一種鏈式刀庫可靠性試驗方法及狀態監測系統與流程
2023-10-06 10:17:54
本發明屬於數控工具機可靠性技術領域，具體涉及一種加工中心鏈式刀庫的可靠性試驗方法及其狀態監測系統。
背景技術：
刀庫為加工中心切削加工過程中提供儲刀、換刀功能，是加工中心的關鍵功能部件之一。由於在加工中心各功關鍵能部件中，刀庫及其機械手的故障比例最大，其可靠性在加工中心整機可靠性中具有舉足輕重的作用。目前工具機上有15％左右的故障都與之有關，可以說刀庫是加工中心的可靠性薄弱環節，因此開展加工中心關鍵部件的可靠性試驗，在刀庫運行過程中對其運行各參數進行在線實時監測，在故障發生前做好維修的準備，或者在故障發生前維修好關鍵部件，避免故障的發生是非常有意義的工作。
現有技術中刀庫可靠性試驗系統較多採用位移傳感器及加速度傳感器，監測抓刀與拔刀點位置，從而判定是否抓刀準確，刀庫是否故障。通過重複的換刀,進行可靠性試驗,試驗周期長、成本高，監測故障模式單一，精度不高。
經對現有技術的文獻檢索發現，在中國專利CN 102507231 A公開了一種鏈式刀庫及機械手可靠性試驗裝置及其方法，可以對刀庫及機械手進行換刀試驗，並記錄刀庫工作狀態的加速度及位移數據。但是它的不足之處在於：僅能監測掉刀、卡刀等有限的故障模式，且監測的狀態參數單一；且缺乏明確的可靠性試驗方法，僅能進行重複換刀，不能模擬真實工況下的多種狀態。中國專利CN 203936712U公開了一種鏈式刀庫可靠性試驗裝置，通過雷射幹涉儀對臥式刀庫運動時的振動模態測試，通過振動測量儀對待測刀庫機械手換刀及復位的位置進行定位精度及重複定位檢測。但是它的不足之處在於：沒有具體的可靠性試驗方法，且僅能檢測振動及定位精度，可檢測的參數較單一。
技術實現要素：
針對現有技術中的技術缺陷，本發明提供一種鏈式刀庫狀態監測系統，克服現有可靠性試驗裝置檢測參數單一、故障診斷不精確的局限，並提出一種鏈式刀庫可靠性試驗方法，實現刀庫實時狀態的精確且全面的監測與數據記錄，完成精確地故障診斷，並通過採集的故障數據對鏈式刀庫及機械手的可靠性進行評估。
為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現：
一種鏈式刀庫可靠性試驗方法，包括以下步驟：
步驟1：刀庫狀態檢驗：包括安裝規定刀具和進行既定功能檢驗；具體地，安裝規定刀具包括最大重量、最大刀具重力矩、最大長度及最大直徑的刀具；功能檢驗包括刀倉正反轉檢驗、氣缸推刀回刀檢驗、刀倉交換刀具檢驗、機械手換刀檢驗、機械手抓刀檢驗及系統對數據自動記錄檢驗；
步驟2：最大刀具重量刀具交換試驗：刀庫僅裝入滿足最大刀具重量的刀具，進行刀具自動交換試驗，刀具在每個刀套自動重複交換次數不少於五次；
步驟3：故障自動監測子系統監測刀庫及機械手的運行狀態，進行數據記錄以及故障診斷；若系統發生故障，則進行維修；若無故障，則繼續下一步；
步驟4：相鄰刀套空刀條件下最大刀具直徑的刀具交換試驗：在刀庫相鄰刀套空刀的刀位上，裝入滿足相鄰刀套空刀條件下最大刀具直徑的刀具，進行刀具自動交換試驗，交換次數不少於五次；
步驟5：重複步驟3；
步驟6：相鄰刀套裝刀條件下最大刀具直徑的刀具交換試驗：在刀庫相鄰刀位上，裝入滿足相鄰刀套裝刀條件下最大刀具直徑的刀具，進行刀具自動交換試驗，交換次數不少於五次；
步驟7：重複步驟3；
