加工中心ATC系统拔刀力检测装置的研制与实验
〇引言 加工中心作为精工机床领域中的高端产品在市场 上广受欢迎，ATC系统是加工中心重要的组成部件之 一，其可靠性水平直接影响机床整机的可靠性水 平[1_2]。ATC系统包括两个主要部分:刀库和换刀机械 手[3*。刀库的主要功能是为加工中心储存加工过程中所能用到的刀具，并可以根据所设定的程序，对当前工 序所用刀具进行选择和定位，以便换刀机械手进行刀 具的交换;换刀机械手的作用是将刀库中的刀具在刀 库和主轴之间进行传递[4]。通常，机床在出厂时加工 中心ATC系统刀库刀套里的锁紧弹簧和主轴内部的 拉刀器都是凭借生产经验进行调整，对刀柄在刀套和 主轴内的锁紧力值的测量缺乏实用有效的检测装置[5*;另外，加工中心ATC系统刀库和自动换刀装置 在长期使用过程中，经常会出现刀柄磨损、刀套松动、 主轴磨损、机械手位置偏移等问题，这些情况都会导致 ATC系统拔刀力和插刀力出现异常变化，从而影响加 工质量、加剧刀柄磨损、ATC系统故障等，甚至造成人 身伤害事故[6R]。然而国内外目前尚无这方面的完整 的检测系统。本文基于上述问题，研制加工中心ATC系统拔刀 力检测装置，能够对ATC系统的拔刀力与插刀力进行 检测，实现刀套锁紧弹簧和主轴拉刀器的精确调整，防 止加工中心ATC系统故障的发生，达到提高加工中心 可靠性的目的。2加工中心ATC系统拔刀力检测装置的结构及其工作原理2:拔刀力检测装置的基本组成该加工中心ATC系统拔刀力检测装置由刀柄部 分和电路部分两大部分组成。该刀柄以BT-50型号的 刀柄为例在不改变其外形结构尺寸和功能的条件下进 行改装，如图1和图2所示，该刀柄包括拉钉1、上部刀 柄2、下部刀柄4和保护外壳7。电路部分包括测力传 感器3、电池5和电路板及UC600数据存储模块6。2：测力传感器的选择加工中心刀柄向ATC系统刀库中拔出或插人刀 套内时拉钉受力时间比较短，假设拉钉顶开刀套钢锁 球的受力行程为10mm，机械手移动速度为lm/S，那么 拉钉受力时间为0. 01s即10ms，因此测力传感器的动 态响应必须比较快。国内很多拉压力传感器在制造时 都是按照静态力测量要求来设计的，响应特性比较差， 有的响应时间需要20ms，有的甚至需要200ms。压电 式传感器是测量动震荡力、碰撞或高速压缩力/张力的 一种理想传感器，但不适合测量较低频率力值。国内 很少有压电式测力传感器，而且压电式力传感器价格普遍偏高，所以选用应变式力传感器最优[<]。电阻应变式传感器结构简单、使用方便，而且性能 稳定、可靠，适合静态及动态测量，是目前应用最广泛 的传感器之一[10]。电阻应变式传感器内部贴有应变 片，在承受到一定力时，应变片电阻发生改变，通过内 部的电桥电路，电阻变化转化为输出电压的改变，于是 对应于不同的受力传感器会输出不同的电压值，从而 实现了对力的测量[11]。考虑到要测量上部刀柄2和下部刀柄4之间的拉 压力，选用两端都带有螺纹柱的圆柱形测力传感器，其 外部结构如图3所示。由于刀柄内部空间有限，测力 传感器外形不能太大。综合考虑，最终选择长春某家 传感器公司定制了 U9系列传感器。为了便于测力传 感器与刀柄的拆装，测力传感器上端设计了一对带切 边的凸台。2.3加工中心ATC系统拔刀力检测装置的电路部 分结构 ATC系统拔刀力与插刀力检测装置电路部分包括 测力传感器、数据处理电路、数据存储模块、电源等。 电路原理示意图如图4所示:测力传感器测得拔刀力 与插刀力力值，经信号放大电路，输送至型号为 C8051F410单片机处进行模/数转换处理（由于选用的 单片机集成有AD转换功能，所以不需要经过单独的 AD转换元件），并把单片机处理后的数据存储在 UC600串口存储模块的SD卡中。