鏈式刀庫及機械手可靠性試驗臺設(shè)計*

李加明，陶衛(wèi)軍，馮虎田，董維新，劉亞峰

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094;2.陜西秦川機床工具集團有限公司秦川發(fā)展研究院，陜西寶雞 710300）

0 引言

刀庫及機械手是加工中心的重要組成單元，主要由刀庫和機械手組成，可根據(jù)操作人員的指令在刀庫中選擇指定的加工刀具，并由附帶的機械手自動在刀庫中取刀并送到加工中心的主軸上，由加工中心主軸帶動刀具進行切削作業(yè)。鏈式刀庫及機械手具有刀庫容量大的優(yōu)點，在一些需要配置大量不同類型刀具的大中型數(shù)控加工中心得到廣泛應(yīng)用［1-2］。另一方面，由于鏈式刀庫及機械手自動化程度高、機構(gòu)運動較復(fù)雜且與加工中心配套工作，其可靠性對保障其加工任務(wù)而言非常關(guān)鍵，在整個數(shù)控加工中心中仍然屬于容易發(fā)生故障的功能部件之一［3］。隨著數(shù)控加工中心向高精度、高速度、高可靠性方向發(fā)展，要求鏈式刀庫及機械手在使用過程中換刀時間短、頻率高，從而對其可靠性提出了很高的要求。從掌握現(xiàn)有刀庫機械手的可靠性水平、提高刀庫及機械手的可靠性的角度，研發(fā)刀庫及機械手可靠性試驗裝置非常必要。由此，針對大型加工中心常用的鏈式刀庫及機械手，提出一種鏈式刀庫及機械手的可靠性試驗裝置，對其試驗臺、系統(tǒng)構(gòu)成、機械結(jié)構(gòu)、測控系統(tǒng)與試驗方法進行設(shè)計。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

臺灣吉輔B5002-040VH0E型鏈式刀庫及機械手自動換刀裝置，刀庫容量為60把刀，刀柄規(guī)格為BT-50，刀具最大重量為25Kg，立臥兩式換刀時間都為5.5s，刀庫及機械手的所有動力源皆為油壓。利用模擬主軸實現(xiàn)換刀過程，利用特定傳感器全面檢測鏈式刀庫及機械手的換刀位置精度和振動特性、是否掉刀、刀具的定位精度、振動以及工況噪聲等參數(shù)，用來進行刀庫及機械手的故障模式分析與可靠性評估。

試驗臺的主要結(jié)構(gòu)包括:鏈式刀庫及機械手、模擬主軸、試驗臺架、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 鏈式刀庫及機械手可靠性試驗臺系統(tǒng)構(gòu)成

2 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

鏈式刀庫及機械手可靠性試驗臺，包括底座、鏈式刀庫、刀具、機械手動力及傳動模塊、機械手、主軸模塊、固定架、試驗臺架、第一位移傳感器、三軸加速度傳感器、單軸加速度傳感器、光電接近開關(guān)、第二位移傳感器、第一支撐架、第二支撐架和第三支撐架，其中，底座固定在地面上，鏈式刀庫固定安裝在底板上，刀具設(shè)置在鏈式刀庫的刀位上并由鏈式刀庫的轉(zhuǎn)動來到達換刀位置，機械手動力傳動模塊固定安裝在底板上并與鏈式刀庫相固連，機械手設(shè)置在機械手動力傳動模塊上并在機械手動力傳動模塊帶動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、橫向平移和縱向平移，實現(xiàn)抓刀、拔刀、換刀和裝刀動作;試驗臺架固定安裝在地面上，固定架固定安裝在試驗臺架上，固定架上固定安裝有主軸模塊;在機械手上固定安裝有三軸加速度傳感器和單軸加速度傳感器，分別用于檢測機械手在平移過程和旋轉(zhuǎn)過程中的加速度;第一支撐架固定安裝在底板上，其上端安裝有與機械手的手抓軸心相對的第一位移傳感器，用于檢測機械手把刀具安裝到主軸模塊過程中裝刀點處是否掉刀和裝刀點的位置信息;第二支撐架固定安裝在底板上，其上端安裝有與機械手的另一手抓軸心相對的光電開關(guān)，用于檢測機械手在橫向平移過程中是否掉刀;第三支撐架固定安裝在底板上，其上端安裝有與鏈式刀庫的換刀刀位軸心正對的第三位移傳感器，用于檢測機械手在抓刀和拔刀過程中是否掉刀和抓刀點的位置信息，見圖2。

圖2 鏈式刀庫及機械手可靠性試驗裝置整體結(jié)構(gòu)圖

其中模擬主軸結(jié)構(gòu)與刀庫中刀套結(jié)構(gòu)相似，確保能夠夾住刀柄，使換刀過程順利進行。模擬主軸可以實現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換，從而模擬數(shù)控加工中心的換刀工況。為實現(xiàn)模擬主軸立臥轉(zhuǎn)換，在固定架上設(shè)計了T型環(huán)狀滑槽，如圖3所示。用螺栓螺母將模擬主軸安裝在T型環(huán)狀滑槽上，松開螺母使模擬主軸在T型環(huán)狀滑槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，即可實現(xiàn)模擬主軸的立臥轉(zhuǎn)換。模擬主軸實際主軸相比去除旋轉(zhuǎn)功能，保留拉松刀功能。

圖3 模擬主軸結(jié)構(gòu)

3 控制與檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 試驗臺控制系統(tǒng)

