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硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 摘要 涨必y 2 0 6 0 8 8 0 加工中心已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志之一。而自动换刀装置是 整个加工中心的关键部件。根据调查显示，虽然近些年，我国自动换刀装置的生产水平 取得了长足的进步，但是和一些发达国家相比，还存在不小的差距，主要体现在可靠性 方面，并且可靠性低已经成为制约国产自动换刀装置竞争力的重要因素。因此，提高自 动换刀装置的可靠性水平对于提高加工中心整体的可靠性水平具有突出的意义。课题结 合国家科技重大专项“车铣复合加工中心用刀库及机械手可靠性设计及性能试验技术研 究”，针对自动换刀装置可能产生的可靠性故障，如刀库故障、机械手故障、电气故障 和液压故障等，设计了相应的可靠性试验台。通过电气系统的设计、控制系统的设计、 测试系统的设计和数据分析，搭建了一个完整的可靠性试验台，为可靠性的研究奠定了 基础。 通过深入研究试验台的功能，依照电气系统设计的规范，设计了试验台的电气原理 图，其中包括强电部分和弱电部分。根据整个系统所需的功率大小和电流大小，选择了 相应的电器元件，并在此基础上完成了整个电气系统的布局和安装。 结合整个自动换刀的功能要求和动作流程，选择了合适的数控系统和控制方式。利 用数控系统在随机选刀方面的优越性，编写了刀库的自动选刀程序。基于宏程序的简便 性，编写了机械手的自动换刀程序。最后通过现场调试，完成整个自动换刀的程序修改， 使其满足自动换刀的要求。 测试系统中分别设计了针对机械手和链轮的测试方案，并基于此方案通过p r o s i g 进行数据的采集。引入h i l b e n - h u a n g 变换对机械手在不同换刀速度下和不同抓刀数量 下的瞬态运动特性进行了研究，通过对比时频图和能量谱图，可知当机械手瞬时运动状 态发生改变时，相对应的瞬时频率和能量也将随之改变，因此可在一定程度上检测机械 手的运动故障和掉刀故障并能准确的定位发生的时刻。对链轮振动信号进行了互相关性 的e m d 去噪预处理和h i l b e n 变换，对比分析不同载荷和不同转速下链轮的边际谱，可 知当链轮周期旋转的条件变化时，频率和能量的分布也会产生变化，为链轮的早期探伤 和故障分析提出了一种有效的途径。 关键词：自动换刀装置，可靠性，p m c ，希尔伯特黄变换，互相关性e m d a b s 仃a c t硕士论文 a b s t r a c t m a c l l i m n gc e n t e ri sak e yf l a go fw e i g l l i n gac o u i l n y sm 锄u f a c n l r i n g1 e v e l m e a l l w h i l e ， a t ci sa 1 1i m p o r t a mc o m p o n e n to fm a c h i l l i n gc e n t e r a c c o r d i n gt os o m er e s e a r c h ，a l t h o u 曲 o u rc o u l l t 叫h a sa c l l i e v e da h u g ep r 0 铲e s si nd e v e l o p i n ga r ci np a s td e c a d e s ，t h e r ei s s t i l la 血l r i l a t i c a lg a pb e 帆e e no u rl l a ：t i o n 锄do v e r s e 嬲d e v e l o p e dc o u l l t r i e s ，m a i l l l yi nt l l ea r e ao f r e l i a b i l i 够b e s i d e s ，t h el o wr e l i a b i l i 够h 嬲r e g r e s s e dt ob eo n eo ft h e s ed e s 打u c t i v ee l e m e n t s t h a t 、础e nm ec o m p e t i t i o no fo u rs e i f m a n u f - a c t u r e da t c t h u s ，“i sar e m 破a b l e s i 盟i f i c a i l c et o e 1 1 h a u l c et h eo v e r a l lr e l i a b i l 毋l e v e lo fm a c m i l i n gc e n t e rb ym e a i l so f i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ) ro fa t c ar