整个测量过程由单 片机程序控制，高速循环进行，不断检测并记录力值信息。数据处理电路中包含如下部分:信号放大模块、偏 置电压模块、单片机模块、程序下载接口模块、电路板 接口及开关等。信号放大模块将测力传感器的微弱输 出信号过滤放大，偏置电压模块为信号放大模块提供 参考电压，实现经信号放大电路放大后的信号的整体 偏移功能，从而被单片机模块识别并处理。程序下载 接口电路为把调制好的程序下载到单片机模块中提供 通道。图5是信号放大模块电路原理图，限于篇幅，其他电路模块电路原理图在此不一一列举。 2.4加工中心ATC系统拔刀力检测装置的工作原理拔刀力检测装置各部分组装好之后，手动将检测 装置（也称刀柄）放人加工中心ATC系统刀库的目标 空刀套内。检查刀柄，确认刀柄安装可靠后打开电路 板电源开关，然后通过可靠性试验台上的工控机让 ATC系统运行，令自动换刀系统进行自动换刀过程。 当加工中心机械手准备从ATC系统目标刀套中拔出 刀柄时，刀柄上端拉钉被钢锁球卡住。机械手拉力作 用在下部刀柄上，经测力传感器传至上部刀柄，再传至 拉钉，当机械手拉力达到一定大小时，钢锁球后面弹簧 压缩，拉钉前端不再被钢球卡住，刀柄被机械手拔出。 这个过程中，机械手的拔刀力一直作用在中部刀柄上 并传递给测力传感器。测力传感器采集拔刀力信号， 并在输出端输出相应电压信号。该微弱电压信号经接 口进人数据处理电路，经数据处理电路上的信号放大 为单片机模块中的模/数转换器可识别的电压信号，然 后通过模数转换使该模拟电压信号转化为单片机可识 别的数字信号，并被单片机模块中的单片机处理。最 后单片机将处理好的信息通过串口送至UC600串口 转SD卡数据存储模块，信息被写人SD卡中。同理， 当加工中心机械手从ATC系统目标刀套中插刀时，插 刀力信息也被写人SD卡中。按照将编写并调试好的程序写人单片机内后，电 路高速地循环进行数据采集、处理和记录的过程，从而 实现加工中心ATC系统拔刀力的检测和记录。当多 次拔刀插刀之后，关闭电路板电源，取出SD卡，直接 插人电脑中便可读取记录数据，也可用Excel或Matlab 等软件对数据进行进一步作图处理，以便于更加直观 地观察整个拔刀和插刀过程中拔刀力与插刀力力值的 动态变化情况。3实验及结果分析3.1标准重量测量实验及结果分析 为了验证检测装置检测的准确性，首先对该检测装 置进行了逐渐添加标准重量物体(2kg、5kg、10kg、20kg、 30kg、40kg、50kg、60kg、70kg、80kg)加载实验，同意重量 物体5次采集，并对实验采集的数据结果进行分析，求相应的平均值。实验前，首想调整数据处理电路电路板 上的两个电位器。连接好电池，不连接测力传感器和 UC600串口存储模块。调整数据处理电路中的偏置电 压模块的电位器，用万用表测量，令偏置电压模块的输 出电压为1.00V。将数据处理电路电路板上传感器信 号的输人接口用电线短路，此时输人电压为0，测量初级 放大器的输出电压，调整调零电位器，直至初级放大器 的输出为0mV。此时调整完毕，可以组装检测装置进行 实验。图6为用UltraEdit软件对UC600串口存储模块 中的SD卡内存储数据的部分截图，为了使结果更加易 于观察和分析，我们使用Matlab软件对采集结果进行读 取并绘制曲线图。图7为Matlab读取SD卡内数据并绘 制图像的程序;图8为10kg标准重量物体加载实验所 采集的数据经Matlab读取绘图后的直观结果。不同标准重量的物体加载对应的检测结果如下表 1，其他标准重量物体加载实验检测结果图在此不一 一列举，从表1和表2可以看出，测量数值有小幅波动 变化，但总体上结果比较平稳，偏差不超过0. 1kg。表 明检测装置的测量是比较准确。