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(jī)械工程學(xué)院，南京 210094;2.陜西秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司秦川發(fā)展研究院，陜西寶雞 710300）

0 引言

刀庫及機(jī)械手是加工中心的重要組成單元，主要由刀庫和機(jī)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(jī)械手自動(dòng)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(dòng)刀具進(jìn)行切削作業(yè)。鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手具有刀庫容量大的優(yōu)點(diǎn)，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?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手自動(dòng)化程度高、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜且與加工中心配套工作，其可靠性對(duì)保障其加工任務(wù)而言非常關(guān)鍵，在整個(gè)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?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手在使用過程中換刀時(shí)間短、頻率高，從而對(duì)其可靠性提出了很高的要求。從掌握現(xiàn)有刀庫機(jī)械手的可靠性水平、提高刀庫及機(jī)械手的可靠性的角度，研發(fā)刀庫及機(jī)械手可靠性試驗(yàn)裝置非常必要。由此，針對(duì)大型加工中心常用的鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手，提出一種鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手的可靠性試驗(yàn)裝置，對(duì)其試驗(yàn)臺(tái)、系統(tǒng)構(gòu)成、機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)控系統(tǒng)與試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

臺(tái)灣吉輔B5002-040VH0E型鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手自動(dòng)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(shí)間都為5.5s，刀庫及機(jī)械手的所有動(dòng)力源皆為油壓。利用模擬主軸實(shí)現(xiàn)換刀過程，利用特定傳感器全面檢測(cè)鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手的換刀位置精度和振動(dòng)特性、是否掉刀、刀具的定位精度、振動(dòng)以及工況噪聲等參數(shù)，用來進(jìn)行刀庫及機(jī)械手的故障模式分析與可靠性評(píng)估。

試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)包括:鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手、模擬主軸、試驗(yàn)臺(tái)架、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)臺(tái)，包括底座、鏈?zhǔn)降稁?、刀具、機(jī)械手動(dòng)力及傳動(dòng)模塊、機(jī)械手、主軸模塊、固定架、試驗(yàn)臺(tái)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?zhǔn)降稁旃潭ò惭b在底板上，刀具設(shè)置在鏈?zhǔn)降稁斓牡段簧喜⒂涉準(zhǔn)降稁斓霓D(zhuǎn)動(dòng)來到達(dá)換刀位置，機(jī)械手動(dòng)力傳動(dòng)模塊固定安裝在底板上并與鏈?zhǔn)降稁煜喙踢B，機(jī)械手設(shè)置在機(jī)械手動(dòng)力傳動(dòng)模塊上并在機(jī)械手動(dòng)力傳動(dòng)模塊帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、橫向平移和縱向平移，實(shí)現(xiàn)抓刀、拔刀、換刀和裝刀動(dòng)作;試驗(yàn)臺(tái)架固定安裝在地面上，固定架固定安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，固定架上固定安裝有主軸模塊;在機(jī)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(cè)機(jī)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(jī)械手的手抓軸心相對(duì)的第一位移傳感器，用于檢測(cè)機(jī)械手把刀具安裝到主軸模塊過程中裝刀點(diǎn)處是否掉刀和裝刀點(diǎn)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(jī)械手的另一手抓軸心相對(duì)的光電開關(guān)，用于檢測(cè)機(jī)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?zhǔn)降稁斓膿Q刀刀位軸心正對(duì)的第三位移傳感器，用于檢測(cè)機(jī)械手在抓刀和拔刀過程中是否掉刀和抓刀點(diǎn)的位置信息，見圖2。

圖2 鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)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(jìn)行。模擬主軸可以實(shí)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(shí)現(xiàn)模擬主軸立臥轉(zhuǎn)換，在固定架上設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)模擬主軸的立臥轉(zhuǎn)換。模擬主軸實(shí)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行I/O定義;PLC采用記憶式隨機(jī)選刀方式，完成刀具表的程序設(shè)計(jì)，同時(shí)以就近選刀為原則，設(shè)計(jì)刀庫自動(dòng)選刀程序用來控制刀庫自動(dòng)選刀和機(jī)械手自動(dòng)換刀等一系列動(dòng)作，使換刀動(dòng)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(jī)交流界面發(fā)出換刀指令，計(jì)算機(jī)通過VB程序來實(shí)現(xiàn)換刀指令的發(fā)送與反饋。自動(dòng)換刀系統(tǒng)根據(jù)PLC的指令進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)，安裝在刀庫上的傳感器可以將各種動(dòng)作信號(hào)反饋至PLC。自動(dòng)換刀系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)將故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在故障數(shù)據(jù)庫。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)

鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)進(jìn)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(guó)PCB加速度傳感器，分別用于檢測(cè)機(jī)械手在平移過程和旋轉(zhuǎn)過程中的加速度;采用德國(guó)巴魯夫光電接近開關(guān)，用于檢測(cè)機(jī)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(cè)機(jī)械手把刀具安裝到主軸模塊過程中裝刀點(diǎn)處是否掉刀和裝刀點(diǎn)的位置信息;第二位移傳感器采用美國(guó)PCB電渦流傳感器，用來檢測(cè)機(jī)械手在抓刀和拔刀過程中是否掉刀和抓刀點(diǎn)的位置信息。

圖5 可靠性試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)

4 可靠性試驗(yàn)方法

結(jié)合鏈?zhǔn)降稁斓膿Q刀過程，分析其換刀過程中可能出現(xiàn)的故障，主要有機(jī)械手故障、刀庫故障、液壓故障，詳細(xì)見表1。

表1 鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手的常見故障

圖6 可靠性試驗(yàn)及檢測(cè)流程圖

依據(jù)分析的鏈?zhǔn)降稁斐Ｒ姽收?，采取了如下圖所示可靠性試驗(yàn)方法:

可靠性試驗(yàn)裝置換刀檢測(cè)流程框圖如圖6所示，具體給出以下試驗(yàn)步驟。

(1）鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手FANUC數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，模擬主軸準(zhǔn)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?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)裝置中機(jī)械手的動(dòng)作過程用階段a-g表示，整個(gè)取刀裝刀過程及檢測(cè)說明如下:

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

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

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

4）機(jī)械手6在機(jī)械手動(dòng)力及傳動(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)過程中的加速度進(jìn)行檢測(cè);

5）機(jī)械手6在機(jī)械手動(dòng)力及傳動(dòng)模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動(dòng)，直到其手爪圓弧中心運(yùn)動(dòng)到裝刀點(diǎn)，并與主軸軸線對(duì)齊;此時(shí)通過第一位移傳感器12對(duì)手爪上的刀具位置信息進(jìn)行精密檢測(cè)，在此過程中通過三軸加速度傳感器對(duì)移動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行檢測(cè)。

6）機(jī)械手6在機(jī)械手動(dòng)力及傳動(dòng)模塊的作用下沿著箭頭方向縱向向內(nèi)移動(dòng)，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(duì)移動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行檢測(cè)。

7）機(jī)械手6在機(jī)械手動(dòng)力及傳動(dòng)模塊的作用下沿箭頭方向橫向移動(dòng)，直到其回到初始位置1，整個(gè)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(duì)移動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行檢測(cè)。

圖7 換刀動(dòng)作檢測(cè)示意圖

(3）完成試驗(yàn)后，傳感器將所測(cè)得數(shù)據(jù)及時(shí)傳送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。依據(jù)威布爾分布處理實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制及檢測(cè)系統(tǒng)等方面介紹了一套鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手可靠性試驗(yàn)裝置。此外還通過對(duì)其常見故障現(xiàn)象及原因的分析，詳細(xì)說明其可靠性測(cè)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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