e l e v a n tr e l i a b i l i t ) r t e s t b e di sb u i l tu pf o l l o 、析n gt 1 1 e a i 】m y s i so fp o s s i b l er e l i a b i l i t ) rf a u l t i i la t c ，s u c ha sm a l l i p u l a 0 d rf 扎l t ，m a g a z i n et o o lf a u l t ， e l e c t r i c a lf a u l ta n dh y d i - a u l i cf i a u l tb a u s e do nm en a t i o r l a lm 萄o rs c i e n c e 锄dt e c h n o l o g yp r o j e c t “as t u d yo nr e l i a b i l 时d e s i 龃a i l dp e f f o m a i l c et e s to fm a g a z i n et o o l 锄dm a i l i p u l a t o ri n 1 r l u l l i n g - m i l l i n gc o m p o u i l dm a c h i i l i n gc e n t e r 1 1 l i sr e l i a b i l i 锣t e s t l ) e di sac o m p r e h e n s i v e t e s t b e dw 1 1 i c hc o n t a i l l se l e c t r i c a ls y s t e m ，c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t e s t i n gs y s t e ma n dd a t aa l l a l y s i s b yc o m b i i l i n ga l l i t sf o u ru n i t s ，as o l i dg r o u i l da i l de x p 幽e n te n v i r 0 i m l e n ta r ep a v e dt o d i s c u s st h ea t cr e l i a b i l i 够 a c c o r d i n gt 0t h e 如n c t i o no ft l l i st e s t b e d 锄dt l l ed e s i g ns t a l l d a n do fe l e c 仃i c a js y s t e m ，a s c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a 【1 1 1 i sc 跚i e do u t ，i n c l u d i n g 铆op a r t s ：s t r o n gc l m r e n ts y s t e ma r l dw e a k c u r r e n ts y s t e m a r e rc a l c u l a t i n gt l l ep o 、e r 锄dc u r r e n t ，e l e c t r i c a lc o m p o n e n t sa r es o r t e do u t a t l a s t ，t 1 1 el a y o ma n di n s t a u m e n to f l i se l e c t r i c a ls y s t e ma r ec o n d u c t e d a na p p r o p r i a ：t en u m e r i c a lc o m r o ls y s t e ma 1 1 dr e a s o n a b i ec o n t r o lm o d ei sf i x e db y c o n s i d e m gb o t l l t h e s e q u e n c eo fm o v e m e n ta n d 此f u n c t i o no fa t c d u et 0 舭s e s u p e r i o r i t i e so fn u m e r i c a lc o n 仃0 ls y s t e mi n l e 丘e l do f 瑚d o mt o o ls e l e c t i o n ，a i la u t o m a t i c t o o ls e l e c t i o np r o 铲a mb a s e do nm a g a z i n et o o li s c o m p i l e d t a k i n ga d v a l l t a g eo fi t s c o n v e n i e n c eo fm a c r o p r o g r 锄，a na l l t o m