加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的研制與實驗
〇引言 加工中心作為精工機床領(lǐng)域中的高端產(chǎn)品在市場 上廣受歡迎，ATC系統(tǒng)是加工中心重要的組成部件之 一，其可靠性水平直接影響機床整機的可靠性水 平[1_2]。ATC系統(tǒng)包括兩個主要部分:刀庫和換刀機械 手[3*。刀庫的主要功能是為加工中心儲存加工過程中所能用到的刀具，并可以根據(jù)所設(shè)定的程序，對當(dāng)前工 序所用刀具進行選擇和定位，以便換刀機械手進行刀 具的交換;換刀機械手的作用是將刀庫中的刀具在刀 庫和主軸之間進行傳遞[4]。通常，機床在出廠時加工 中心ATC系統(tǒng)刀庫刀套里的鎖緊彈簧和主軸內(nèi)部的 拉刀器都是憑借生產(chǎn)經(jīng)驗進行調(diào)整，對刀柄在刀套和 主軸內(nèi)的鎖緊力值的測量缺乏實用有效的檢測裝置[5*;另外，加工中心ATC系統(tǒng)刀庫和自動換刀裝置 在長期使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)刀柄磨損、刀套松動、 主軸磨損、機械手位置偏移等問題，這些情況都會導(dǎo)致 ATC系統(tǒng)拔刀力和插刀力出現(xiàn)異常變化，從而影響加 工質(zhì)量、加劇刀柄磨損、ATC系統(tǒng)故障等，甚至造成人 身傷害事故[6R]。然而國內(nèi)外目前尚無這方面的完整 的檢測系統(tǒng)。本文基于上述問題，研制加工中心ATC系統(tǒng)拔刀 力檢測裝置，能夠?qū)TC系統(tǒng)的拔刀力與插刀力進行 檢測，實現(xiàn)刀套鎖緊彈簧和主軸拉刀器的精確調(diào)整，防 止加工中心ATC系統(tǒng)故障的發(fā)生，達到提高加工中心 可靠性的目的。2加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理2:拔刀力檢測裝置的基本組成該加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置由刀柄部 分和電路部分兩大部分組成。該刀柄以BT-50型號的 刀柄為例在不改變其外形結(jié)構(gòu)尺寸和功能的條件下進 行改裝，如圖1和圖2所示，該刀柄包括拉釘1、上部刀 柄2、下部刀柄4和保護外殼7。電路部分包括測力傳 感器3、電池5和電路板及UC600數(shù)據(jù)存儲模塊6。2：測力傳感器的選擇加工中心刀柄向ATC系統(tǒng)刀庫中拔出或插人刀 套內(nèi)時拉釘受力時間比較短，假設(shè)拉釘頂開刀套鋼鎖 球的受力行程為10mm，機械手移動速度為lm/S，那么 拉釘受力時間為0. 01s即10ms，因此測力傳感器的動 態(tài)響應(yīng)必須比較快。國內(nèi)很多拉壓力傳感器在制造時 都是按照靜態(tài)力測量要求來設(shè)計的，響應(yīng)特性比較差， 有的響應(yīng)時間需要20ms，有的甚至需要200ms。壓電 式傳感器是測量動震蕩力、碰撞或高速壓縮力/張力的 一種理想傳感器，但不適合測量較低頻率力值。國內(nèi) 很少有壓電式測力傳感器，而且壓電式力傳感器價格普遍偏高，所以選用應(yīng)變式力傳感器最優(yōu)[<]。電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且性能 穩(wěn)定、可靠，適合靜態(tài)及動態(tài)測量，是目前應(yīng)用最廣泛 的傳感器之一[10]。電阻應(yīng)變式傳感器內(nèi)部貼有應(yīng)變 片，在承受到一定力時，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，通過內(nèi) 部的電橋電路，電阻變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓的改變，于是 對應(yīng)于不同的受力傳感器會輸出不同的電壓值，從而 實現(xiàn)了對力的測量[11]。考慮到要測量上部刀柄2和下部刀柄4之間的拉 壓力，選用兩端都帶有螺紋柱的圓柱形測力傳感器，其 外部結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于刀柄內(nèi)部空間有限，測力 傳感器外形不能太大。綜合考慮，最終選擇長春某家 傳感器公司定制了 U9系列傳感器。為了便于測力傳 感器與刀柄的拆裝，測力傳感器上端設(shè)計了一對帶切 邊的凸臺。2.3加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的電路部 分結(jié)構(gòu) ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力檢測裝置電路部分包括 測力傳感器、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源等。 電路原理示意圖如圖4所示:測力傳感器測得拔刀力 與插刀力力值，經(jīng)信號放大電路，輸送至型號為 C8051F410單片機處進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理（由于選用的 單片機集成有AD轉(zhuǎn)換功能，所以不需要經(jīng)過單獨的 AD轉(zhuǎn)換元件），并把單片機處理后的數(shù)據(jù)存儲在 UC600串口存儲模塊的SD卡中。