步驟8：最大刀具重力矩刀具交換試驗：刀庫僅裝入滿足最大刀具重力矩的刀具，進行刀具自動交換試驗；刀具在每個刀套自動重複交換次數不少於五次；
步驟9：重複步驟3；
步驟10：運轉噪聲試驗：刀庫中裝滿刀具，其中，滿足最大刀具重量、相鄰刀套空刀條件下最大刀具直徑、相鄰刀套裝刀條件下最大刀具直徑、最大刀具重力矩的刀具至少各有一把，分別進行刀具自動交換試驗；在距離刀具自動交換裝置1m遠的位置，進行噪聲測量；
步驟11：重複步驟3；
步驟12：最大刀庫容重刀具交換試驗：刀庫裝滿刀具，其中，每一把裝入的刀具都不超過最大刀具重量、相鄰刀套裝刀條件下最大刀具直徑、最大刀具重力矩的允許值，同時，裝入的刀具的總重量達到最大刀庫容重；驅動刀庫進行自動選刀及刀具自動交換試驗，每個刀位的刀具自動交換次數不少於10次；
步驟13：重複步驟3；
步驟14：試驗結束。
優選地，在進行鏈式刀庫可靠性試驗時，每個刀位都進行轉位、抓刀動作；轉位動作包括正反向的連續順序轉位和不等位轉位。
在進行鏈式刀庫可靠性試驗連續運轉1-2小時後，停止運行15-30分鐘；在停止運行的時間內，對試驗系統進行維護；維護項目至少包括對機械結構進行潤滑，對螺栓進行緊固，對電路接線進行緊固。
本發明為實現上述試驗方法提供的一種鏈式刀庫狀態監測系統，包括刀盤子系統A和控制子系統C，所述的刀盤子系統A承載待檢測刀庫，還包括換刀機械手子系統B，換刀機械手子系統B對刀盤子系統A中的待檢測刀庫進行換刀動作；
還包括故障自動監測子系統D，故障自動監測子系統D包括布置在各子系統之中的傳感器和數據採集系統；
所述的控制子系統C內嵌於工控系統中，對上述各子系統進行實時控制、數據分析與存儲。
所述的刀盤子系統A包括氣泵1、氣缸2、刀盤支撐結構件3、伺服電機4和待檢測刀庫5，其中，氣泵1與氣缸2通過氣動管路連接，氣缸2操縱待檢測刀庫5中的刀具進行推刀和回刀動作；
所述的刀盤支撐結構件3對待檢測刀庫5進行支撐；
所述的伺服電機4安裝在待檢測刀庫5的上後方，通過行星減速機構驅動待檢測刀庫5的鏈輪進行選刀；伺服電機4選用伺服控制器，精確控制刀倉伺服電機的位置、轉速和轉矩；
可選地，所述的待檢測刀庫5為分離式鏈式刀庫。
所述的換刀機械手子系統B包括虛擬主軸6、機械手支撐結構件7、減速電機8和機械手9，其中，機械手支撐結構件7對各部件進行支撐固定，減速電機8通過鏈傳動驅動機械手9進行換刀動作，減速電機8與電機支撐架10固連；
所述的虛擬主軸6對機械手9換刀動作帶來的刀具的刀柄進行夾持，代替真實數控加工中心的主軸，虛擬主軸6與鏈式刀庫支架固連，並通過待檢測刀庫5上粗裝配加工的豎直通孔進行豎直平面內的微調，虛擬主軸6通過頂絲在水平方向進行微調；在虛擬主軸6位置調節完成後，通過定位銷進行固定；
在機械手9進行換刀動作時，減速電機8提供的動力通過彈性聯軸器11傳遞到傳動軸12上；傳動軸12將動力傳遞到鏈輪16上，鏈輪16通過螺紋連接安裝到傳動軸12上，通過將鏈輪套左側8個螺釘依次旋緊，鏈輪16通過鏈條把動力最終傳遞到機械手9上。
所述的控制子系統C內嵌於電控櫃19的工控系統中，並以觸控螢幕18作為控制終端，與實驗員進行交互；
所述的控制子系統C包括下位機、上位機和資料庫。
