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加工中心ATC系統拔刀力檢測裝置的研制與實驗
閱讀：247 發布時間：2020-8-12〇引言
加工中心作為數控機床領域中的產品在市場 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
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[<]。
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，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。 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，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?？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;鋼鎖球向外到達大位置 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;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?？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;鋼鎖球向外到達大位置時，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;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 。
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。
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