整個測量過程由單 片機程序控制，高速循環(huán)進行，不斷檢測并記錄力值信息。數(shù)據(jù)處理電路中包含如下部分:信號放大模塊、偏 置電壓模塊、單片機模塊、程序下載接口模塊、電路板 接口及開關(guān)等。信號放大模塊將測力傳感器的微弱輸 出信號過濾放大，偏置電壓模塊為信號放大模塊提供 參考電壓，實現(xiàn)經(jīng)信號放大電路放大后的信號的整體 偏移功能，從而被單片機模塊識別并處理。程序下載 接口電路為把調(diào)制好的程序下載到單片機模塊中提供 通道。圖5是信號放大模塊電路原理圖，限于篇幅，其他電路模塊電路原理圖在此不一一列舉。 2.4加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的工作原理拔刀力檢測裝置各部分組裝好之后，手動將檢測 裝置（也稱刀柄）放人加工中心ATC系統(tǒng)刀庫的目標(biāo) 空刀套內(nèi)。檢查刀柄，確認(rèn)刀柄安裝可靠后打開電路 板電源開關(guān)，然后通過可靠性試驗臺上的工控機讓 ATC系統(tǒng)運行，令自動換刀系統(tǒng)進行自動換刀過程。 當(dāng)加工中心機械手準(zhǔn)備從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中拔出 刀柄時，刀柄上端拉釘被鋼鎖球卡住。機械手拉力作 用在下部刀柄上，經(jīng)測力傳感器傳至上部刀柄，再傳至 拉釘，當(dāng)機械手拉力達到一定大小時，鋼鎖球后面彈簧 壓縮，拉釘前端不再被鋼球卡住，刀柄被機械手拔出。 這個過程中，機械手的拔刀力一直作用在中部刀柄上 并傳遞給測力傳感器。測力傳感器采集拔刀力信號， 并在輸出端輸出相應(yīng)電壓信號。該微弱電壓信號經(jīng)接 口進人數(shù)據(jù)處理電路，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路上的信號放大 為單片機模塊中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可識別的電壓信號，然 后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換使該模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為單片機可識 別的數(shù)字信號，并被單片機模塊中的單片機處理。最 后單片機將處理好的信息通過串口送至UC600串口 轉(zhuǎn)SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊，信息被寫人SD卡中。同理， 當(dāng)加工中心機械手從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中插刀時，插 刀力信息也被寫人SD卡中。按照將編寫并調(diào)試好的程序?qū)懭藛纹瑱C內(nèi)后，電 路高速地循環(huán)進行數(shù)據(jù)采集、處理和記錄的過程，從而 實現(xiàn)加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力的檢測和記錄。當(dāng)多 次拔刀插刀之后，關(guān)閉電路板電源，取出SD卡，直接 插人電腦中便可讀取記錄數(shù)據(jù)，也可用Excel或Matlab 等軟件對數(shù)據(jù)進行進一步作圖處理，以便于更加直觀 地觀察整個拔刀和插刀過程中拔刀力與插刀力力值的 動態(tài)變化情況。3實驗及結(jié)果分析3.1標(biāo)準(zhǔn)重量測量實驗及結(jié)果分析 為了驗證檢測裝置檢測的準(zhǔn)確性，首先對該檢測裝 置進行了逐漸添加標(biāo)準(zhǔn)重量物體(2kg、5kg、10kg、20kg、 30kg、40kg、50kg、60kg、70kg、80kg)加載實驗，同意重量 物體5次采集，并對實驗采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，求相應(yīng)的平均值。實驗前，首想調(diào)整數(shù)據(jù)處理電路電路板 上的兩個電位器。連接好電池，不連接測力傳感器和 UC600串口存儲模塊。調(diào)整數(shù)據(jù)處理電路中的偏置電 壓模塊的電位器，用萬用表測量，令偏置電壓模塊的輸 出電壓為1.00V。將數(shù)據(jù)處理電路電路板上傳感器信 號的輸人接口用電線短路，此時輸人電壓為0，測量初級 放大器的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，直至初級放大器 的輸出為0mV。此時調(diào)整完畢，可以組裝檢測裝置進行 實驗。圖6為用UltraEdit軟件對UC600串口存儲模塊 中的SD卡內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的部分截圖，為了使結(jié)果更加易 于觀察和分析，我們使用Matlab軟件對采集結(jié)果進行讀 取并繪制曲線圖。圖7為Matlab讀取SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)并繪 制圖像的程序;圖8為10kg標(biāo)準(zhǔn)重量物體加載實驗所 采集的數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab讀取繪圖后的直觀結(jié)果。