加工中心ATC系統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域中的高端產品在市場 上廣受歡迎，ATC系統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，并可以根據所設定的程序，對當前工 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系統刀庫刀套里的鎖緊彈簧和主軸內部的 拉刀器都是憑借生產經驗進行調整，對刀柄在刀套和 主軸內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系統刀庫和自動換刀裝置 在長期使用過程中，經常會出現刀柄磨損、刀套松動、 主軸磨損、機械手位置偏移等問題，這些情況都會導致 ATC系統拔刀力和插刀力出現異常變化，從而影響加 工質量、加劇刀柄磨損、ATC系統故障等，甚至造成人 身傷害事故[6R]。然而國內外目前尚無這方面的完整 的檢測系統。本文基于上述問題，研制加工中心ATC系統拔刀 力檢測裝置，能夠對ATC系統的拔刀力與插刀力進行 檢測，實現刀套鎖緊彈簧和主軸拉刀器的精確調整，防 止加工中心ATC系統故障的發生，達到提高加工中心 可靠性的目的。2加工中心ATC系統拔刀力檢測裝置的結構及其工作原理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構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數據存儲模塊6。2：測力傳感器的選擇加工中心刀柄向ATC系統刀庫中拔出或插人刀 套內時拉釘受力時間比較短，假設拉釘頂開刀套鋼鎖 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 態響應必須比較快。國內很多拉壓力傳感器在制造時 都是按照靜態力測量要求來設計的，響應特性比較差， 有的響應時間需要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 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，所以選用應變式力傳感器最優[<]。電阻應變式傳感器結構簡單、使用方便，而且性能 穩定、可靠，適合靜態及動態測量，是目前應用最廣泛 的傳感器之一[10]。電阻應變式傳感器內部貼有應變 片，在承受到一定力時，應變片電阻發生改變，通過內 部的電橋電路，電阻變化轉化為輸出電壓的改變，于是 對應于不同的受力傳感器會輸出不同的電壓值，從而 實現了對力的測量[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 外部結構如圖3所示。由于刀柄內部空間有限，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，測力傳感器上端設計了一對帶切 邊的凸臺。2.3加工中心ATC系統拔刀力檢測裝置的電路部 分結構 ATC系統拔刀力與插刀力檢測裝置電路部分包括 測力傳感器、數據處理電路、數據存儲模塊、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，經信號放大電路，輸送至型號為 C8051F410單片機處進行模/數轉換處理（由于選用的 單片機集成有AD轉換功能，所以不需要經過單獨的 AD轉換元件），并把單片機處理后的數據存儲在 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，高速循環進行，不斷檢測并記錄力值信息。數據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，實現經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系統刀庫的目標 空刀套內。檢查刀柄，確認刀柄安裝可靠后打開電路 板電源開關，然后通過可靠性試驗臺上的工控機讓 ATC系統運行，令自動換刀系統進行自動換刀過程。 當加工中心機械手準備從ATC系統目標刀套中拔出 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，經測力傳感器傳至上部刀柄，再傳至 拉釘，當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電壓信號。該微弱電壓信號經接 口進人數據處理電路，經數據處理電路上的信號放大 為單片機模塊中的模/數轉換器可識別的電壓信號，然 后通過模數轉換使該模擬電壓信號轉化為單片機可識 別的數字信號，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SD卡數據存儲模塊，信息被寫人SD卡中。同理， 當加工中心機械手從ATC系統目標刀套中插刀時，插 刀力信息也被寫人SD卡中。按照將編寫并調試好的程序寫人單片機內后，電 路高速地循環進行數據采集、處理和記錄的過程，從而 實現加工中心ATC系統拔刀力的檢測和記錄。當多 次拔刀插刀之后，關閉電路板電源，取出SD卡，直接 插人電腦中便可讀取記錄數據，也可用Excel或Matlab 等軟件對數據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 動態變化情況。