旋转轴扭矩测量装置研究

　　深小孔加工技术在机械电子、航空仪表等现代工业中应用非常广泛.目前,采用手动进给麻花钻头钻削仍然是主要的加工方法,但由于钻头刚度低,在加工过程中手动进给往往超过扭矩极限,造成钻头折断,产品报废[1].只要能实时检测钻头扭矩的变化,就能有效的预防钻头因扭矩过载而折断,提高生产效率,实现钻削过程自动化.在钻削过程中,钻头和工件发生相对转动,钻头主切削刃切除加工区材料,钻头受到的切削反力通过刀杆、刀架、主轴最终传递给主轴电动机.由材料力学可知,材料受到扭矩时,在扭转力偶矩作用下,会发生相对扭转,产生扭转角.

　　旋转轴的扭矩测量的方法有很多,从原理上可分为3类:传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)和能量转化法[2];从测量方式上可分为2种:接触式和非接触式;常用的扭矩测量传感器主要有:应变扭矩测量传感器[3, 4]、相位差扭矩测量传感器[5]、电容式扭矩测量传感器[6]、磁弹性式扭矩测量传感器[5],另外,也有采用行星齿轮装置[7]将旋转轴扭矩传递到内齿圈上进行间接测量的方法.

　　应变扭矩测量传感器的成本低廉操作简单,但是要克服信号传输的困难,解决这个问题的主要方法有:采用集流环装置[8]和采用无线传输装置[9, 10],但是集流环装置测量精度受到接触电阻变化的影响且磨损较快,无线传输装置因发射装置随轴转动而导致收到的信号强度变化不定、分辨率不高.相位差扭矩测量传感器的安装精度要求较高,而且测量范围有限.电容式扭矩测量传感器的电路板制作安装都很困难,成本较高.磁弹性式扭矩测量传感器最终只能测量磁致伸缩材料的应力,将它转化成转轴扭矩的理论尚不成熟[2].行星齿轮装置安装困难、成本高,而且要有一个减速比.因此,这些旋转轴扭矩测量方法应用都不广泛.

　　为了解决上述问题,针对深小孔钻削机床旋转轴工作扭矩小、安装尺寸小等特点,我们提出了一个全新的浮动式旋转轴扭矩测量方案,并试制了旋转轴扭矩测量装置.

　　1　旋转轴扭矩测量装置设计

　　1. 1　扭矩测量原理

　　浮动式旋转轴扭矩测量方案的测量原理是通过测量动力部分的旋转角度来测量扭矩.该方案的创新之处就在于将电动机固定安装在基座上的固定式安装改为电动机安装在转台上的浮动式安装,转台通过角接触球轴承和拉伸弹簧安装在基座上,由这对角接触球轴承来承受动力部分所受的轴向力,由拉伸弹簧来提供钻削所需的周向力(即扭矩).钻削时,钻头所受的扭矩通过传动链传递到转台,转台受到该扭矩的作用会在轴承的支撑下发生转动,牵引连接在转台的弹簧产生形变,随着形变的增加,弹力逐渐抵消掉工作扭矩,在新的位置平衡.这样就可通过测量转台的转角或弹簧的形变量来测量钻头所受的扭矩,并能实时反映其变化情况.