a t i ct o o lc h l g ep r 0 伊锄b a s e do nm a i l i p u l a t o ri s c o n l p o s e d s u b s e q u e n t l y ，a l i v ed e b u g g i n gi sp r o c e e d e ds oa st om e e tt h e 觚c t i o no f a c t t 、ot e s t i n gs c h e m e sa r ef i g u r e do ms e p a r a t e l yo nm a i l i p u l a t o ra n dc h a i nw h e e l ，t ：h e n d a t aa r ec o l l e c t e dt h i 0 u 曲p r o s i ga c c o r d i n g l y h i l b e n - h u a l l gt r a i l s f o 肌( h h t ) i s 缸r o d u c e dt 0s n j d yt l l et r a l l s i e n tm o t i o nf e a n l r eo fm 柚p u l a 幻ru n d e rt h ec o n d i t i o no fv a r i o u s t o o lc h 鲫g i n gs p e e da i l dd i & r e l l tn 啪b e ro ft o o l s f r o mt i m e - 能q u e n c yd i a g 捌na n d 自：q u e n y e n e r g yd i a g r a m ，i tc a nb ee a l s i l yt 0k n o wt l l a t 咖s i e n t 疔e q u e n c ya i l de n e 唱y 、访l l c h 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c ， r e l i a b i l i 饥p m c ， h h t ，c r o s sc o n e l a t i o ne m d i i i 硕士论文链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 l 绪论 1 1 引言 数控加工中心是配备有自动换刀装置的一类具有高度自动化和集成化的多功能数 控机床。工件在加工中心装夹完成后，数控系统能够控制机床按工序的不同，完成自动 换刀，按照程序自动调整刀具相对工件的运动轨迹、进给量和机床主轴转速以及其它辅 助功能，按顺序完成工件的多工序加工。并且可实现多种换刀和选刀方式，从而大大提 高了生产效率【l 圳。在加工中心中，自动换刀技术以缩短辅助加工时间为目标，同时考 虑加工中心其它方面的因素，以最短时间实现刀具交换【5 】。自动换刀装置是完成加工中 心快速稳定换刀的功能部件。 自动换刀装置( a u t o m a t i ct o o lc h a l l g 简称a t c ) 是指在加工中心中能够实现主轴 与刀库之间刀具交换的装置，主要包括刀库( t 0 0 lm a g a z i i l e ) 和换刀机构( t o o lc h a i l g e m e c i 戚s m ) 两部分p ，6 。刀库是存储加工所需刀具的装置。当需要进行换刀时，由换刀机 构从刀库中取出刀具并装入主轴刀孔中，然后将主轴使用过的旧刀具再送还到刀库中。通 过分析主轴与刀库刀座的相对位置，合理设计和安排换刀动作，使换刀机构能够完成刀库 中刀具与主轴上刀具的交换。其主要目的是为了缩短非切削时间，尽可能的提高生产效率 和降低生产成本，以此来提升整个加工中心的生产力水平【8 1 0 1 。因此，自动换刀装置已成 为加工中心的关键部件。目前市场上的自动换刀装置种类繁多，基本上都是按照不同生产 厂商的具体要求，独立设计以满足客户对自动换刀装置的不同使用要求【l l 】。在当前激烈 的市场竞争环境下，自动换刀装置的换刀时间和可靠性成为衡量加工中心性能的两个重 要指标i i2 。 1 2 自动换刀装置国内外发展现状 纵观自动换刀装置的发展史，1 9 5 6 年日本富士通成功的研制出数控转塔式冲床，同 年美国i b m 公司也成功的开发出了“a p t ( 刀具过程控制装置) ；两年后美国k & t 公 司创造性的研制出带有a t c ( 自动换刀装置) 的加工中心；1 9 7 8 年以后，带有a t c 装置 的加工中心得以迅速发展，至此迎来了机床发展的黄金阶段【1 3 1 4 1 。1 9 8 3 年国际标准化 组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式【1 5 】。目前 意大利、德国、瑞士、奥地利、日本等国家，在高端加工中心上成功实现了自动换刀装 置的运用，并取得了非常可观的实际效果。