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加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測(cè)裝置的研制與實(shí)驗(yàn)
閱讀：237 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12〇引言
加工中心作為數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中的產(chǎn)品在市場(chǎng) 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(jī)床整機(jī)的可靠性水 平[1_2]。ATC系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分:刀庫(kù)和換刀機(jī)械 手[3*。刀庫(kù)的主要功能是為加工中心儲(chǔ)存加工過(guò)程中
所能用到的刀具，并可以根據(jù)所設(shè)定的程序，對(duì)當(dāng)前工 序所用刀具進(jìn)行選擇和定位，以便換刀機(jī)械手進(jìn)行刀 具的交換;換刀機(jī)械手的作用是將刀庫(kù)中的刀具在刀 庫(kù)和主軸之間進(jìn)行傳遞[4]。通常，機(jī)床在出廠時(shí)加工 中心ATC系統(tǒng)刀庫(kù)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(yàn)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)刀柄在刀套和 主軸內(nèi)的鎖緊力值的測(cè)量缺乏實(shí)用有效的檢測(cè)裝
置[5*;另外，加工中心ATC系統(tǒng)刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置 在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀柄磨損、刀套松動(dòng)、 主軸磨損、機(jī)械手位置偏移等問(wèn)題，這些情況都會(huì)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(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)這方面的完整 的檢測(cè)系統(tǒng)。
本文基于上述問(wèn)題，研制加工中心ATC系統(tǒng)拔刀 力檢測(cè)裝置，能夠?qū)?/span>ATC系統(tǒng)的拔刀力與插刀力進(jìn)行 檢測(cè)，實(shí)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(dá)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(cè)裝置的結(jié)
2:拔刀力檢測(cè)裝置的基本組成
該加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測(cè)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(hào)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(jìn) 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(hù)外殼7。電路部分包括測(cè)力傳 感器3、電池5和電路板及UC600數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊6。
2：測(cè)力傳感器的選擇
加工中心刀柄向ATC系統(tǒng)刀庫(kù)中拔出或插人刀 套內(nèi)時(shí)拉釘受力時(shí)間比較短，假設(shè)拉釘頂開(kāi)刀套鋼鎖 球的受力行程為10mm，機(jī)械手移動(dòng)速度為lm/S，那么 拉釘受力時(shí)間為0. 01s即10ms，因此測(cè)力傳感器的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)必須比較快。國(guó)內(nèi)很多拉壓力傳感器在制造時(shí) 都是按照靜態(tài)力測(cè)量要求來(lái)設(shè)計(jì)的，響應(yīng)特性比較差， 有的響應(yīng)時(shí)間需要20ms，有的甚至需要200ms。壓電 式傳感器是測(cè)量動(dòng)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(cè)量較低頻率力值。國(guó)內(nèi) 很少有壓電式測(cè)力傳感器，而且壓電式力傳感器價(jià)格普遍偏高，所以選用應(yīng)變式力傳感器[<]。
電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，而且性能 穩(wěn)定、可靠，適合靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)量，是目前應(yīng)用泛 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(shí)，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，通過(guò)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(duì)應(yīng)于不同的受力傳感器會(huì)輸出不同的電壓值，從而 實(shí)現(xiàn)了對(duì)力的測(cè)量[11]。
考慮到要測(cè)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(cè)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(cè)力 傳感器外形不能太大。綜合考慮，終選擇長(zhǎng)春某家 傳感器公司定制了 U9系列傳感器。為了便于測(cè)力傳 感器與刀柄的拆裝，測(cè)力傳感器上端設(shè)計(jì)了一對(duì)帶切 邊的凸臺(tái)。
2.3加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測(cè)裝置的電路部 分結(jié)構(gòu)
ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力檢測(cè)裝置電路部分包括 測(cè)力傳感器、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源等。 電路原理示意圖如圖4所示:測(cè)力傳感器測(cè)得拔刀力 與插刀力力值，經(jīng)信號(hào)放大電路，輸送至型號(hào)為 C8051F410單片機(jī)處進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理（由于選用的 單片機(jī)集成有AD轉(zhuǎn)換功能，所以不需要經(jīng)過(guò)單獨(dú)的 AD轉(zhuǎn)換元件），并把單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 UC600串口存儲(chǔ)模塊的SD卡中。整個(gè)測(cè)量過(guò)程由單 片機(jī)程序控制，高速循環(huán)進(jìn)行，不斷檢測(cè)并記錄力值信息。
數(shù)據(jù)處理電路中包含如下部分:信號(hào)放大模塊、偏 置電壓模塊、單片機(jī)模塊、程序下載接口模塊、電路板 接口及開(kāi)關(guān)等。信號(hào)放大模塊將測(cè)力傳感器的微弱輸 出信號(hào)過(guò)濾放大，偏置電壓模塊為信號(hào)放大模塊提供 參考電壓，實(shí)現(xiàn)經(jīng)信號(hào)放大電路放大后的信號(hào)的整體 偏移功能，從而被單片機(jī)模塊識(shí)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(jī)模塊中提供 通道。圖5是信號(hào)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(cè)裝置的工作原理
拔刀力檢測(cè)裝置各部分組裝好之后，手動(dòng)將檢測(cè) 裝置（也稱(chēng)刀柄）放人加工中心ATC系統(tǒng)刀庫(kù)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(kāi)電路 板電源開(kāi)關(guān)，然后通過(guò)可靠性試驗(yàn)臺(tái)上的工控機(jī)讓 ATC系統(tǒng)運(yùn)行，令自動(dòng)換刀系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)換刀過(guò)程。 當(dāng)加工中心機(jī)械手準(zhǔn)備從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中拔出 刀柄時(shí)，刀柄上端拉釘被鋼鎖球卡住。機(jī)械手拉力作 用在下部刀柄上，經(jīng)測(cè)力傳感器傳至上部刀柄，再傳至 拉釘，當(dāng)機(jī)械手拉力達(dá)到一定大小時(shí)，鋼鎖球后面彈簧 壓縮，拉釘前端不再被鋼球卡住，刀柄被機(jī)械手拔出。 這個(gè)過(guò)程中，機(jī)械手的拔刀力一直作用在中部刀柄上 并傳遞給測(cè)力傳感器。測(cè)力傳感器采集拔刀力信號(hào)， 并在輸出端輸出相應(yīng)電壓信號(hào)。該微弱電壓信號(hào)經(jīng)接 口進(jìn)人數(shù)據(jù)處理電路，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路上的信號(hào)放大 為單片機(jī)模塊中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可識(shí)別的電壓信號(hào)，然 后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換使該模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí) 別的數(shù)字信號(hào)，并被單片機(jī)模塊中的單片機(jī)處理。 后單片機(jī)將處理好的信息通過(guò)串口送至UC600串口 轉(zhuǎn)SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，信息被寫(xiě)人SD卡中。同理， 當(dāng)加工中心機(jī)械手從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中插刀時(shí)，插 刀力信息也被寫(xiě)人SD卡中。
按照將編寫(xiě)并調(diào)試好的程序?qū)懭藛纹瑱C(jī)內(nèi)后，電 路高速地循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和記錄的過(guò)程，從而 實(shí)現(xiàn)加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力的檢測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步作圖處理，以便于更加直觀 地觀察整個(gè)拔刀和插刀過(guò)程中拔刀力與插刀力力值的 動(dòng)態(tài)變化情況。
3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
3.1標(biāo)準(zhǔn)重量測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
為了驗(yàn)證檢測(cè)裝置檢測(cè)的準(zhǔn)確性，首先對(duì)該檢測(cè)裝 置進(jìn)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(shí)驗(yàn)，同意重量 物體5次采集，并對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，求相應(yīng)的平均值。實(shí)驗(yàn)前，首想調(diào)整數(shù)據(jù)處理電路電路板 上的兩個(gè)電位器。連接好電池，不連接測(cè)力傳感器和 UC600串口存儲(chǔ)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(wàn)用表測(cè)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(hào)的輸人接口用電線短路，此時(shí)輸人電壓為0，測(cè)量初級(jí) 放大器的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，直至初級(jí)放大器 的輸出為0mV。此時(shí)調(diào)整完畢，可以組裝檢測(cè)裝置進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)。圖6為用UltraEdit軟件對(duì)UC600串口存儲(chǔ)模塊 中的SD卡內(nèi)存儲(chǔ)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(duì)采集結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果如下表 1，其他標(biāo)準(zhǔn)重量物體加載實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果圖在此不一 一列舉，從表1和表2可以看出，測(cè)量數(shù)值有小幅波動(dòng) 變化，但總體上結(jié)果比較平穩(wěn)，偏差不超過(guò)0. 1kg。表 明檢測(cè)裝置的測(cè)量是比較準(zhǔn)確。
