李國發(fā)，周興平，楊兆軍，解維德，周傳陽，董精華，霍永超

（吉林大學(xué)機(jī)械工業(yè)數(shù)控裝備可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025）

加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的研制與實(shí)驗(yàn)*

李國發(fā)，周興平，楊兆軍，解維德，周傳陽，董精華，霍永超

（吉林大學(xué)機(jī)械工業(yè)數(shù)控裝備可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025）

在對加工中心ATC系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷、故障監(jiān)控和預(yù)警及性能測評時(shí)，加工中心ATC系統(tǒng)的拔刀力是需要檢測的重要特征信號。然而，目前尚無這方面完整的傳感器或檢測裝置，因此研制加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置對加工中心ATC系統(tǒng)的可靠性研究具有非常重要的意義。根據(jù)加工中心ATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用電阻應(yīng)變片式測力傳感器，通過在改裝刀柄上開孔并采用測力傳感器的螺紋柱將改裝刀柄固定在一起以及將電路部分放置在刀柄中的方式成功研制出加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置，將檢測裝置應(yīng)用于加工中心ATC系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)臺相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了加工中心ATC系統(tǒng)的拔刀力檢測裝置結(jié)構(gòu)合理、信號穩(wěn)定、精度高，可用于加工中心ATC系統(tǒng)的可靠性提升實(shí)驗(yàn)。

ATC系統(tǒng)；拔刀力；檢測裝置；實(shí)驗(yàn)

0 引言

加工中心作為數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中的高端產(chǎn)品在市場上廣受歡迎，ATC系統(tǒng)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(jī)床整機(jī)的可靠性水平［1-2］。ATC系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分；刀庫和換刀機(jī)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(jù)所設(shè)定的程序，對當(dāng)前工序所用刀具進(jìn)行選擇和定位，以便換刀機(jī)械手進(jìn)行刀具的交換；換刀機(jī)械手的作用是將刀庫中的刀具在刀庫和主軸之間進(jìn)行傳遞［4］。通常，機(jī)床在出廠時(shí)加工中心ATC系統(tǒng)刀庫刀套里的鎖緊彈簧和主軸內(nèi)部的拉刀器都是憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，對刀柄在刀套和主軸內(nèi)的鎖緊力值的測量缺乏實(shí)用有效的檢測裝置［5］；另外，加工中心ATC系統(tǒng)刀庫和自動(dòng)換刀裝置在長期使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)刀柄磨損、刀套松動(dòng)、主軸磨損、機(jī)械手位置偏移等問題，這些情況都會導(dǎo)致ATC系統(tǒng)拔刀力和插刀力出現(xiàn)異常變化，從而影響加工質(zhì)量、加劇刀柄磨損、ATC系統(tǒng)故障等，甚至造成人身傷害事故［6-8］。然而國內(nèi)外目前尚無這方面的完整的檢測系統(tǒng)。

本文基于上述問題，研制加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置，能夠?qū)TC系統(tǒng)的拔刀力與插刀力進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)刀套鎖緊彈簧和主軸拉刀器的精確調(diào)整，防止加工中心ATC系統(tǒng)故障的發(fā)生，達(dá)到提高加工中心可靠性的目的。

2 加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 拔刀力檢測裝置的基本組成

該加工中心ATC系統(tǒng)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(jié)構(gòu)尺寸和功能的條件下進(jìn)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(hù)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(shù)據(jù)存儲模塊6。

圖1 加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖

圖2 加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的剖面圖（拆去保護(hù)外殼7）

2.2 測力傳感器的選擇

加工中心刀柄向ATC系統(tǒng)刀庫中拔出或插入刀套內(nèi)時(shí)拉釘受力時(shí)間比較短，假設(shè)拉釘頂開刀套鋼鎖球的受力行程為10mm，機(jī)械手移動(dòng)速度為1m/s，那么拉釘受力時(shí)間為0.01s即10ms，因此測力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)必須比較快。國內(nèi)很多拉壓力傳感器在制造時(shí)都是按照靜態(tài)力測量要求來設(shè)計(jì)的，響應(yīng)特性比較差，有的響應(yīng)時(shí)間需要20ms，有的甚至需要200ms。壓電式傳感器是測量動(dòng)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(nèi)很少有壓電式測力傳感器，而且壓電式力傳感器價(jià)格普遍偏高，所以選用應(yīng)變式力傳感器最優(yōu)［9］。

