刀庫專用測試臺的設(shè)計

張中明，吳曉蘇，陳加明

(杭州職業(yè)技術(shù)學院數(shù)控機床維修中心，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。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上進行的，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強度大、測試困難以及難以精確調(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專業(yè)的刀庫測試臺，以方便工作人員在維修過程中對刀庫施加各類激勵信號并根據(jù)刀庫的動作響應(yīng)情況進行相應(yīng)的維修或調(diào)整。

1 總體方案設(shè)計

根據(jù)某維修中心對大量刀庫設(shè)備的維修情況來看，維修工作者對理想測試臺功能需求可以分成兩個層面來進行歸納:第一個層面是基本功能，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)等單項功能測試;第二個層面可以包括刀盤的尋位時間測試 (精度為ms)、電機溫升測試以及刀庫整體功能測試等。顯然，第二個層面比第一層面更復(fù)雜和精確。這兩個方面功能的研究和設(shè)計對于刀庫設(shè)備的專業(yè)檢測和維修十分重要。

1.1 對象描述

立式加工中心的圓盤式刀庫大多數(shù)采用普通異步電機控制刀盤旋轉(zhuǎn)，位置計數(shù)通常采用接近開關(guān)［1］。對于這樣一類設(shè)備機構(gòu)，需要對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)上可以將其分為運動部件和測量點兩個部分，這里的運動部件可以分為3個有機組成部分:第一是刀盤部分，該設(shè)備是由能夠順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的刀盤以及電動機組成，電動機通過渦輪和蝸桿嚙合方式驅(qū)動刀盤運動;第二是刀臂部分，這是一個專用機械手，其電動機通過齒輪嚙合方式來控制刀臂的一系列動作;第三部分是刀套，這是用于存放刀柄的裝置，其傳動機構(gòu)是雙作用氣缸。信號測量點主要包括原點信號PS_R、數(shù)刀定位PS_C以及刀套位置信號(PS_U和PS_D)等，這些信號是通過接近開關(guān)采集并輸入到控制器內(nèi)部的。支撐座通過螺栓與機床或測試臺的立柱進行連接。

圖1 24工位圓盤刀庫示意圖

1.2 參數(shù)分析

通過上述對刀庫的定性分析，這里可以進一步列出運動部件和測量點的元件詳細的型號與參數(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機進行驅(qū)動，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，這里也列出了傳動比;刀套采用的是雙作用氣缸，行程為150 mm，導氣管內(nèi)徑為10 mm;測量點全部采用了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的可編程控制器、輔助電氣元件以及接口電路設(shè)計提供了依據(jù)。

表1 刀庫設(shè)備測量和控制信息

1.3 總體設(shè)計方案

總體設(shè)計方案是基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的。雖然個人計算機、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)議進行互連，因此，這里采用總線結(jié)構(gòu)方式對設(shè)計方案進行描述。

該總線結(jié)構(gòu)根據(jù)功能可以分為3個層次。最高層為開發(fā)層，它是由一臺或若干臺PC個人計算機組成，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)計和調(diào)試完畢后撤離，盡管如此，如果希望通過遠程監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場繪制實時曲線，則可以保留通信接口以實現(xiàn)對中下層設(shè)備的監(jiān)控。中間層為控制層，這是測試臺的核心組成部件，觸摸屏Tu_S是一種人機對話界面，主要用于顯示動態(tài)畫面或者接受啟動信號，可編程控制器PLC用于采集位置信號以及進行可動部件的控制，擴展A/D模塊主要用于采集電機溫升信號，該層部件可以緊密地安裝在一個可移動式工作臺上，以方便到現(xiàn)場任何一個地方進行快速信號連接、測試或調(diào)整。底層為刀庫設(shè)備，屬于被控對象。圖2是設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，圖中詳細標識了各部件之間的連接方式。

圖2 測試臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 主要環(huán)節(jié)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 刀盤電路設(shè)計

刀盤機械系統(tǒng)由支承結(jié)構(gòu)、傳動結(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)作為測試臺的數(shù)據(jù)采集和信號輸出設(shè)備，輸出形式為繼電器觸點，Q0.1和Q0.2為刀盤控制信號，為了延長該觸點的使用壽命，外部增加了2個對應(yīng)的微型繼電器R1與R2，線圈供電為DC 24 V;將其常開觸點串聯(lián)進接觸器線圈回路，并在線路上進行了互鎖，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，其供電電壓為AC 380 V;P_M為刀盤電機;采用星形連接，為了改善制動效果，這里增加了一個剎車控制模塊RE，其輸入回路取自電動機的一條相線U1與中性點 (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，該電壓施加到電動機尾部的剎車線圈B上，其工作狀態(tài)是:線圈得電時剎車片松開，電動機開始運行，線圈失電時剎車片鎖緊，電動機瞬時停止。電動機在運行過程中，通過聯(lián)軸器L、渦輪WO以及蝸桿TU驅(qū)動刀盤C_H的旋轉(zhuǎn)。QF是空氣開關(guān)，起短路或過載保護作用。