3.2加工中心ATC系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
如圖9所示，將檢測(cè)裝置組裝好之后放人ATC系 統(tǒng)刀庫(kù)中其中一個(gè)目標(biāo)刀套內(nèi)，通過(guò)工控機(jī)指令控制 ATC系統(tǒng)刀庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)換刀。在此約定，檢測(cè)裝置從 其中一個(gè)目標(biāo)刀套拔出到檢測(cè)裝置被插人到此目標(biāo)刀 套內(nèi)稱(chēng)為一個(gè)循環(huán)。每次開(kāi)始一個(gè)循環(huán)對(duì)電路板上一 次電，多次的數(shù)據(jù)分別保存在多個(gè)文件中。為了使實(shí) 驗(yàn)條件盡量一致，我們每次循環(huán)都是從同一個(gè)刀套拔 刀，后插人另一個(gè)目標(biāo)刀套內(nèi)。進(jìn)行多次循環(huán)后，取 出UC600串口存儲(chǔ)模塊中的SD卡對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn) 行觀察分析。
對(duì)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(jìn)行分析。圖10為用Matlab 對(duì)檢測(cè)裝置在其中一個(gè)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(dòng)，為加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力 檢測(cè)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(jī)械手從刀套上拔刀過(guò) 程中拔刀力的曲線；圖10中6是ATC系統(tǒng)機(jī)械手將 檢測(cè)裝置插人主軸過(guò)程時(shí)檢測(cè)的插刀力的曲線；圖10 中C是ATC系統(tǒng)機(jī)械手將檢測(cè)裝置插人主軸之后停 頓1.4?1.6s的過(guò)程，圖中受力為負(fù)，表明ATC系統(tǒng)機(jī) 械手夾住刀柄（檢測(cè)裝置）并對(duì)刀柄有一個(gè)向上的擠 壓趨勢(shì)，刀柄處于受壓狀態(tài)；圖10中^是ATC系統(tǒng)機(jī) 械手另一端手臂抓取主軸上的刀柄過(guò)程中停頓的過(guò) 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(yàn)的ATC系統(tǒng)機(jī)械手兩臂不在一個(gè)水平面上， 導(dǎo)致對(duì)刀柄施加的壓力更大;圖10中e是ATC系統(tǒng)機(jī) ATC 系統(tǒng) 的 中的 程。
對(duì)加工中心機(jī)械手從刀庫(kù)拔刀時(shí)的短時(shí)間范圍圖 象進(jìn)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。可以看出測(cè)力傳感器先受到拉力，再受到壓力。剛開(kāi)始刀柄前端拉釘?shù)?/span>m段（如圖12)受到 目標(biāo)刀套內(nèi)鋼鎖球的擠壓，擠壓過(guò)程測(cè)力傳感器受力 變化過(guò)程如圖11中的/段;鋼鎖球向外到達(dá)大位置 時(shí)，此時(shí)鋼鎖球與刀柄前端拉釘?shù)?/span>A段（如圖12)的圓 柱面接觸并擠壓拉釘，這段時(shí)間內(nèi)鋼球與拉釘之間只 有摩擦力，對(duì)拉釘?shù)牧χ当容^小，測(cè)力傳感器受力變化 過(guò)程如圖11中的g段;后階段鋼鎖球與刀柄前端拉 釘?shù)?/span>A段（如圖12)圓錐面接觸，向拉釘推壓，逐漸將 傳感器推出，測(cè)力傳感器受力變化過(guò)程如圖11中的3 段。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果圖象表明，機(jī)械手拉刀力峰值約為 78. 67kg，刀柄受力過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為80ms。
對(duì)加工中心機(jī)械手加工中心ATC系統(tǒng)的刀庫(kù)插 時(shí)的短時(shí) 范圍 行放大觀察， 想 于 10
中e部分局部放大，如圖13所示。可以看出整個(gè)過(guò)程 測(cè)力傳感器先受到壓力，再受到拉力：剛開(kāi)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(cè)力傳 感器受較大壓力;鋼鎖球向外到達(dá)大位置時(shí)，鋼球與 拉釘A段的圓柱面接觸并擠壓拉釘，這段時(shí)間內(nèi)鋼鎖 球與拉釘之間只有摩擦力，對(duì)拉釘?shù)牧χ当容^小;后階段鋼球與拉釘m段接觸，相當(dāng)于給拉釘拉力。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，機(jī)械手插刀力峰值約為 64 kg，刀柄受力過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為80 m b，這與上文中 程時(shí) 。
研制的加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測(cè)裝置經(jīng)過(guò) 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)合理、信號(hào)穩(wěn)定、精 度高，能夠很好的檢測(cè)加工中心ATC系統(tǒng)的拔刀力與 插刀力的變化并存儲(chǔ)，通過(guò)本文研制的加工中心ATC 系統(tǒng) 測(cè) 裝 測(cè)加工中 ATC 系統(tǒng)的力與插刀力的變化來(lái)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(píng)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(lái)源。
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