電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且性能穩(wěn)定、可靠，適合靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測量，是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一［10］。電阻應(yīng)變式傳感器內(nèi)部貼有應(yīng)變片，在承受到一定力時(shí)，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，通過內(nèi)部的電橋電路，電阻變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓的改變，于是對應(yīng)于不同的受力傳感器會輸出不同的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖3所示。由于刀柄內(nèi)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(shè)計(jì)了一對帶切邊的凸臺。

圖3 測力傳感器三維圖

2.3 加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置的電路部分結(jié)構(gòu)

ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力檢測裝置電路部分包括測力傳感器、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)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(jīng)信號放大電路，輸送至型號為C8051F410單片機(jī)處進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理（由于選用的單片機(jī)集成有AD轉(zhuǎn)換功能，所以不需要經(jīng)過單獨(dú)的AD轉(zhuǎn)換元件），并把單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)存儲在UC600串口存儲模塊的SD卡中。整個(gè)測量過程由單片機(jī)程序控制，高速循環(huán)進(jìn)行，不斷檢測并記錄力值信息。

圖4 拔刀力檢測裝置電路示意圖

數(shù)據(jù)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(jī)模塊、程序下載接口模塊、電路板接口及開關(guān)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(shí)現(xiàn)經(jīng)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(jī)模塊識別并處理。程序下載接口電路為把調(diào)制好的程序下載到單片機(jī)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。

圖5 信號放大模塊電路原理圖

2.4 加工中心ATC系統(tǒng)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(dòng)將檢測裝置（也稱刀柄）放入加工中心ATC系統(tǒng)刀庫的目標(biāo)空刀套內(nèi)。檢查刀柄，確認(rèn)刀柄安裝可靠后打開電路板電源開關(guān)，然后通過可靠性試驗(yàn)臺上的工控機(jī)讓ATC系統(tǒng)運(yùn)行，令自動(dòng)換刀系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)換刀過程。當(dāng)加工中心機(jī)械手準(zhǔn)備從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中拔出刀柄時(shí)，刀柄上端拉釘被鋼鎖球卡住。機(jī)械手拉力作用在下部刀柄上，經(jīng)測力傳感器傳至上部刀柄，再傳至拉釘，當(dāng)機(jī)械手拉力達(dá)到一定大小時(shí)，鋼鎖球后面彈簧壓縮，拉釘前端不再被鋼球卡住，刀柄被機(jī)械手拔出。這個(gè)過程中，機(jī)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(yīng)電壓信號。該微弱電壓信號經(jīng)接口進(jìn)入數(shù)據(jù)處理電路，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路上的信號放大為單片機(jī)模塊中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可識別的電壓信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換使該模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，并被單片機(jī)模塊中的單片機(jī)處理。最后單片機(jī)將處理好的信息通過串口送至UC600串口轉(zhuǎn)SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊，信息被寫入SD卡中。同理，當(dāng)加工中心機(jī)械手從ATC系統(tǒng)目標(biāo)刀套中插刀時(shí)，插刀力信息也被寫入SD卡中。

按照將編寫并調(diào)試好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)內(nèi)后，電路高速地循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和記錄的過程，從而實(shí)現(xiàn)加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力的檢測和記錄。當(dāng)多次拔刀插刀之后，關(guān)閉電路板電源，取出SD卡，直接插入電腦中便可讀取記錄數(shù)據(jù)，也可用Excel或Matlab等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步作圖處理，以便于更加直觀地觀察整個(gè)拔刀和插刀過程中拔刀力與插刀力力值的動(dòng)態(tài)變化情況。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)重量測量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證檢測裝置檢測的準(zhǔn)確性，首先對該檢測裝置進(jìn)行了逐漸添加標(biāo)準(zhǔn)重量物體（2kg、5kg、10kg、20kg、30kg、40kg、50kg、60kg、70kg、80kg）加載實(shí)驗(yàn)，同意重量物體5次采集，并對實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，求相應(yīng)的平均值。實(shí)驗(yàn)前，首想調(diào)整數(shù)據(jù)處理電路電路板上的兩個(gè)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(diào)整數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理電路電路板上傳感器信號的輸入接口用電線短路，此時(shí)輸入電壓為0，測量初級放大器的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，直至初級放大器的輸出為0mV。此時(shí)調(diào)整完畢，可以組裝檢測裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖6為用UltraEdit軟件對UC600串口存儲模塊中的SD卡內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的部分截圖，為了使結(jié)果更加易于觀察和分析，我們使用Matlab軟件對采集結(jié)果進(jìn)行讀取并繪制曲線圖。圖7為Matlab讀取SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)并繪制圖像的程序；圖8為10kg標(biāo)準(zhǔn)重量物體加載實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab讀取繪圖后的直觀結(jié)果。