圖3 刀盤測量與控制回路

與刀盤控制相關(guān)的位置測量信號是數(shù)刀定位PS_C和原點定位PS_R脈沖信號，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為信號輸入端。

2.1.2 刀套電路設(shè)計

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

圖4所示為刀套測量與控制回路，這是一個由氣壓傳動、機械傳動、信號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)過氣動三聯(lián)件進行進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閥門，由可編程序控制器 (PLC)進行控制以使氣缸產(chǎn)生前進或后退的動作，通過換向機構(gòu)將動作轉(zhuǎn)化為刀套上升和下降的動作。刀套位置是否正確是由對應(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。氣動三聯(lián)件的調(diào)整:調(diào)節(jié)壓力時首先將調(diào)節(jié)手輪撥至調(diào)節(jié)位置，轉(zhuǎn)動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 刀臂機械手動作時序分析

刀臂機械手動作的測量與控制電路設(shè)計與刀盤有類似之處，這里不再詳述。這里僅僅分析刀臂機械手的動作時序。刀臂機械手在實際的加工中心上的動作可以描述為:三相異步電機帶動凸輪機構(gòu)，完成扣刀、交換刀具、機械臂回原點一系列動作［5］，這些動作都是在特定的數(shù)控機床中由程序執(zhí)行的。而此測試臺所采用的控制器與機床數(shù)控系統(tǒng)根本不同，為了將這些動作“復(fù)現(xiàn)”在測試臺上，這就需要測量刀臂在旋轉(zhuǎn)過程中的3個相關(guān)變量的關(guān)系，并將它們繪制成時序圖，為在測試臺上實現(xiàn)這些功能做好準備。

圖5是經(jīng)過測量后繪制的刀臂機械手動作時序圖。其中A_M是刀臂驅(qū)動電動機，G_B是齒輪箱，ARM是刀臂機械手。為了獲得扣刀、原點和剎車3個信號的時序關(guān)系，建議在這3個接近開關(guān)上連接邏輯分析儀器，然后用扳手轉(zhuǎn)動刀臂電機端點的手柄ROT，通過觀察邏輯分析儀，首先尋找到刀臂的原點位置，經(jīng)過測試，這實際上是一個比較小的區(qū)間;隨后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，使刀臂從“原點區(qū)域”旋轉(zhuǎn)1圈，在手工轉(zhuǎn)動過程中觀察并繪制出如圖5所示的時序圖。該圖是測試臺對刀臂進行正確控制的理論依據(jù)。

圖5 刀臂機械手動作時序圖

2.2 軟件功能設(shè)計

在軟件設(shè)計中，控制層代碼是用梯形圖編寫的，人機界面的設(shè)計為組態(tài)語言，兩者之間是在通信模式下實現(xiàn)對動態(tài)變量的訪問并將數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上的，功能設(shè)計是模塊化的［6］，這樣便于用戶維護、修改或擴充功能。其測試功能流程如圖6所示，程序開始運行后立即進入掃描模式，如果有功能鍵按下則立即進入相應(yīng)的處理。例如，當按下“刀盤測試”功能鍵，則進行刀盤的旋轉(zhuǎn)與尋位控制測試，以檢查與刀盤有關(guān)的運行特性，同時可以進行觸摸屏的動態(tài)數(shù)據(jù)和圖形顯示，然后進一步生成圖像曲線并生成數(shù)學模型，以此來評價刀盤的工作特性。以下通過1個實例來說明該測試臺的使用方法。

3 刀盤旋轉(zhuǎn)與尋位測試

此測試臺有5大功能，這里以“刀盤旋轉(zhuǎn)與尋位測試”為例來說明測試臺的1種應(yīng)用方法。該項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間變量進行數(shù)理統(tǒng)計，建立數(shù)學模型，通過樣本數(shù)據(jù)與模型分析來深入了解刀盤機構(gòu)可能存在的機械或電氣缺陷。以下討論刀盤旋轉(zhuǎn)的數(shù)學建模［7］過程。