3實驗及結果分析3.1標準重量測量實驗及結果分析 為了驗證檢測裝置檢測的準確性，首先對該檢測裝 置進行了逐漸添加標準重量物體(2kg、5kg、10kg、20kg、 30kg、40kg、50kg、60kg、70kg、80kg)加載實驗，同意重量 物體5次采集，并對實驗采集的數據結果進行分析，求相應的平均值。實驗前，首想調整數據處理電路電路板 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。調整數據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。將數據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，調整調零電位器，直至初級放大器 的輸出為0mV。此時調整完畢，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卡內存儲數據的部分截圖，為了使結果更加易 于觀察和分析，我們使用Matlab軟件對采集結果進行讀 取并繪制曲線圖。圖7為Matlab讀取SD卡內數據并繪 制圖像的程序;圖8為10kg標準重量物體加載實驗所 采集的數據經Matlab讀取繪圖后的直觀結果。不同標準重量的物體加載對應的檢測結果如下表 1，其他標準重量物體加載實驗檢測結果圖在此不一 一列舉，從表1和表2可以看出，測量數值有小幅波動 變化，但總體上結果比較平穩，偏差不超過0. 1kg。表 明檢測裝置的測量是比較準確。3.2加工中心ATC系統檢測實驗及結果分析 如圖9所示，將檢測裝置組裝好之后放人ATC系 統刀庫中其中一個目標刀套內，通過工控機指令控制 ATC系統刀庫進行自動換刀。在此約定，檢測裝置從 其中一個目標刀套拔出到檢測裝置被插人到此目標刀 套內稱為一個循環。每次開始一個循環對電路板上一 次電，多次的數據分別保存在多個文件中。為了使實 驗條件盡量一致，我們每次循環都是從同一個刀套拔 刀，最后插人另一個目標刀套內。進行多次循環后，取 出UC600串口存儲模塊中的SD卡對數據采集結果進 行觀察分析。對比多次結果，發現多次采集結果圖象非常一致， 在此列出其中一次結果進行分析。圖10為用Matlab 對檢測裝置在其中一個目標刀套采集的數據繪制的結果。從圖10中數據結果圖上看出，一次循環中共有四 次力值的波動，為加工中心ATC系統拔刀力與插刀力 檢測裝置在一次換刀循環中2次拔刀力和2次插刀力 曲線。圖10中a是ATC系統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，表明ATC系統機 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；圖10中^是ATC系統機 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 明中試驗的ATC系統機械手兩臂不在一個水平面上， 導致對刀柄施加的壓力更大;圖10中e是ATC系統機 ATC 系統 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，想當于將圖10中a部分局部放大， 如圖11所示。可以看出測力傳感器先受到拉力，再受到壓力。剛開始刀柄前端拉釘的m段（如圖12)受到 目標刀套內鋼鎖球的擠壓，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的A段（如圖12)的圓 柱面接觸并擠壓拉釘，這段時間內鋼球與拉釘之間只 有摩擦力，對拉釘的力值比較小，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 釘的A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。實驗數據結果圖象表明，機械手拉刀力峰值約為 78. 67kg，刀柄受力過程持續時間約為80ms。對加工中心機械手加工中心ATC系統的刀庫插 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。可以看出整個過程 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部分受到目標刀套內鋼鎖球的阻擋，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，這段時間內鋼鎖 球與拉釘之間只有摩擦力，對拉釘的力值比較小;最后階段鋼球與拉釘m段接觸，相當于給拉釘拉力。實驗數據結果表明，機械手插刀力峰值約為 64 kg，刀柄受力過程持續時間約為80 m b，這與上文中 程時 。4結論研制的加工中心ATC系統拔刀力檢測裝置經過 相關實驗結果表明該檢測裝置結構合理、信號穩定、精 度高，能夠很好的檢測加工中心ATC系統的拔刀力與 插刀力的變化并存儲，通過本文研制的加工中心ATC 系統 測 裝 測加工中 ATC 系統的力與插刀力的變化來為ATC系統的故障作出預警，給 加工中心ATC系統的故障診斷、故障監控和預警及性 能評估提供重要的參考資料，為加工中心可靠性分析 提供了重要的數據來源。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！