圖6 SD卡內(nèi)存儲數(shù)據(jù)（部分截圖）

圖7 M atlab讀取數(shù)據(jù)并繪圖程序

圖8 10kg物體下測量結(jié)果圖

不同標(biāo)準(zhǔn)重量的物體加載對應(yīng)的檢測結(jié)果如下表1，其他標(biāo)準(zhǔn)重量物體加載實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果圖在此不一一列舉，從表1和表2可以看出，測量數(shù)值有小幅波動(dòng)變化，但總體上結(jié)果比較平穩(wěn)，偏差不超過0.1kg。表明檢測裝置的測量是比較準(zhǔn)確。

表1 不同標(biāo)重加載對應(yīng)的值

表2 不同標(biāo)重加載對應(yīng)的值

3.2 加工中心ATC系統(tǒng)檢測實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

如圖9所示，將檢測裝置組裝好之后放入ATC系統(tǒng)刀庫中其中一個(gè)目標(biāo)刀套內(nèi)，通過工控機(jī)指令控制ATC系統(tǒng)刀庫進(jìn)行自動(dòng)換刀。在此約定，檢測裝置從其中一個(gè)目標(biāo)刀套拔出到檢測裝置被插入到此目標(biāo)刀套內(nèi)稱為一個(gè)循環(huán)。每次開始一個(gè)循環(huán)對電路板上一次電，多次的數(shù)據(jù)分別保存在多個(gè)文件中。為了使實(shí)驗(yàn)條件盡量一致，我們每次循環(huán)都是從同一個(gè)刀套拔刀，最后插入另一個(gè)目標(biāo)刀套內(nèi)。進(jìn)行多次循環(huán)后，取出UC600串口存儲模塊中的SD卡對數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行觀察分析。

圖9 檢測裝置在ATC系統(tǒng)刀庫實(shí)驗(yàn)臺上實(shí)驗(yàn)

對比多次結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多次采集結(jié)果圖象非常一致，在此列出其中一次結(jié)果進(jìn)行分析。圖10為用Matlab對檢測裝置在其中一個(gè)目標(biāo)刀套采集的數(shù)據(jù)繪制的結(jié)果圖。

圖10 目標(biāo)刀套檢測結(jié)果圖

從圖10中數(shù)據(jù)結(jié)果圖上看出，一次循環(huán)中共有四次力值的波動(dòng)，為加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力與插刀力檢測裝置在一次換刀循環(huán)中2次拔刀力和2次插刀力曲線。圖10中a是ATC系統(tǒng)機(jī)械手從刀套上拔刀過程中拔刀力的曲線；圖10中b是ATC系統(tǒng)機(jī)械手將檢測裝置插入主軸過程時(shí)檢測的插刀力的曲線；圖10中c是ATC系統(tǒng)機(jī)械手將檢測裝置插入主軸之后停頓1.4～1.6s的過程，圖中受力為負(fù)，表明ATC系統(tǒng)機(jī)械手夾住刀柄（檢測裝置）并對刀柄有一個(gè)向上的擠壓趨勢，刀柄處于受壓狀態(tài)；圖10中d是ATC系統(tǒng)機(jī)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(fā)明中試驗(yàn)的ATC系統(tǒng)機(jī)械手兩臂不在一個(gè)水平面上，導(dǎo)致對刀柄施加的壓力更大；圖10中e是ATC系統(tǒng)機(jī)械手將刀柄插入ATC系統(tǒng)刀庫的目標(biāo)刀套中的過程。