例如德国c h i r o n 公司生产的型号为 f z 0 8 s ，f z 0 8 w 加工中心( 机床) ，采用h s k 3 2 a 刀柄，刀库安装在主轴的周围并随主轴一起 l 绪论硕士论文 移动，每1 把刀具配有1 套换刀机械手，以此保证换刀时间的无损失，缩短刀对刀换刀时间 至o 5 秒，同时实现切屑对切屑换刀时间小于1 5 秒；意大利m c m c l o c k 公司生产的 6 0 0a u t o 加工中心，采用i s 0 4 0 ，h s k 6 3 刀柄，设计有1 个旋转工作台，通过同步工作台的回 转与换刀手臂，缩短切屑对切屑换刀时间至仅需2 秒【1 6 1 9 1 。 相比国外一些发达国家，加工中心在我国的研究起步比较晚，因此在自动换刀装置 方面的研究也相对落后。从2 0 世纪8 0 年代起，大连机床集团、北京机床研究所、济南 第一机床厂、沈阳机床集团等，都对自动换刀装置进行了探索与研究，并取得了一定的 成绩，如大连机床集团研发的某些自动换刀装置，其刀对刀换刀时间已经能够缩短在2 秒以内【1 3 】。并且国家、省、市，各部委也对研制开发具有自主知识产权的自动换刀装置 高度重视，并投入了大量的资金，包括2 0 0 9 年国家科技重大专项项目也对高档数控机 床的关键功能部件给予了立项，包括高性能的换刀机械手。 1 2 1 刀库国内外发展现状 刀库主要的功能是存储加工中心所需的刀具和在数控系统的控制下把换刀刀具准 确地送到取刀位置。目前国内外数控机床上带有的刀库主要分为以下三种：转塔式、圆 盘式和链式刀库【3 ，1 3 1 5 ，2 0 ，2 。 ( 1 ) 转塔式刀库 转塔式刀库主要分为垂直转塔头和水平转塔头。其特点是所有刀具固定的安装在同 一转塔上，没有换刀机械手，刀具存储数量有限，一般为6 8 把。通常用于轻便而简单 的钻削中心和车削中心。在钻削中心，其储刀位置就是主轴，不但外部结构紧凑，而且 内部构造复杂，因此对精度的要求比较高。 ( 2 ) 盘式刀库 刀库呈圆盘状，刀具沿盘面垂直分布( 包括轴向取刀和径向取刀) 、径向分布或成锐 角形式分布。其结构简单、分布紧凑，应用较广，但是由于刀具为单环分布，所以空间 利用率低，应用于刀具数量需求小于3 2 把的情况下。若采用刀具呈多环分布的刀库， 虽然空间利用率得以提高，但是又会使结构复杂，适用于空间受限制而对刀库容量又有 较大要求的加工中心。 ( 3 ) 链式刀库 链式刀库主要分为单环链和多环链，应用于对刀具数量要求较大的加工中心并且空 间利用率高。一般情况下可存储刀具3 0 1 2 0 把，通过增加链节数或串联、并联几个刀 库可以实现增加刀具数量的要求，这样既可以增加刀库的容量，又可以不增加圆周速度， 保证刀库的可靠性，增加相同的刀具存储量链式刀库增加的转动惯量明显小于盘式刀库 所引起的转动惯量的增加。刀库在启动和停止阶段，实现平稳的加减速，而在长距离的 运行过程中，保持匀速运动，这样既保持了较高的运动速度又保证了运行的平稳性。 2 硕士论文链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 1 2 2 换刀机构国内外发展现状 刀具交换方式基本分为以下两类：第一类是主轴换刀；第二类是机械手换刀。刀具 交换方式的合理选择不仅能够保证加工中心的可靠性还能提高生产率。采用主轴换刀方 式时，须先将刀具还回刀库，然后才能从刀库取刀，由于必须按照一定的顺序，因此换 刀比较费时。目前，机械手换刀应用最广，通过采用机械手实现换刀不仅增强了换刀的 灵活性，而且节约了换刀的时间。 换刀机构主要实现刀库与主轴之间刀具的交换，应具有换刀迅速、定位准确、运行 平稳和可靠性高等特点，其主要包括以下几类【3 ，1 3 彤，2 0 】： ( 1 ) 单臂机械手 单臂机械手可以分为单手式和双手式。其中单手式仅一端有机械手，并且机械手独 立完成所有的换刀动作，因此换刀步骤多而耗时，然而由于其结构简单，广泛应用于刀 库与主轴轴线平行或垂直的机床中。双手式两端各有一个机械手，可以同时或分步抓取 主轴和刀库中的刀具，然后回转1 8 0 。实现换刀。换刀时间短，通常用于刀库与主轴轴 线平行的加工中心。 ( 2 ) 双臂机械手 双臂机械手的每个手臂端各有一个机械手，因此可以实现类似于人手的动作，不仅 能够执行换刀还能完成搬运刀具的任务。 ( 3 ) 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手 送刀臂将所需刀具从刀库中取出并送到摆刀站，再通过摆刀站将刀具送到换刀位 置，最后换刀臂执行换刀动作，适用于远距离换刀的场合。 1 3 影响自动换刀装置可靠性的因素 自动换刀装置的组成结构比较复杂，同时包含有控制系统、电气系统、液压系统和 机械元件，每个独立系统的故障都能导致整个换刀动作的失败【2 2 ，2 3 1 。此外，换刀的动作 过程需要刀库与换刀机械手的协调配合，尤其是在空间的布局上，一定要经过多次的试 验保证位置偏差在允许范围之内。最后由于整个换刀动作的速度比较快，动作频繁，这 就对整个系统的联动具有较高的要求。