小，很难直接进行模数转换。因此，必须对模拟电信号进行放大处理。 3 4