張中明，吳曉蘇，陳加明

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機(jī)床維修中心，浙江杭州 310018)

刀庫是加工中心重要的輔助部件，它具有零件種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及受程序控制等特點(diǎn)。理想情況下該設(shè)備的測試與維修是由專業(yè)人員在專門的測試臺(tái)上進(jìn)行的，但是，國內(nèi)的一些數(shù)控維修車間由于受到技術(shù)和資金的制約，其刀庫的測試與維修通常是手工完成的，目前主要存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、測試?yán)щy以及難以精確調(diào)整等情況。因此，許多數(shù)控維修車間都迫切希望擁有一臺(tái)專業(yè)的刀庫測試臺(tái)，以方便工作人員在維修過程中對(duì)刀庫施加各類激勵(lì)信號(hào)并根據(jù)刀庫的動(dòng)作響應(yīng)情況進(jìn)行相應(yīng)的維修或調(diào)整。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)某維修中心對(duì)大量刀庫設(shè)備的維修情況來看，維修工作者對(duì)理想測試臺(tái)功能需求可以分成兩個(gè)層面來進(jìn)行歸納:第一個(gè)層面是基本功能，即該設(shè)備應(yīng)包括刀盤的尋位、刀套的升降以及刀臂的旋轉(zhuǎn)等單項(xiàng)功能測試;第二個(gè)層面可以包括刀盤的尋位時(shí)間測試 (精度為ms)、電機(jī)溫升測試以及刀庫整體功能測試等。顯然，第二個(gè)層面比第一層面更復(fù)雜和精確。這兩個(gè)方面功能的研究和設(shè)計(jì)對(duì)于刀庫設(shè)備的專業(yè)檢測和維修十分重要。

1.1 對(duì)象描述

立式加工中心的圓盤式刀庫大多數(shù)采用普通異步電機(jī)控制刀盤旋轉(zhuǎn)，位置計(jì)數(shù)通常采用接近開關(guān)［1］。對(duì)于這樣一類設(shè)備機(jī)構(gòu)，需要對(duì)刀庫的一些特性做一些分析。圖1是經(jīng)過簡化后的24工位圓盤刀庫示意圖。從性質(zhì)上可以將其分為運(yùn)動(dòng)部件和測量點(diǎn)兩個(gè)部分，這里的運(yùn)動(dòng)部件可以分為3個(gè)有機(jī)組成部分:第一是刀盤部分，該設(shè)備是由能夠順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的刀盤以及電動(dòng)機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)通過渦輪和蝸桿嚙合方式驅(qū)動(dòng)刀盤運(yùn)動(dòng);第二是刀臂部分，這是一個(gè)專用機(jī)械手，其電動(dòng)機(jī)通過齒輪嚙合方式來控制刀臂的一系列動(dòng)作;第三部分是刀套，這是用于存放刀柄的裝置，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是雙作用氣缸。信號(hào)測量點(diǎn)主要包括原點(diǎn)信號(hào)PS_R、數(shù)刀定位PS_C以及刀套位置信號(hào)(PS_U和PS_D)等，這些信號(hào)是通過接近開關(guān)采集并輸入到控制器內(nèi)部的。支撐座通過螺栓與機(jī)床或測試臺(tái)的立柱進(jìn)行連接。

圖1 24工位圓盤刀庫示意圖

1.2 參數(shù)分析

通過上述對(duì)刀庫的定性分析，這里可以進(jìn)一步列出運(yùn)動(dòng)部件和測量點(diǎn)的元件詳細(xì)的型號(hào)與參數(shù)，以獲得更為精確的定量信息，其目的是為后面的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。表1為一種典型的24工位刀庫設(shè)備的測量和控制信息。

從表1可以看出:刀盤和刀臂都是采用三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，功率均小于1 kW，Y型連接，由于其轉(zhuǎn)軸上還連接了齒輪箱，這里也列出了傳動(dòng)比;刀套采用的是雙作用氣缸，行程為150 mm，導(dǎo)氣管內(nèi)徑為10 mm;測量點(diǎn)全部采用了PNP型接近開關(guān)，作用距離為2 mm。這些參數(shù)的獲取為選擇合適型號(hào)的可編程控制器、輔助電氣元件以及接口電路設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