根据有关现场经验总结和相关文献的查找，归纳 出影响自动换刀装置可靠性的因素如下：机械手故障、刀库故障、电气系统故障和液压 系统故障【2 牝7 1 。 1 3 1 机械手故障 机械手在整个换刀过程中动作环节最多，不仅要实现平移运动、旋转运动、插刀、 拔刀还有可能完成翻转运动。此外机械手运动的速度比较快，受的冲击比较大，例如机 械手旋转1 8 0 。实现刀具换位的阶段，整个过程在不到0 5 秒的时间内完成，因此启动 3 1 绪论硕士论文 和停止的加速度很大，相当于一个冲击载荷，对机械手的结构设计要求比较高。最后， 机械手的换刀动作是按一定顺序执行的，因此还需要考虑检测元件、驱动元件等对机械 手故障的影响。综上所述，机械手故障主要体现在以下方面： ( 1 ) 机械手运动故障 机械手的运动故障是多方面的原因引起的，其主要故障原因包括软件设计不合理导 致的机械手未按规定换刀路径行走；检测装置故障造成的机械手不动作；液压动力不足 而未能驱动机械手动作；机械手运动副存在较大的摩擦导致运转不动或有异物堵塞致使 运转不畅等。 ( 2 ) 拔刀和插刀故障 机械手在拔刀和插刀时容易引起掉刀现象，造成机械手无法顺利完成装刀和卸刀的 主要故障原因有刀座孔和机械手的过渡磨损；动力装置的动力过大导致机械手无法正常 拔刀或动力撤出较早，导致机械手无法抓稳刀具等。 ( 3 ) 机械手旋转和翻转过程中的掉刀故障 机械手旋转和翻转过程中，偏心力比较大，并且刀具的也比较重，一般在2 0k g 以 上，因此容易出现甩刀现象，归纳的主要原因如下：机械手结构中弹簧的弹性系数下降 造成的加持力不足；机械手抓刀次数过多导致刀爪过渡磨损；机械手由于抓刀时存在位 置偏差，未能抓稳。 1 3 2 刀库故障 刀库整体的载荷比较大，若刀库容量为6 0 ，则在满载的情况下，刀库的承载将超过 一吨，转动惯量比较大、振动也比较明显；由于刀库的选刀是随机的，所以刀库经常出 现偏载的情况并且刀库采用就近原则选刀，刀库要不停的实现正反转，因此很容易导致 以下几个故障： ( 1 ) 刀库到位不准 控制系统未给或未能发送正确的指令给驱动装置，致使驱动装置没有反应或误反 应；检测机构故障或安装有误；机械传动部件的磨损；由于惯性和偏心载荷的双重影响 导致“刹车 的过冲；刀库内存在异物，导致刀库卡死等。 ( 2 ) 刀库的振动和卡死 初始安装时机械装配精度低或装配不合理；刀库严重偏载或过载；在链式刀库中链 条长时间使用会造成链节距增大进而导致链条松动；链节阻力增大。 ( 3 ) 选刀故障 目前，由于随机选刀方式的选刀时间短、效率高，因此在大多数加工中心中都采用 此种选刀方式。当系统接收到选刀指令时，p l c 根据当前刀具号和目标刀具号的位置关 系，给驱动装置发出指令，将目标刀具旋转至取刀位置。造成选刀故障的原因主要有： 4 硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 系统软件的编程不合理导致动作间的相互干扰，或受外界干扰导致信息的丢失；初始安 装刀具时，刀具摆放在错误的刀套中；换刀结束后，刀具表未能及时更新或在运行过程 中，突然断电造成的记忆失败。 1 3 3 电气系统故障 自动换刀装置的电气系统基本上都带有强电电路和弱电电路，强电电路容易造成弱 电电路的电磁干扰，造成电器元件失灵。然而强电电路和弱电电路本身的线路也比较复 杂，组成电路的电器元件数目和种类繁多，因此无论哪一环或哪一个电器元件的故障都 将导致整个电气系统的故障。 ( 1 ) 位置检测故障 数控系统通过接收到位信号和发送指令来实现换刀。如果系统未能收到正确的到位 信号或没有信号传回系统，都将导致换刀的失败，因此，对电气线路的连接有较高的要 求，并尽可能的避免电器元件之间的电磁干扰。此外，传感器的安装精度和自身的可靠 性都将影响信号的质量【2 引。 ( 2 ) 电气控制线路故障 电气控制线路的故障主要是由于设计的不合理、电器元件型号的选择不当、频繁的 使用和使用寿命的缩短造成电器元件烧毁、线路接触不良或承载能力不够等。 1 3 4 液压系统故障 基于液压系统的特点，越来越多的加工中心采用液压系统作为自动换刀装置的驱动 动力源。液压系统在使用过程中，由于机械磨损和保养不当会造成各种故障。 ( 1 ) 液压冲击 液压冲击不仅会造成液压元器件之间的撞击导致使用寿命下降，还会破坏液压管路 造成供油不畅，因此液压冲击不但会造成系统故障还会引起附加的振动和噪声，降低系 统的可靠性和运行效率。 ( 2 ) 执行器的爬行现象 液压元器件的自身磨损和装配不合理以及空气的进入都将导致执行元件出现爬行 现象。这一现象的出现将直接影响运动的既定输出，降低整个自动换刀装置的定位精度， 影响换刀质量和可靠性。 1 4 课题的背景及意义 课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础装备”，课题名称为“车铣复 合加工中心用刀库及机械手可靠性设计及性能试验技术研究”。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控 机床是装备工业生产的技术基础，也是发展高新技术产业的基本装备【6 1 。