所述的故障自動監測子系統D包括但不限于振動傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、噪聲傳感器、氣壓傳感器、三軸加速度傳感器、光電傳感器，對整個系統運行信號進行監測，監測信號包括但不限於機械手和刀盤電機的溫度、噪聲、氣壓值、電壓、電流、刀盤和機械手的振動信號以及判斷是否掉刀的高低電平信號。
所述的故障自動監測子系統D通過LabView軟體進行多通道、多傳感器數據採集，採集到的信號經過數據採集卡，匯總到NI compact RIO測試平臺；通過信號分析與處理模塊將信號數據進行分析、處理，以文字、圖表的形式將刀庫運行狀態反饋給實驗員；信號分析與處理模塊包括數據的調用打開、數據列表輸出、信號特徵量分析、信號圖形分析和分析結果的保存。
所述的故障自動監測子系統D的軟體系統對刀庫運行過程中的各種刀具換刀次數、刀倉正反轉的次數、刀庫運行狀態、運行時間、電機電流和電壓變化情況、故障數據狀況進行實時監測和記錄；通過對數據進行分析和處理，完成刀庫故障診斷；當判定鏈式刀庫及其機械手發生故障時，自動終止試驗並記錄故障數據。
本發明的優點和有益效果是：本發明是在實驗室條件下，模擬加工中心刀庫的換刀流程情況，實時監測刀庫的運行狀態，準確進行故障診斷，低成本、快速及準確地收集可靠性試驗數據。通過採集的故障數據對鏈式刀庫及機械手的可靠性進行評估，通過實驗室試驗暴露鏈式刀庫及機械手故障，找出刀庫的設計缺陷或薄軟環節，從而進行改進。由於省去了數控工具機實際工作中的加工環節，進行頻繁的換刀試驗，從而縮短了試驗周期，可快速及準確地獲取試驗數據。可見本發明用途廣泛，通用性強，節省了專用設備的成本投入，且操作簡單，具有很好的應用前景。
附圖說明
圖1為本發明的一種鏈式刀庫可靠性試驗方法流程圖
圖2為本發明的一種鏈式刀庫狀態監測系統總體框架圖(其中，實線為控制信號流，虛線為傳感信號流，雙箭頭為機械連接)
圖3為本發明的一種鏈式刀庫狀態監測系統的一種實施例
圖4為刀盤子系統的結構示意圖
圖5為換刀機械手子系統的驅動系統的結構俯視圖
圖6為換刀機械手子系統的驅動系統的結構示意圖
圖7為本發明所述的故障自動監測子系統的工作流程示意圖
圖8為本發明的故障自動監測子系統的軟體系統框架
圖中：
A、刀盤子系統 B、換刀機械手子系統 C、控制子系統 D、故障自動監測子系統 1、氣泵 2、氣缸 3、刀盤支撐結構件 4、伺服電機 5、待檢測刀庫 6、虛擬主軸 7、機械手支撐結構件 8、減速電機 9、機械手 10、電機支撐架 11、彈性聯軸器 12、傳動軸 13、變頻器 14、軸承 15、軸承套 16、鏈輪 17、鏈輪襯套 18、觸控螢幕 19、電控櫃
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
如圖1所述，本發明的一種鏈式刀庫可靠性試驗方法，包括以下步驟：
步驟1:刀庫狀態檢驗。包括安裝規定刀具和進行既定功能檢驗。具體地，在進行可靠性試驗前，在刀庫上安裝規定的刀具，包括最大重量、最大刀具重力矩、最大長度及最大直徑的刀具；所述的功能檢驗包括進行刀倉正反轉檢驗、氣缸推刀回刀檢驗、刀倉交換刀具檢驗、機械手換刀檢驗、機械手抓刀檢驗及系統對數據自動記錄檢驗；
步驟2:最大刀具重量刀具交換試驗。刀庫僅裝入滿足最大刀具重量的刀具，進行刀具自動交換試驗。刀具在每個刀套自動重複交換次數應不少於五次；
步驟3:故障自動監測子系統監測刀庫及機械手的運行狀態，進行數據記錄以及故障診斷。若系統發生故障，則進行維修；若無故障，則繼續下一步；