表1 刀庫設(shè)備測量和控制信息

1.3 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案是基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的。雖然個(gè)人計(jì)算機(jī)、觸摸屏和可編程控制器為不同廠家生產(chǎn)，但是它們可以按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行互連，因此，這里采用總線結(jié)構(gòu)方式對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行描述。

該總線結(jié)構(gòu)根據(jù)功能可以分為3個(gè)層次。最高層為開發(fā)層，它是由一臺(tái)或若干臺(tái)PC個(gè)人計(jì)算機(jī)組成，其內(nèi)部安裝有觸摸屏和可編程控制器的環(huán)境軟件，開發(fā)人員可以將設(shè)計(jì)好的軟件代碼通過通信接口下載到觸摸屏和可編程控制器中。開發(fā)層可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試完畢后撤離，盡管如此，如果希望通過遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場繪制實(shí)時(shí)曲線，則可以保留通信接口以實(shí)現(xiàn)對(duì)中下層設(shè)備的監(jiān)控。中間層為控制層，這是測試臺(tái)的核心組成部件，觸摸屏Tu_S是一種人機(jī)對(duì)話界面，主要用于顯示動(dòng)態(tài)畫面或者接受啟動(dòng)信號(hào)，可編程控制器PLC用于采集位置信號(hào)以及進(jìn)行可動(dòng)部件的控制，擴(kuò)展A/D模塊主要用于采集電機(jī)溫升信號(hào)，該層部件可以緊密地安裝在一個(gè)可移動(dòng)式工作臺(tái)上，以方便到現(xiàn)場任何一個(gè)地方進(jìn)行快速信號(hào)連接、測試或調(diào)整。底層為刀庫設(shè)備，屬于被控對(duì)象。圖2是設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，圖中詳細(xì)標(biāo)識(shí)了各部件之間的連接方式。

圖2 測試臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 主要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 刀盤電路設(shè)計(jì)

刀盤機(jī)械系統(tǒng)由支承結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)組成［2］。圖3是刀盤測量與控制回路原理圖，根據(jù)選型分析，這里采用了西門子可編程控制器(PLC)作為測試臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)輸出設(shè)備，輸出形式為繼電器觸點(diǎn)，Q0.1和Q0.2為刀盤控制信號(hào)，為了延長該觸點(diǎn)的使用壽命，外部增加了2個(gè)對(duì)應(yīng)的微型繼電器R1與R2，線圈供電為DC 24 V;將其常開觸點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)接觸器線圈回路，并在線路上進(jìn)行了互鎖，控制回路的供電電壓轉(zhuǎn)換為AC 220 V;KMF和KMR為接觸器主觸點(diǎn)，其供電電壓為AC 380 V;P_M為刀盤電機(jī);采用星形連接，為了改善制動(dòng)效果，這里增加了一個(gè)剎車控制模塊RE，其輸入回路取自電動(dòng)機(jī)的一條相線U1與中性點(diǎn) (U2V2W2)，這樣可以形成AC 220 V的輸入電壓;模塊經(jīng)過橋式整流后輸出的電壓典型值為DC 95 V，該電壓施加到電動(dòng)機(jī)尾部的剎車線圈B上，其工作狀態(tài)是:線圈得電時(shí)剎車片松開，電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行，線圈失電時(shí)剎車片鎖緊，電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)停止。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，通過聯(lián)軸器L、渦輪WO以及蝸桿TU驅(qū)動(dòng)刀盤C_H的旋轉(zhuǎn)。QF是空氣開關(guān)，起短路或過載保護(hù)作用。

圖3 刀盤測量與控制回路

與刀盤控制相關(guān)的位置測量信號(hào)是數(shù)刀定位PS_C和原點(diǎn)定位PS_R脈沖信號(hào)，它們是通過接近開關(guān)接入的，該控制器適合PNP和NPN兩種型號(hào)的接近開關(guān)，這里要注意正確的連接方式，該元件在刀庫中所占的空間比例非常小，在圖中就直接繪制在可編程控制器的輸入端，以明示實(shí)際的連接方式，其中L+表示DC 24 V，M表示直流電源參考端，I2.2和I2.4為信號(hào)輸入端。