不同標(biāo)準(zhǔn)重量的物體加載對應(yīng)的檢測結(jié)果如下表 1，其他標(biāo)準(zhǔn)重量物體加載實驗檢測結(jié)果圖在此不一 一列舉，從表1和表2可以看出，測量數(shù)值有小幅波動 變化，但總體上結(jié)果比較平穩(wěn)，偏差不超過0. 1kg。表 明檢測裝置的測量是比較準(zhǔn)確。3.2加工中心ATC系統(tǒng)檢測實驗及結(jié)果分析 如圖9所示，將檢測裝置組裝好之后放人ATC系 統(tǒng)刀庫中其中一個目標(biāo)刀套內(nèi)，通過工控機指令控制 ATC系統(tǒng)刀庫進行自動換刀。在此約定，檢測裝置從 其中一個目標(biāo)刀套拔出到檢測裝置被插人到此目標(biāo)刀 套內(nèi)稱為一個循環(huán)。每次開始一個循環(huán)對電路板上一 次電，多次的數(shù)據(jù)分別保存在多個文件中。為了使實 驗條件盡量一致，我們每次循環(huán)都是從同一個刀套拔 刀，最后插人另一個目標(biāo)刀套內(nèi)。進行多次循環(huán)后，取 出UC600串口存儲模塊中的SD卡對數(shù)據(jù)采集結(jié)果進 行觀察分析。對比多次結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多次采集結(jié)果圖象非常一致， 在此列出其中一次結(jié)果進行分析。圖10為用Matlab 對檢測裝置在其中一個目標(biāo)刀套采集的數(shù)據(jù)繪制的結(jié)果。從圖10中數(shù)據(jù)結(jié)果圖上看出，一次循環(huán)中共有四 次力值的波動，為加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力 檢測裝置在一次換刀循環(huán)中2次拔刀力和2次插刀力 曲線。圖10中a是ATC系統(tǒng)機械手從刀套上拔刀過 程中拔刀力的曲線；圖10中6是ATC系統(tǒng)機械手將 檢測裝置插人主軸過程時檢測的插刀力的曲線；圖10 中C是ATC系統(tǒng)機械手將檢測裝置插人主軸之后停 頓1.4?1.6s的過程，圖中受力為負(fù)，表明ATC系統(tǒng)機 械手夾住刀柄（檢測裝置）并對刀柄有一個向上的擠 壓趨勢，刀柄處于受壓狀態(tài)；圖10中^是ATC系統(tǒng)機 械手另一端手臂抓取主軸上的刀柄過程中停頓的過 程，它的受力大小與圖10中c不一樣大，表明了本發(fā) 明中試驗的ATC系統(tǒng)機械手兩臂不在一個水平面上， 導(dǎo)致對刀柄施加的壓力更大;圖10中e是ATC系統(tǒng)機 ATC 系統(tǒng) 的中的 程。對加工中心機械手從刀庫拔刀時的短時間范圍圖 象進行放大觀察，想當(dāng)于將圖10中a部分局部放大， 如圖11所示?？梢钥闯鰷y力傳感器先受到拉力，再受到壓力。剛開始刀柄前端拉釘?shù)膍段（如圖12)受到 目標(biāo)刀套內(nèi)鋼鎖球的擠壓，擠壓過程測力傳感器受力 變化過程如圖11中的/段;鋼鎖球向外到達******位置 時，此時鋼鎖球與刀柄前端拉釘?shù)腁段（如圖12)的圓 柱面接觸并擠壓拉釘，這段時間內(nèi)鋼球與拉釘之間只 有摩擦力，對拉釘?shù)牧χ当容^小，測力傳感器受力變化 過程如圖11中的g段;最后階段鋼鎖球與刀柄前端拉 釘?shù)腁段（如圖12)圓錐面接觸，向拉釘推壓，逐漸將 傳感器推出，測力傳感器受力變化過程如圖11中的3 段。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果圖象表明，機械手拉刀力峰值約為 78. 67kg，刀柄受力過程持續(xù)時間約為80ms。對加工中心機械手加工中心ATC系統(tǒng)的刀庫插 時的短時 范圍 行放大觀察， 想 于 10中e部分局部放大，如圖13所示?？梢钥闯稣麄€過程 測力傳感器先受到壓力，再受到拉力：剛開始刀柄前端 的拉釘y部分受到目標(biāo)刀套內(nèi)鋼鎖球的阻擋，測力傳 感器受較大壓力;鋼鎖球向外到達******位置時，鋼球與 拉釘A段的圓柱面接觸并擠壓拉釘，這段時間內(nèi)鋼鎖 球與拉釘之間只有摩擦力，對拉釘?shù)牧χ当容^小;最后階段鋼球與拉釘m段接觸，相當(dāng)于給拉釘拉力。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，機械手插刀力峰值約為 64 kg，刀柄受力過程持續(xù)時間約為80 m b，這與上文中 程時 。4結(jié)論研制的加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置經(jīng)過 相關(guān)實驗結(jié)果表明該檢測裝置結(jié)構(gòu)合理、信號穩(wěn)定、精 度高，能夠很好的檢測加工中心ATC系統(tǒng)的拔刀力與 插刀力的變化并存儲，通過本文研制的加工中心ATC 系統(tǒng) 測 裝 測加工中 ATC 系統(tǒng)的力與插刀力的變化來為ATC系統(tǒng)的故障作出預(yù)警，給 加工中心ATC系統(tǒng)的故障診斷、故障監(jiān)控和預(yù)警及性 能評估提供重要的參考資料，為加工中心可靠性分析 提供了重要的數(shù)據(jù)來源。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！