3.2加工中心ATC系统检测实验及结果分析 如图9所示，将检测装置组装好之后放人ATC系 统刀库中其中一个目标刀套内，通过工控机指令控制 ATC系统刀库进行自动换刀。在此约定，检测装置从 其中一个目标刀套拔出到检测装置被插人到此目标刀 套内称为一个循环。每次开始一个循环对电路板上一 次电，多次的数据分别保存在多个文件中。为了使实 验条件尽量一致，我们每次循环都是从同一个刀套拔 刀，最后插人另一个目标刀套内。进行多次循环后，取 出UC600串口存储模块中的SD卡对数据采集结果进 行观察分析。对比多次结果，发现多次采集结果图象非常一致， 在此列出其中一次结果进行分析。图10为用Matlab 对检测装置在其中一个目标刀套采集的数据绘制的结果。从图10中数据结果图上看出，一次循环中共有四 次力值的波动，为加工中心ATC系统拔刀力与插刀力 检测装置在一次换刀循环中2次拔刀力和2次插刀力 曲线。图10中a是ATC系统机械手从刀套上拔刀过 程中拔刀力的曲线；图10中6是ATC系统机械手将 检测装置插人主轴过程时检测的插刀力的曲线；图10 中C是ATC系统机械手将检测装置插人主轴之后停 顿1.4〜1.6s的过程，图中受力为负，表明ATC系统机 械手夹住刀柄（检测装置）并对刀柄有一个向上的挤 压趋势，刀柄处于受压状态；图10中^是ATC系统机 械手另一端手臂抓取主轴上的刀柄过程中停顿的过 程，它的受力大小与图10中c不一样大，表明了本发 明中试验的ATC系统机械手两臂不在一个水平面上， 导致对刀柄施加的压力更大;图10中e是ATC系统机 ATC 系统 的中的 程。对加工中心机械手从刀库拔刀时的短时间范围图 象进行放大观察，想当于将图10中a部分局部放大， 如图11所示。可以看出测力传感器先受到拉力，再受到压力。刚开始刀柄前端拉钉的m段（如图12)受到 目标刀套内钢锁球的挤压，挤压过程测力传感器受力 变化过程如图11中的/段;钢锁球向外到达******位置 时，此时钢锁球与刀柄前端拉钉的A段（如图12)的圆 柱面接触并挤压拉钉，这段时间内钢球与拉钉之间只 有摩擦力，对拉钉的力值比较小，测力传感器受力变化 过程如图11中的g段;最后阶段钢锁球与刀柄前端拉 钉的A段（如图12)圆锥面接触，向拉钉推压，逐渐将 传感器推出，测力传感器受力变化过程如图11中的3 段。实验数据结果图象表明，机械手拉刀力峰值约为 78. 67kg，刀柄受力过程持续时间约为80ms。对加工中心机械手加工中心ATC系统的刀库插 时的短时 范围 行放大观察， 想 于 10中e部分局部放大，如图13所示。可以看出整个过程 测力传感器先受到压力，再受到拉力：刚开始刀柄前端 的拉钉y部分受到目标刀套内钢锁球的阻挡，测力传 感器受较大压力;钢锁球向外到达******位置时，钢球与 拉钉A段的圆柱面接触并挤压拉钉，这段时间内钢锁 球与拉钉之间只有摩擦力，对拉钉的力值比较小;最后阶段钢球与拉钉m段接触，相当于给拉钉拉力。实验数据结果表明，机械手插刀力峰值约为 64 kg，刀柄受力过程持续时间约为80 m b，这与上文中 程时 。4结论研制的加工中心ATC系统拔刀力检测装置经过 相关实验结果表明该检测装置结构合理、信号稳定、精 度高，能够很好的检测加工中心ATC系统的拔刀力与 插刀力的变化并存储，通过本文研制的加工中心ATC 系统 测 装 测加工中 ATC 系统的力与插刀力的变化来为ATC系统的故障作出预警，给 加工中心ATC系统的故障诊断、故障监控和预警及性 能评估提供重要的参考资料，为加工中心可靠性分析 提供了重要的数据来源。本文由海天精工整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！