2.1.2 刀套電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)換刀氣動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制內(nèi)容為:主軸準(zhǔn)停、刀套倒刀、拔刀、主軸松刀以及機(jī)械手下降等環(huán)節(jié)［3］，其中刀套倒刀采用的是氣壓控制?？紤]到測試臺(tái)可移動(dòng)性特點(diǎn)，這里在測試刀套的上升和下降特性時(shí)采用了獨(dú)立設(shè)置的氣源，這樣可以避免各種設(shè)備同時(shí)使用氣源時(shí)所引起的工作沖突。

圖4所示為刀套測量與控制回路，這是一個(gè)由氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、信號(hào)測量與控制組成的混合原理圖。

圖4 刀套測量與控制回路

由空壓機(jī)輸出的空氣經(jīng)過油水分離器將空氣中的油性物質(zhì)以及粗大顆粒物分離出來，再經(jīng)過氣動(dòng)三聯(lián)件進(jìn)行進(jìn)一步的油水分離和壓力控制，干凈氣體被送入二位三通氣動(dòng)閥門，由可編程序控制器 (PLC)進(jìn)行控制以使氣缸產(chǎn)生前進(jìn)或后退的動(dòng)作，通過換向機(jī)構(gòu)將動(dòng)作轉(zhuǎn)化為刀套上升和下降的動(dòng)作。刀套位置是否正確是由對(duì)應(yīng)的接近開關(guān) (PS_U和PS_D)檢測的。

選用的氣缸工作壓力為0.5 MPa，因此氣源壓力應(yīng)至少恒為0.6 MPa以上。氣動(dòng)三聯(lián)件的調(diào)整:調(diào)節(jié)壓力時(shí)首先將調(diào)節(jié)手輪撥至調(diào)節(jié)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪至所需要的壓力 (0.5 MPa)，然后垂直壓下，鎖定手輪，這樣可以保持壓力穩(wěn)定［4］。

2.1.3 刀臂機(jī)械手動(dòng)作時(shí)序分析

刀臂機(jī)械手動(dòng)作的測量與控制電路設(shè)計(jì)與刀盤有類似之處，這里不再詳述。這里僅僅分析刀臂機(jī)械手的動(dòng)作時(shí)序。刀臂機(jī)械手在實(shí)際的加工中心上的動(dòng)作可以描述為:三相異步電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，完成扣刀、交換刀具、機(jī)械臂回原點(diǎn)一系列動(dòng)作［5］，這些動(dòng)作都是在特定的數(shù)控機(jī)床中由程序執(zhí)行的。而此測試臺(tái)所采用的控制器與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)根本不同，為了將這些動(dòng)作“復(fù)現(xiàn)”在測試臺(tái)上，這就需要測量刀臂在旋轉(zhuǎn)過程中的3個(gè)相關(guān)變量的關(guān)系，并將它們繪制成時(shí)序圖，為在測試臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這些功能做好準(zhǔn)備。

圖5是經(jīng)過測量后繪制的刀臂機(jī)械手動(dòng)作時(shí)序圖。其中A_M是刀臂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，G_B是齒輪箱，ARM是刀臂機(jī)械手。為了獲得扣刀、原點(diǎn)和剎車3個(gè)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，建議在這3個(gè)接近開關(guān)上連接邏輯分析儀器，然后用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)刀臂電機(jī)端點(diǎn)的手柄ROT，通過觀察邏輯分析儀，首先尋找到刀臂的原點(diǎn)位置，經(jīng)過測試，這實(shí)際上是一個(gè)比較小的區(qū)間;隨后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使刀臂從“原點(diǎn)區(qū)域”旋轉(zhuǎn)1圈，在手工轉(zhuǎn)動(dòng)過程中觀察并繪制出如圖5所示的時(shí)序圖。該圖是測試臺(tái)對(duì)刀臂進(jìn)行正確控制的理論依據(jù)。