對加工中心機(jī)械手從刀庫拔刀時(shí)的短時(shí)間范圍圖象進(jìn)行放大觀察，想當(dāng)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?shù)膍段（如圖12）受到目標(biāo)刀套內(nèi)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f段；鋼鎖球向外到達(dá)最大位置時(shí)，此時(shí)鋼鎖球與刀柄前端拉釘?shù)膋段（如圖12）的圓柱面接觸并擠壓拉釘，這段時(shí)間內(nèi)鋼球與拉釘之間只有摩擦力，對拉釘?shù)牧χ当容^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?shù)膋段（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h段。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果圖象表明，機(jī)械手拉刀力峰值約為78.67kg，刀柄受力過程持續(xù)時(shí)間約為80ms。

圖11 從目標(biāo)刀套拔刀過程受力變化圖

圖12 拉釘中與剛鎖球接觸區(qū)示意圖

對加工中心機(jī)械手加工中心ATC系統(tǒng)的刀庫插刀時(shí)的短時(shí)間范圍圖象進(jìn)行放大觀察，想當(dāng)于將圖10中e部分局部放大，如圖13所示。可以看出整個(gè)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j部分受到目標(biāo)刀套內(nèi)鋼鎖球的阻擋，測力傳感器受較大壓力；鋼鎖球向外到達(dá)最大位置時(shí)，鋼球與拉釘k段的圓柱面接觸并擠壓拉釘，這段時(shí)間內(nèi)鋼鎖球與拉釘之間只有摩擦力，對拉釘?shù)牧χ当容^?。蛔詈箅A段鋼球與拉釘m段接觸，相當(dāng)于給拉釘拉力。

圖13 從目標(biāo)刀套插刀過程受力變化圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，機(jī)械手插刀力峰值約為64kg，刀柄受力過程持續(xù)時(shí)間約為80ms，這與上文中拔刀過程時(shí)間一致。

4 結(jié)論

研制的加工中心ATC系統(tǒng)拔刀力檢測裝置經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該檢測裝置結(jié)構(gòu)合理、信號穩(wěn)定、精度高，能夠很好的檢測加工中心ATC系統(tǒng)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(tǒng)拔刀力檢測裝置檢測加工中心ATC系統(tǒng)的拔刀力與插刀力的變化來為ATC系統(tǒng)的故障作出預(yù)警，給加工中心ATC系統(tǒng)的故障診斷、故障監(jiān)控和預(yù)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(shù)據(jù)來源。

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（編輯 李秀敏）

The Development of Toll-pulling Force Detection Device of ATC System for Machining Centers

LIGuo-fa，ZHOU Xing-ping，YANG Zhao-jun，XIEWei-de，ZHOU Chuan-yang，DONG Jing-hua，HUO Yong-chao
（Key Laboratory of CNC Equipment Reliability Technique of Machinery Industry，Jilin University，Changchun 130025，China）

；When machining centers ATC system fault diagnosis，fault monitoring and performance evaluation and early warning，toll-pulling force of machining centers’ATC system is an important feature of the signal to be detected.However，there is no complete sensor or detection device in this regard，and therefore the development of toll-pulling force detection device of machining centers ATC system has a very important significance for the reliability study of machining centers ATC system.According to the characteristics of the structure about Machining centers ATC system，using force sensor concerning resistance strain gauges type，by opening hole in modified shanks and fixing modified shanks together using thread column of force sensor and putting circuit parton the modified shanks，successfully developed toll-pulling force detection device of machining centers ATC system.Applying detection device to reliability test-bed experiments of machining centers ATC system，the experimental results show that toll-pulling force detection device of machining centers’ATC system is structure-reasonablesignal stability，high precision，and it can be used to enhance the reliability of the experiment of machining centers ATC system.

；ATC system；toll-pullingforce；detection device；experiment

TH16；TG233

A

1001-2265（2015）05-0145-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.041

2014-09-17；

2014-10-30

吉林省特色產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)項(xiàng)目″數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件系列可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的研制″（20130302009GX）

李國發(fā)（1970—），男，吉林農(nóng)安人，吉林大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)控裝備可靠性技術(shù)及理論，（E-mail）ligf@jlu.edu.cn；通訊作者；周興平（1990—），男，湖北黃石人，吉林大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榧庸ぶ行逆準(zhǔn)降稁燧d荷特性的試驗(yàn)研究，（E-mail）xpzhouview@sina. com。