作为数控机床 5 l 绪论 硕士论文 的关键部件，自动换刀装置的优劣将直接影响数控机床的性能。在加工过程中，自动换 刀装置需要频繁换刀，并且换刀速度快、动作多，这就使得自动换刀装置成为数控机床 的薄弱环节【l3 1 。根据相关数据表明，数控机床中5 0 以上的故障由自动换刀装置引起。 其主要故障包括机械手的运动故障、机械手的掉刀、刀库运转过程中有较大的振动和卡 死、液压动力不足、电气线路控制故障和电气软件故障等【l4 1 。因此，通过设计可靠性试 验台并记录运行数据，查看故障和分析数据，找出故障原因和影响可靠性的因素，在以 后的设计中不断优化系统、减少故障，这对于提高整个数控机床的可靠性有着举足轻重 的意义。 1 5 课题的主要研究内容 结合台湾吉辅b 5 0 0 2 0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换刀装置和现有资料，分 析了自动换刀装置可靠性的主要因素。以此为依据设计和搭建了可靠性试验台，其中包 括电气系统设计、控制系统设计以及测试系统设计和数据分析。通过电气系统和控制系 统的设计为可靠性试验台搭建了硬件结构，保证可靠性试验台的正常运行，测试系统实 现了对自动换刀装置数据的采集，为可靠性分析提供了实验依据。最后进行数据分析， 找出影响自动换刀装置可靠性的因素，最终达到提高自动换刀装置的整体可靠性水平。 论文内容： ( 1 ) 绪论部分，阐述了自动换刀装置国内外的发展现状，分析了影响自动换刀装 置可靠性的主要因素，提出了课题的背景和研究意义。 ( 2 ) 第二章为整体方案设计，结合整套自动换刀装置的硬件设备，提出初步的设 计构想，列举了每个设计过程中需要完成的任务和内容。 ( 3 ) 第三章为电气系统设计，从整个电气系统所要完成的功能出发，结合确定的 现行方案，设计了整个系统的电气原理图，完成了电器元件的选型。最后，进行了现场 接线和调试。 ( 4 ) 第四章为控制系统设计，通过控制方案的比较，选择了f a n i ，co i m d 数控系 统。在了解整个换刀动作过程的基础上，将整个换刀动作分解为刀库的自动选刀和机械 手的自动换刀两部分。利用f a n ly co i m d 的特点，设计了刀库随机选刀的程序。考虑 到使用宏程序能够简化整个程序的编制和运行的方便性，结合机械手换刀动作的流程 图，设计了宏程序，基于宏程序所要实现的功能，运用p m c 编制了每一步的机械手换 刀程序。最后，经过现场调试完成整个控制系统的修改。 ( 5 ) 第五章为机械手的数据采集和分析，运用相应的传感器和数据采集仪设计了 测试系统，引入h i l b e n - h 啪g 的时频图和边际谱图对不同工况下的机械手瞬态运动特 性进行了分析，得出机械手在不同载荷和不同转速下的瞬态运动特性。 ( 6 ) 第六章为刀库链轮的振动特性分析，通过实例验证了互相关性e m d 去噪的可 6 硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 行性，运用边际谱图分析了在不同工况下链轮的振动特性，得出链轮在不同载荷和不同 转速下的振动特性。 1 6 本章小结 对自动换刀装置进行了简要的介绍，阐述了自动换刀装置及其各组成部分的国内外 发展现状，列举了影响自动换刀装置可靠性的故障模式和原因。最后介绍了课题来源和 研究意义，提出了课题的主要内容构成。 7 2 总体方案设计 硕士论文 2 总体方案设计 可靠性试验台的研究对象为台湾吉辅b 5 0 0 2 一0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换 刀装置，刀库容量为6 0 把刀，刀柄规格为b t - 5 0 ，刀具最大重量为2 5 k g s ，立卧两式换 刀时间都为5 5 秒，刀库及机械手的所有动力源皆为油压。 2 1 链式刀库及机械手自动换刀装置 台湾吉辅b 5 0 0 2 0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换刀装置可同时满足立卧两式 主轴的换刀，油压缸通过驱动齿轮齿条实现机械手的立卧转换。机械手的平移和旋转也 都由油压缸来驱动，刀库的旋转则通过油压马达来驱动，如图2 1 所示为具体的油压管 线配置图。 2 1 1 卧式自动换刀动作过程 台湾吉辅b 5 0 0 2 0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换刀装置的常规换刀方式为卧 式换刀，只有更换立式主轴是才会启用立式换刀，如图2 2 所示为卧式换刀电气动作时 序图。 通过分析图2 2 可以得出如下的换刀步骤： ( 1 ) 原位等待换刀指令，准备开始换刀。 ( 2 ) 刀库旋转，送目标刀具至取刀位置，刀库停止转动。 ( 3 ) 机械手平移缩回至刀库取刀。 ( 4 ) 机械手拔刀伸出。 ( 5 ) 机械手平移伸出，机械手拔刀缩回，机械手回原点。 ( 6 ) 机械手换刀伸出，抓取主轴上刀具，机械手拔刀。 ( 7 ) 机械手旋转1 8 0 。，主轴插刀。 ( 8 ) 机械手换刀缩回，至原点。 ( 9 ) 机械手拔刀伸出，机械手平移缩回至刀库。 ( 1 0 ) 机械手插刀至刀库，机械手平移伸出，回原点，换刀完成。 8 硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 9 匝捌鞋搽拙出黑-【n匦 2 总体方案设计 硕士论文 圈世苔世蒋扩哥r轼锖宜n“匝 硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 由上面的1 0 个换刀步骤可知刀库的换刀流程如图2 3 所示： ( 换刀指令) 上兰 l 刀库选刀 土 l 主轴换刀 j 兰 l 刀库还刀 上 ( 换刀完成) 图2 3 卧式换刀流程图 2 1 2 立式自动换刀动作过程 台湾吉辅b 5 0 0 2 0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换刀装置配备有专门为立式主 轴换刀而设计的机械手翻转装置，以实现立卧两式通用。如图2 4 所示为立式换刀电气 动作时序图。 通过分析图2 4 可以得出如下的换刀步骤： ( 1 ) 原位等待换刀指令，准备开始换刀。 ( 2 ) 刀库旋转，送目标刀具至取刀位置，刀库停止转动。 ( 3 ) 机械手平移缩回至刀库取刀。 ( 4 ) 机械手拔刀伸出。 ( 5 ) 机械手平移伸出，机械手拔刀缩回，机械手回原点。 ( 6 ) 机械手向下翻转9 0 。，立式主轴换刀准备。 ( 7 ) 机械手换刀伸出，抓取主轴上刀具，机械手拔刀。 ( 8 ) 机械手旋转1 8 0 。，主轴插刀。 ( 9 ) 机械手换刀缩回，至原点。 ( 1 0 ) 机械手向上翻转9 0 。，刀库还刀准备。 ( 1 1 ) 机械手拔刀伸出，机械手平移缩回至刀库。 ( 1 2 ) 机械手插刀至刀库，机械手平移伸出，回原点，换刀完成。 2 总体方案设计硕士论文 量 1薹 醚 l 鬟垂 至 l鬟 0 譬l 磷惑翁图饕蕊 l 嚯 “ lll蓬羹 l雾羹 l 饕 麓 蛙麓 聚 醚 秘&懿 醚 醅 辕嫠砖 蜜醛 藤 器鼷醛 蘸 霞 鞫 胬 惑 惑 图醛 i 蠢 囡藩 饕鬟 霎 蕊 蕊 蕊蕊 霞 签 醛 瓞瓞 咤 h 羹 l 蕊寒蕊 麓 醛毽餐 醛 蕊 饕 饕蘸 饕餐 嚣- 鎏 饕饕 羹羹 羹 嚣畦& 黼 繇强 醛鞠甓蕊 蕊 曩 蘸饕 蕊 慧 嫠 襞氐 蕊 | | 图lj li l | l 圈j il 蓬 霹 差| 妊 蘸 rl g l 蕊襞 釜蕊 鏊 鑫 蕊 ，、i 誉 羹 & 襞 餐醛 蟪 r 惑 襞誉 醚 球 晴 。十寸 韬 墓 蕊 奄港 t 峥 蕊 矗 惑惑饕 匕l 一 卜一 饕l 韬 hc no 一n 皇= 悄 一 一“寸州i f )o、h 旧2 一寸 n j 、 n e“， oo oo ooo o o 一 oo o o ooo一一 i o- jo 8 0 o oo 画 oc ooo o o o cc o o ocooo o ooo o 宝 匿 o ( 口 - j_ j _ jj_ jj_ jjjj - 一 o 乱乱艮乱j 蜒 乱q -q - 乱 c oo o 色q _ 良q _q - 斗千至 丑回 乏 匣 一 叵 耋 固 妥 耋 耋 藿 屡星 口3 羹 耋轻 薹摹 互量薹 萋 羹 晨 藿 瓷器蟊 r 馨 翥 连 撩 副 兹r2 逻 羹差重耋 喜 羹 州 辇 了 o o ot oo o 薹 世 翼 廷轻强烈 歪州 昏尊 差 匦 霎 叵 罨互司回j 三 霎 蓉 嚣 嚣回 羁蠢 耄 矍晕 萋萎 童曼 硕士论文 链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 由上面的1 0 个换刀步骤可知刀库的换刀流程如图2 5 所示： 2 2 可靠性试验台的方案确定 ( 换刀指令) 土 刀库选刀 u i 机械手向下翻转 j 量 主轴换刀 u l 机械手向上翻转 j 上 刀库还刀 j l ( 换刀完成) 图2 5 立式换刀流程图 2 2 1 可靠性试验台的功能分析 可靠性试验台的设计以查找影响自动换刀装置可靠性的因素和分析其故障为出发 点，合理的设计可靠性试验台，完成对自动换刀装置的试验，以试验为基础分析影响其 可靠性的因素为提高可靠性水平提供实验论证。具体的功能如下： ( 1 ) 搭建可靠性试验台保证整个系统能够可靠稳定的运行。 ( 2 ) 设计合理的电气系统，为可靠性试验的研究提供硬件的支持。 ( 3 ) 通过f a m7 cp m c 程序、宏程序和数控编程，实现对整个试验台的控制，保 证换刀过程的可靠性。 ( 4 ) 正确选择传感器和相应的采集器，设计测试系统完成数据的采集。 ( 5 ) 结合1 7 1 3 模拟量采集卡和v b 程序，采集噪声信号和油压压力，实现对自动 换刀装置运行状态的监测。 ( 6 ) 基于1 7 5 6 数字量输入输出卡和v b 编程，实现工控机对自动换刀的控制。