3.1 識別問題

刀盤運轉(zhuǎn)狀況主要與電機運行、數(shù)刀定位脈沖和原點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估。尋位控制是指刀盤從某一個位置出發(fā)以正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)形式移動到另一個位置的運動過程，表征該運動過程的變量是時間，由于刀盤電機在啟動、制動、齒輪嚙合以及定位脈沖信號采集與控制等方面因素的影響，其尋位時間會發(fā)生微妙的變化，通過這些變化來檢查刀盤運行中可能存在的問題。

3.2 做出假設(shè)

這里假設(shè)刀盤從測試點開始運行到某一終點的運行時間與刀盤的位置變化可能存在如下的函數(shù)關(guān)系:刀盤運行時間t=f(x)，x為位置變化。為了檢測刀盤的運行特性，通常讓其以某個規(guī)定的位置為起點，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)運動，當每轉(zhuǎn)過一個由數(shù)刀脈沖確定的位置都會消耗一定的時間，轉(zhuǎn)過的位置數(shù)不同，所消耗的時間也不同，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間，由于刀盤具有24個工位，如果從數(shù)學的排列方式來進行逐一檢測，其檢測數(shù)量是將是 (224－1)，這個數(shù)量將是巨大的，顯然，這在時間和經(jīng)濟上都是不合理的。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)造的第一個原則是數(shù)量要合理，例如以10個左右為適宜;第二個原則是能夠滿足特定的測量要求。根據(jù)圓盤刀庫共有24個位置的幾何特點，其自變量的個數(shù)選擇應(yīng)考慮如下情況:

(1)等分點的檢測。選擇8、16和24為檢測劃分點;

(2)密集點的選擇。選擇典型偏差量為1、2、3、4、5;

(3)插補點的位置選擇10、20;

(4)測量位置的選擇。從1、8和16的3個典型位置開始;

(5)因特殊檢測，可以從任意一個點開始進行增補測量。

因此，這樣就形成了如下10個自變量，分別標記為:

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，在測試臺上對刀盤進行運動狀態(tài)測試，測試結(jié)果如表2所示。可以看出:這里一共進行了10次測試，字母D后面跟的是偏移量，例如D5表示從當前位置正轉(zhuǎn)5個位置，由數(shù)刀脈沖傳感器確認其計數(shù)狀態(tài)，運行持續(xù)時間單位為ms。圖7為根據(jù)表格內(nèi)容繪制的散點圖，通過該圖可以求得其數(shù)學模型，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)運動散點圖

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4個模型進行線性回歸可以得出如下4組解:

通過計算后發(fā)現(xiàn)4種數(shù)學模型的R2值都比較大(接近于1)，顯示出很強的相關(guān)性，但是相比之下，式 (5)的R2值為0.992 6，是4個值中最大的，所以式 (5)為所求的數(shù)學模型。該模型的機械意義:從原點出發(fā)，在D1～D10之間選取10個檢測點并依次運行，其刀盤的偏移量P與運行時間t之間呈現(xiàn)3次型多項式關(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行特性。

3.4 驗證模型

模型驗證可以通過圖7進行觀察，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，表明該測量點可能存在機械配合或電氣測量方面的問題，這是刀盤機構(gòu)需要調(diào)整的依據(jù)。

3.5 實施模型、參數(shù)修正與建模意義

剛才的模型只是從原點“1”出發(fā)所進行的10個數(shù)據(jù)采樣后所形成的數(shù)學模型，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“8”和“16”出發(fā)繼續(xù)進行模型的實施，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)部分會有一定的差別，這也是模型修正的一部分。數(shù)學建模的意義在于通過比較少的試驗次數(shù)可以獲得較多的過程信息，據(jù)此可以進一步發(fā)現(xiàn)刀盤中一些隱匿比較深的故障點。

4 結(jié)束語

目前，機械故障診斷［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端隔離開來并且接入到專用測試臺，這樣可以對刀庫進行專門的測試，其優(yōu)點是對原加工中心設(shè)備沒有附加影響;另一方面，通過測試臺對刀庫發(fā)出各類動作指令或接受刀庫發(fā)回的狀態(tài)信號，這對于刀庫機構(gòu)調(diào)整環(huán)節(jié)是非常重要和有效的。刀庫測試臺的研究、設(shè)計和應(yīng)用過程都充分汲取了現(xiàn)場工作人員的集體智慧，為某學院數(shù)控機床維修中心更好地開展刀庫設(shè)備的專業(yè)測試、調(diào)整和機床維修提供了很好的技術(shù)支持。

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