步驟4:最大刀具直徑(相鄰刀套空刀)刀具交換試驗。在刀庫相鄰刀套空刀的刀位上，裝入滿足最大刀具直徑(相鄰刀套空刀)的刀具，進行刀具自動交換試驗。對刀位有特殊規定的，應同時規定刀位進行試驗(交換次數不少於五次)；
步驟5:重複步驟3；
步驟6:最大刀具直徑(相鄰刀套裝刀)刀具交換試驗。在刀庫相鄰刀位上，裝入滿足最大刀具直徑(相鄰刀套裝刀)的刀具，進行刀具自動交換試驗。對刀位有特殊規定的，應同時規定刀位進行試驗(交換次數不少於五次)；
步驟7:重複步驟3；
步驟8:最大刀具重力矩刀具交換試驗。刀庫僅裝入滿足最大刀具重力矩的刀具，進行刀具自動交換試驗。刀具在每個刀套自動重複交換次數應不少於五次；
步驟9:重複步驟3；
步驟10:運轉噪聲試驗。刀庫中裝滿刀具，其中，滿足最大刀具重量、最大刀具直徑(相鄰刀套裝刀/空刀)、最大刀具重力矩的刀具應至少各有一把，分別進行刀具自動交換試驗。在距離刀具自動交換裝置1m遠的位置，進行噪聲測量；
步驟11:重複步驟3；
步驟12:最大刀庫容重刀具交換試驗。刀庫裝滿刀具，其中，每一把裝入的刀具都不超過最大刀具重量、最大刀具直徑(相鄰刀套裝刀)、最大刀具重力矩的允許值，同時，裝入的刀具的總重量達到最大刀庫容重。驅動刀庫進行自動選刀及刀具自動交換試驗，每個刀位的刀具自動交換次數不應少於10次；
步驟13:重複步驟3；
步驟14:試驗結束。
優選地，在進行上述試驗時，每個刀位都進行轉位、抓刀動作。轉位動作包括正反向的連續順序轉位和不等位轉位。
可選地，在上述試驗連續運轉1-2個小時後，停止15-30分鐘。在停止運行的時間內，對試驗臺進行維護。維護項目包括對機械結構進行潤滑，對螺栓進行緊固，對電路接線進行緊固等。
為實現上述鏈式刀庫可靠性試驗方法，本發明還提出了一種如圖2和圖3所示的鏈式刀庫狀態監測系統，包括刀盤子系統A、換刀機械手子系統B、控制子系統C和故障自動監測子系統D等子系統，其中，刀盤子系統A承載待檢測的刀庫，換刀機械手子系統B對刀盤子系統A中的待檢測刀庫進行換刀動作，故障自動監測子系統D包括布置在各子系統之中的傳感器和數據採集系統，控制子系統C內嵌於工控系統中，對其它各子系統進行實時控制、數據分析與存儲。
具體地，所述的刀盤子系統A如圖4所示，主要包括氣泵1、氣缸2、刀盤支撐結構件3、伺服電機4和待檢測刀庫5，其中，氣泵1與氣缸2通過氣動管路連接，氣缸2操縱待檢測刀庫5中的刀具進行推刀和回刀動作；所述的刀盤支撐結構件3對待檢測刀庫5進行支撐；所述的伺服電機4安裝在待檢測刀庫5的上後方，通過行星減速機構驅動待檢測刀庫5的鏈輪進行選刀。伺服電機4選用伺服控制器，精確控制刀倉伺服電機的位置、轉速和轉矩。所述的待檢測刀庫5為MDH系列分離式鏈式刀庫。
參照圖3可見，所述的換刀機械手子系統B主要包括虛擬主軸6、機械手支撐結構件7、減速電機8和機械手9等，其中，機械手支撐結構件7對各部件進行支撐固定，其箱式支撐設計能充分滿足鏈式刀庫與主軸換刀系統的可靠性試驗要求；減速電機8通過鏈傳動驅動機械手9進行換刀動作，該減速電機8帶自動剎車功能，方便機械手換刀後準確地回到原點；減速電機8通過四個螺栓連接到電機支撐架10上；