其 中输入信号包括链式刀库和机械手的到位信号，检测传感器的到位信号等；输出信号主 要为一些控制信号，通过软件触发，实现对自动换刀装置的控制。 根据以上所要实现的功能，设计的试验台总体框架如图2 6 所示。 1 3 2 总体方案设计硕士论文 图2 6 试验台总体框架 2 2 2 试验台电气系统 ( 1 ) 电气控制柜设计：根据实际要求，把数控系统和工控机集成于同一个电气控 制柜之中。设计电气柜的整体布局，使之既方便试验人员的操作又能满足试验所需的功 能。 ( 2 ) 电气电路设计：根据整个自动换刀装置所要实现的功能设计电气原理图主要 1 4 硕士论文链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 包括油泵保护电路、电压转换电路、稳压电路、电压转换电路等，同时通过分析整个自 动换刀装置所需的功率消耗和电流大小，选择相应的电器元件。 2 2 3 试验台控制系统 ( 1 ) 选择f a m ，c 数控系统作为控制系统，并进行i o 定义。 ( 2 ) 采用记忆式随机选刀方式，完成刀具表的程序设计，同时以就近选刀为原则， 设计刀库自动选刀程序。 ( 3 ) 采用宏程序结合p m c 实现对机械手自动换刀的整个动作控制，首先通过宏程 序的编写，把整个换刀的动作分解成若干个顺序步骤。然后通过分析每个分解后的动作 要求，编写机械手自动换刀程序。 2 2 4 试验台测试系统 ( 1 ) 根据机械手的运动特点和链轮的振动特性，选择相应的传感器和采集器，并 在此基础上完成测试系统的硬件搭建和数据采集。 ( 2 ) 引入h i l b e r t h u a n g 原理，利用其在瞬态运动特性和旋转机械振动特性分析方 面的优越性研究机械手瞬态运动特性和链轮旋转振动特性，引入互相关性e m d 去噪对 链轮振动信号进行预处理。 ( 3 ) 基于h i l b e n - h 啪g 变换的时频图和边际谱图分析机械手在不同工况下的瞬态 运动特性。 ( 4 ) 基于互相关性e m d 去噪的链轮振动数据预处理，并结合边际谱图对不同工况 下的链轮振动特性进行分析。 2 3 本章小结 通过研究台湾吉辅b 5 0 0 2 一0 4 0 v h o e 型链式刀库及机械手自动换刀装置的特点和动 作过程，进行了可靠性试验台的功能分析，在此基础上制定了试验台的电气系统、控制 系统和测试系统所要实现的功能和所需达成的目标，最后确定了数据分析的方法。 1 5 3 试验台电气系统设计硕士论文 3 试验台电气磊统设计 3 1 电气系统结构设计 试验台的控制系统采用f a l 、兀7 c0 i m d ，而测试系统采用工控机。因此控制系统与 工控机相对独立，若两个控制系统相距甚远，势必会给实验人员带来操作上的不便。因 此在电气柜的总体设计上，把数控系统和工控机集成于电气控制柜内，图3 1 和图3 - 2 分别为电气控制柜的正视图和后视图。电气控制柜是电器元件的载体，也是电器元件最 直接的保护层，电气控制柜设计的好坏将直接影响电气系统和整个加工中心的正常运行 1 2 引。因此需要根据有关原理和规定进行合理的设计，首先根据电气控制柜的容量来选择 进线电缆和地线，并配以相应的保护电路，一般采用空气开关作为保护电路；由于电气 控制柜中同时包含强电和弱电，因此要采用独立的电源模式，防止短路造成的危害；同 时在空间布局上要兼顾电磁干扰的影响，其中还包括电网和电缆线造成的强磁干扰，尽 量使强电部分和弱电部分在空间上分开，保持不小于2 0 0 m m 的安装距离：其次还要考 虑到散热的问题，温度过高不仅将加速硬件的损坏还将降低驱动功率的输出。 1 6 图3 1 电气控制柜正视图 硕士论文链式刀库及机械手自动换刀装置可靠性试验台研究 图3 2 电气控制柜后视图 工控机抽屉开成通孔式：( 1 ) 便于工控机的安装和移动；( 2 ) 有利于系统的散热， 防止因通风不畅引起的设备故障和损坏；( 3 ) 便于数据采集卡的安装和这种数据线的连 接，如1 7 1 3 数据采集卡的连接电缆、键盘、鼠标；( 4 ) 便于拆卸、查看和更改连接线。 电气安装板：安放各种电器元件和接线端子，如断路器、变压器、直流稳压电源和 继电器等。电器元件合理布置在安装板上，不但能够使各个电器元件的接线一目了然， 便于查找相对应的输入输出接点，有利于发生故障时进行维修，而且通过线槽能够使整 个电气控制柜更加美观。 3 2 电气系统电路设计 自动换刀装置可靠性试验台的电气部分主要分为：数控系统和工控机系统。其中以 接触器、继电器和电磁阀等电器元件作为控制元件，以油压马达和油压缸作为驱动元件， 以机械手和刀库作为执行元件，以接近开关、行程开关等作为反馈元件，并以弱电实现 对强电的控制，即通过p l c 的输出状态控制电器元件的导通与断开，以此来驱动各执 行元件，如图3 3 所示。 控制系统 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ 。- 登擘坚罩 o i - m dh 控制元件 电磁阀 驱动元件 油压缸 油压马达 接近开关、行程开关等 执行元件 刀库 机械手 反馈元件 图3