圖5 刀臂機(jī)械手動(dòng)作時(shí)序圖

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，控制層代碼是用梯形圖編寫的，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)為組態(tài)語言，兩者之間是在通信模式下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)變量的訪問并將數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上的，功能設(shè)計(jì)是模塊化的［6］，這樣便于用戶維護(hù)、修改或擴(kuò)充功能。其測試功能流程如圖6所示，程序開始運(yùn)行后立即進(jìn)入掃描模式，如果有功能鍵按下則立即進(jìn)入相應(yīng)的處理。例如，當(dāng)按下“刀盤測試”功能鍵，則進(jìn)行刀盤的旋轉(zhuǎn)與尋位控制測試，以檢查與刀盤有關(guān)的運(yùn)行特性，同時(shí)可以進(jìn)行觸摸屏的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和圖形顯示，然后進(jìn)一步生成圖像曲線并生成數(shù)學(xué)模型，以此來評(píng)價(jià)刀盤的工作特性。以下通過1個(gè)實(shí)例來說明該測試臺(tái)的使用方法。

3 刀盤旋轉(zhuǎn)與尋位測試

此測試臺(tái)有5大功能，這里以“刀盤旋轉(zhuǎn)與尋位測試”為例來說明測試臺(tái)的1種應(yīng)用方法。該項(xiàng)測試是以刀庫在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)過不同組合位置情況所消耗的時(shí)間變量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型，通過樣本數(shù)據(jù)與模型分析來深入了解刀盤機(jī)構(gòu)可能存在的機(jī)械或電氣缺陷。以下討論刀盤旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)建模［7］過程。

3.1 識(shí)別問題

刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)狀況主要與電機(jī)運(yùn)行、數(shù)刀定位脈沖和原點(diǎn)定位脈沖等特性有關(guān)，而這些特性狀況可以通過刀盤的尋位控制來分析和評(píng)估。尋位控制是指刀盤從某一個(gè)位置出發(fā)以正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)形式移動(dòng)到另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)過程，表征該運(yùn)動(dòng)過程的變量是時(shí)間，由于刀盤電機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)、齒輪嚙合以及定位脈沖信號(hào)采集與控制等方面因素的影響，其尋位時(shí)間會(huì)發(fā)生微妙的變化，通過這些變化來檢查刀盤運(yùn)行中可能存在的問題。

3.2 做出假設(shè)

這里假設(shè)刀盤從測試點(diǎn)開始運(yùn)行到某一終點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間與刀盤的位置變化可能存在如下的函數(shù)關(guān)系:刀盤運(yùn)行時(shí)間t=f(x)，x為位置變化。為了檢測刀盤的運(yùn)行特性，通常讓其以某個(gè)規(guī)定的位置為起點(diǎn)，在程序的控制下開始正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。為了分析的方便，這里首先假設(shè)是正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)每轉(zhuǎn)過一個(gè)由數(shù)刀脈沖確定的位置都會(huì)消耗一定的時(shí)間，轉(zhuǎn)過的位置數(shù)不同，所消耗的時(shí)間也不同，通過可編程控制器可以記錄刀盤走過的位置變化量和所消耗的時(shí)間，由于刀盤具有24個(gè)工位，如果從數(shù)學(xué)的排列方式來進(jìn)行逐一檢測，其檢測數(shù)量是將是 (224－1)，這個(gè)數(shù)量將是巨大的，顯然，這在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上都是不合理的。因此，這里存在著選擇合理自變量的問題。

自變量的構(gòu)造。自變量構(gòu)造的第一個(gè)原則是數(shù)量要合理，例如以10個(gè)左右為適宜;第二個(gè)原則是能夠滿足特定的測量要求。根據(jù)圓盤刀庫共有24個(gè)位置的幾何特點(diǎn)，其自變量的個(gè)數(shù)選擇應(yīng)考慮如下情況:

(1)等分點(diǎn)的檢測。選擇8、16和24為檢測劃分點(diǎn);

(2)密集點(diǎn)的選擇。選擇典型偏差量為1、2、3、4、5;

(3)插補(bǔ)點(diǎn)的位置選擇10、20;

(4)測量位置的選擇。從1、8和16的3個(gè)典型位置開始;

(5)因特殊檢測，可以從任意一個(gè)點(diǎn)開始進(jìn)行增補(bǔ)測量。

因此，這樣就形成了如下10個(gè)自變量，分別標(biāo)記為:

D1、D2、D3、D4、D5、D8、D10、D16、D20、D24。

3.3 求解模型

根據(jù)所提供的自變量D1～D10的分布情況，在測試臺(tái)上對(duì)刀盤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試，測試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?這里一共進(jìn)行了10次測試，字母D后面跟的是偏移量，例如D5表示從當(dāng)前位置正轉(zhuǎn)5個(gè)位置，由數(shù)刀脈沖傳感器確認(rèn)其計(jì)數(shù)狀態(tài)，運(yùn)行持續(xù)時(shí)間單位為ms。圖7為根據(jù)表格內(nèi)容繪制的散點(diǎn)圖，通過該圖可以求得其數(shù)學(xué)模型，以下是模型求解過程。

表2 刀盤旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

圖7 刀盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)散點(diǎn)圖

首先觀察圖形的曲線變化趨勢，通過幾何相似性關(guān)系得出如下一些假設(shè)模型:

其中:式 (1)是基于圖形為微s形曲線，故推測它是3次型曲線;式 (2)推測它為2次型曲線;式(3)和式 (4)則在原來假設(shè)的基礎(chǔ)上添加了參數(shù)，以使模型更加精確。通過對(duì)4個(gè)模型進(jìn)行線性回歸可以得出如下4組解:

通過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)4種數(shù)學(xué)模型的R2值都比較大(接近于1)，顯示出很強(qiáng)的相關(guān)性，但是相比之下，式 (5)的R2值為0.992 6，是4個(gè)值中最大的，所以式 (5)為所求的數(shù)學(xué)模型。該模型的機(jī)械意義:從原點(diǎn)出發(fā)，在D1～D10之間選取10個(gè)檢測點(diǎn)并依次運(yùn)行，其刀盤的偏移量P與運(yùn)行時(shí)間t之間呈現(xiàn)3次型多項(xiàng)式關(guān)系，并且這種關(guān)系是穩(wěn)定的，從曲線的畸變程度可以初步判定刀盤的基本運(yùn)行特性。

3.4 驗(yàn)證模型

模型驗(yàn)證可以通過圖7進(jìn)行觀察，顯然預(yù)測值○與觀測值●比較接近，并且觀測值還分布在預(yù)測點(diǎn)曲線的上下部分，顯示了模型曲線具有很好的擬合性;偏差曲線顯示了預(yù)測值與觀測值之間的偏離程度，偏離程度過大，表明該測量點(diǎn)可能存在機(jī)械配合或電氣測量方面的問題，這是刀盤機(jī)構(gòu)需要調(diào)整的依據(jù)。

3.5 實(shí)施模型、參數(shù)修正與建模意義

剛才的模型只是從原點(diǎn)“1”出發(fā)所進(jìn)行的10個(gè)數(shù)據(jù)采樣后所形成的數(shù)學(xué)模型，這是一種理想狀態(tài)，根據(jù)需要，這里還可以從其他規(guī)定點(diǎn)“8”和“16”出發(fā)繼續(xù)進(jìn)行模型的實(shí)施，甚至可以從其他任意位置開始數(shù)據(jù)搜索，其模型的結(jié)構(gòu)是一樣的，即是3次型曲線，但是常數(shù)部分會(huì)有一定的差別，這也是模型修正的一部分。數(shù)學(xué)建模的意義在于通過比較少的試驗(yàn)次數(shù)可以獲得較多的過程信息，據(jù)此可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)刀盤中一些隱匿比較深的故障點(diǎn)。

4 結(jié)束語

目前，機(jī)械故障診斷［8］正在由單過程、單故障和漸發(fā)性故障的排查發(fā)展到多過程、多故障和突發(fā)性故障的智能檢測。一方面，將刀庫從加工中心信號(hào)端隔離開來并且接入到專用測試臺(tái)，這樣可以對(duì)刀庫進(jìn)行專門的測試，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原加工中心設(shè)備沒有附加影響;另一方面，通過測試臺(tái)對(duì)刀庫發(fā)出各類動(dòng)作指令或接受刀庫發(fā)回的狀態(tài)信號(hào)，這對(duì)于刀庫機(jī)構(gòu)調(diào)整環(huán)節(jié)是非常重要和有效的。刀庫測試臺(tái)的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程都充分汲取了現(xiàn)場工作人員的集體智慧，為某學(xué)院數(shù)控機(jī)床維修中心更好地開展刀庫設(shè)備的專業(yè)測試、調(diào)整和機(jī)床維修提供了很好的技術(shù)支持。

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