試驗臺控制系統(tǒng)主要由FANUC0i-MD、PLC以及輔助電路組成如圖4所示。其中FANUC數(shù)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，并進行I/O定義;PLC采用記憶式隨機選刀方式，完成刀具表的程序設(shè)計，同時以就近選刀為原則，設(shè)計刀庫自動選刀程序用來控制刀庫自動選刀和機械手自動換刀等一系列動作，使換刀動作以一定的邏輯順序完成，近而減少因換刀邏輯混亂而引起的可靠性問題，保證控制系統(tǒng)的可靠性和平穩(wěn)性。操作員使用VB人機交流界面發(fā)出換刀指令，計算機通過VB程序來實現(xiàn)換刀指令的發(fā)送與反饋。自動換刀系統(tǒng)根據(jù)PLC的指令進行動作，同時，安裝在刀庫上的傳感器可以將各種動作信號反饋至PLC。自動換刀系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動報警，同時將故障數(shù)據(jù)存儲在故障數(shù)據(jù)庫。

圖4 試驗臺控制系統(tǒng)原理圖

3.2 檢測系統(tǒng)

鏈式刀庫及機械手可靠性試驗臺檢測系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機、PCI數(shù)據(jù)采集卡、三軸加速度傳感器、單軸加速度傳感器、光電接近開關(guān)、第一位移傳感器和第二位移傳感器，如圖5所示。其中PCI數(shù)據(jù)采集卡用于采集各路傳感器的信息，并傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機進行數(shù)據(jù)處理與存貯;三軸加速度傳感器和單軸加速度傳感器采用美國PCB加速度傳感器，分別用于檢測機械手在平移過程和旋轉(zhuǎn)過程中的加速度;采用德國巴魯夫光電接近開關(guān)，用于檢測機械手在橫向平移過程中是否掉刀，第一位移傳感器采用KEYENCE數(shù)字電渦流傳感器，用來檢測機械手把刀具安裝到主軸模塊過程中裝刀點處是否掉刀和裝刀點的位置信息;第二位移傳感器采用美國PCB電渦流傳感器，用來檢測機械手在抓刀和拔刀過程中是否掉刀和抓刀點的位置信息。

圖5 可靠性試驗臺檢測系統(tǒng)

4 可靠性試驗方法

結(jié)合鏈式刀庫的換刀過程，分析其換刀過程中可能出現(xiàn)的故障，主要有機械手故障、刀庫故障、液壓故障，詳細見表1。

表1 鏈式刀庫及機械手的常見故障

圖6 可靠性試驗及檢測流程圖

依據(jù)分析的鏈式刀庫常見故障，采取了如下圖所示可靠性試驗方法:

可靠性試驗裝置換刀檢測流程框圖如圖6所示，具體給出以下試驗步驟。

(1）鏈式刀庫及機械手FANUC數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，模擬主軸準停，通過T型環(huán)狀滑槽，根據(jù)需要調(diào)整模擬主軸的立臥狀態(tài)，并完成模擬主軸立臥狀態(tài)的判斷。

(2）結(jié)合圖7，鏈式刀庫及機械手可靠性試驗裝置中機械手的動作過程用階段a-g表示，整個取刀裝刀過程及檢測說明如下:

1）機械手6從其初始位置1在機械手動力及傳動模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動，直到其手爪圓弧中心與取刀刀位軸線對齊并抓住取刀刀位上的刀具3;

2）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下沿著箭頭方向縱向向外移動，直到其手爪上的刀具與取刀刀位完全脫離;此時通過第二位移傳感器12對手爪上的刀具位置信息進行精密檢測，通過三軸加速度傳感器對移動過程中的加速度進行檢測。

3）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動，直到其回轉(zhuǎn)軸心與初始位置1的回轉(zhuǎn)軸心對齊;此時通過光電接近開關(guān)12對是否掉刀進行檢測，在此過程中通過三軸加速度傳感器對移動過程中的加速度進行檢測;

4）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下繞其回轉(zhuǎn)軸心旋轉(zhuǎn)180度，把帶有刀具3的手爪轉(zhuǎn)到主軸模塊5同一側(cè);在此過程中通過單軸加速度傳感器對旋轉(zhuǎn)過程中的加速度進行檢測;

5）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動，直到其手爪圓弧中心運動到裝刀點，并與主軸軸線對齊;此時通過第一位移傳感器12對手爪上的刀具位置信息進行精密檢測，在此過程中通過三軸加速度傳感器對移動過程中的加速度進行檢測。

6）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下沿著箭頭方向縱向向內(nèi)移動，直到其手爪上的刀具裝到主軸模塊5上;在此過程中通過三軸加速度傳感器對移動過程中的加速度進行檢測。

7）機械手6在機械手動力及傳動模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動，直到其回到初始位置1，整個抓刀裝刀過程結(jié)束。在此過程中通過三軸加速度傳感器對移動過程中的加速度進行檢測。

圖7 換刀動作檢測示意圖

(3）完成試驗后，傳感器將所測得數(shù)據(jù)及時傳送至工業(yè)控制計算機。依據(jù)威布爾分布處理實驗數(shù)據(jù)。

威布爾的概率分布函數(shù)為:

其中概率密度函數(shù)為:

式中，m為形狀參數(shù);t0為位置參數(shù);η為真尺度參數(shù)。

5 結(jié)束語

自動換刀裝置作為加工中心的關(guān)鍵功能部件，其可靠性是保證加工中心高性能、高精度、高速度的關(guān)鍵因素。本文從總體方案，試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制及檢測系統(tǒng)等方面介紹了一套鏈式刀庫及機械手可靠性試驗裝置。此外還通過對其常見故障現(xiàn)象及原因的分析，詳細說明其可靠性測試方法，為深入研究和提高其可靠性提高了重要依據(jù)。

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