所述的虛擬主軸6對機械手9換刀動作帶來的刀具的刀柄進行夾持，代替真實數控加工中心的主軸，採用機械結構夾持刀套的結構，有效地模擬刀庫換刀過程。該虛擬主軸用螺栓直接固定在鏈式刀庫支架後面，並能通過在待檢測刀庫5上粗裝配加工的豎直通孔進行豎直平面內的微小調節，頂絲可以實現虛擬主軸6在水平方向的微小調節。在虛擬主軸位置調節完成後，通過配做定位銷的方式使之固定。
結合圖5及圖6所示，在機械手9進行換刀動作時，減速電機8提供的動力通過彈性聯軸器11傳遞到傳動軸12上。減速電機8由變頻器13驅動控制，變頻器13將根據機械手9所抓刀具的長度、重量的不同，來控制減速電機8的轉速，以實現機械手9使用不同速度抓取不同長度、重量的刀具的功能。考慮到不存在軸向力，傳動軸所採用的是一對深溝球軸承14。
優選地，所述的軸承14採用自帶密封圈結構，通過軸肩和彈性擋圈對軸承內圈進行定位，外圈的定位則依靠軸承套15，內外圈採用小過盈配合的方式安裝；傳動軸12將動力傳遞到鏈輪16上，鏈輪16通過螺紋連接安裝到傳動軸12上，通過將鏈輪套左側8個螺釘依次旋緊，鏈輪16通過鏈條把動力最終傳遞到換刀機械手9上。鏈輪襯套17內部的圓錐面向右移動導致收緊槽收縮，脹緊鏈輪的同時抱緊軸，傳遞扭矩。減速電機8的整體通過電機支撐架與換刀機械手支撐結構件相連接，所述的電機支撐架10在豎直面和水平面上各開有兩個長條孔，可以通過兩組長條孔實現兩個自由度的調整。
所述的控制子系統C內嵌於電控櫃19的工控系統中，並以觸控螢幕18作為控制終端，與實驗員進行交互；觸控螢幕18安裝在具有兩個360°旋轉關節的拐臂機構上，方便操作。所述的電控櫃19用於安裝控制電路，放置計算機顯示器、工控機和控制板等。所述的控制子系統C包括下位機、上位機和資料庫。下位機採用易於擴展、可靠性高且抗幹擾能力強的PLC。上位機選用了常用的工控機，方便進行PLC編程。控制子系統C採用ACCESS資料庫，對試驗數據進行存儲及方便的查詢。
所述的故障自動監測子系統D包括但不限于振動傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、噪聲傳感器、氣壓傳感器、三軸加速度傳感器、光電傳感器，對整個系統運行信號進行監測，包括但不限於機械手和刀盤電機的溫度信號、噪聲、氣壓值、電壓信號、電流信號、刀盤和機械手的振動信號以及檢測是否掉刀的高低電平信號等。
圖7為故障自動監測子系統D的工作流程。在刀庫可靠性試驗過程中，故障自動監測子系統D通過LabView軟體可實現多通道、多傳感器數據採集，採集到的信號經過數採卡，匯總到NI CompactRIO測試平臺。通過信號分析與處理模塊將信號數據進行分析、處理，以文字、圖表的形式直觀地將刀庫運行狀態反饋給操作者。信號分析與處理模塊主要包括數據的調用打開、數據列表輸出、信號特徵量分析、信號圖形分析和分析結果的保存等內容。
作為一種具體實施例，圖8給出了一種故障自動監測子系統D的軟體系統框架。該軟體系統可對刀庫運行過程中的各種刀具換刀次數、刀倉正反轉的次數、刀庫運行狀態、運行時間、電機電流和電壓變化情況、故障數據等狀況進行實時監測和記錄。通過對數據進行分析和處理，完成刀庫故障診斷。當判定鏈式刀庫及其機械手發生故障時，自動終止試驗並記錄故障數據。
上述實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式以及方法步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。