基于加權(quán)數(shù)據(jù)融合的刀庫及ATC系統(tǒng)可靠性評測研究*

張躍明，黃文杰，牟宏明，楊 宇

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

基于加權(quán)數(shù)據(jù)融合的刀庫及ATC系統(tǒng)可靠性評測研究*

張躍明1，黃文杰1，牟宏明2，楊 宇2

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

刀庫及ATC（自動(dòng)換刀裝置）的可靠性優(yōu)劣存在多種制約因素，為真實(shí)描述其可靠性狀態(tài)，開發(fā)了刀庫及ATC可靠性檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對刀庫的換刀精度、換刀時(shí)間、油壓、油溫、電機(jī)溫度、故障等運(yùn)行信息進(jìn)行智能檢測和數(shù)據(jù)采集。綜合考慮刀庫的功能性和可靠性，并依據(jù)使用者和研究者的意見，確定了各制約因素的比重，進(jìn)而構(gòu)造系統(tǒng)可靠性評測模型。編寫了基于MFC的評測軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評價(jià)，最終給使用者或研究者一個(gè)直觀的刀庫可靠性評分。該方法易于理解，彌補(bǔ)了刀庫及ATC可靠性評測的不足。

數(shù)據(jù)融合；ATC系統(tǒng)；可靠性

0 引言

加工中心一個(gè)很關(guān)鍵技術(shù)就是自動(dòng)換刀系統(tǒng)裝置，自動(dòng)換刀系統(tǒng)裝置的可靠性關(guān)系著加工質(zhì)量的優(yōu)劣，本文提出一種加權(quán)數(shù)據(jù)融合方法，對影響刀庫可靠性各項(xiàng)制約因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與融合，制定評測標(biāo)準(zhǔn)，獲得刀庫及ATC可靠性狀態(tài)的一致估計(jì)，給使用者或者研究者一個(gè)直觀的刀庫可靠性評分。對刀庫可靠性研究國外通過采集數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場的可靠性信息入手，創(chuàng)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)故障分析和可靠性評價(jià)軟件。當(dāng)前國內(nèi)對于刀庫及ATC系統(tǒng)可靠性分析，大多采用傳統(tǒng)的分析方法，即將ATC系統(tǒng)狀態(tài)分為“正常”和“失效”進(jìn)行二態(tài)分析，這種方法操作簡單，但忽略了系統(tǒng)的多態(tài)性，使得分析結(jié)果片面或不準(zhǔn)確。因此，對于刀庫及ATC可靠性研究需要對其各項(xiàng)制約因素分別進(jìn)行分析研究，建立一個(gè)相對完善的可靠性模型，對各制約因素進(jìn)行檢測記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，從而提高評測分析的準(zhǔn)確性。

通過在自動(dòng)換刀裝置上硬件檢測平臺(tái)，安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)，編寫軟件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評價(jià)。數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與合并，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測目標(biāo)和環(huán)境的信息量。針對已記錄的各類數(shù)據(jù)，制定評測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則，盡可能為刀庫可靠性研究提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 刀庫可靠性制約因素分析

對于項(xiàng)目的具體研究對象，即BT50-80LSY鏈?zhǔn)降稁煸囼?yàn)機(jī)，統(tǒng)計(jì)得出，刀庫及其ATC的可靠性差的主要表現(xiàn)是；機(jī)械手換刀過程中發(fā)生掉刀、撞刀或插刀不到位，控制系統(tǒng)的功能故障，個(gè)別油路壓力不穩(wěn)定，電機(jī)溫度過高，另外，刀庫及ATC內(nèi)部零部件的磨損、松動(dòng)、疲勞等會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)間逐漸延長，或者引發(fā)其他故障。

綜合考慮刀庫系統(tǒng)可靠性方面存在的主要問題，結(jié)合實(shí)際檢測及記錄內(nèi)容，并依據(jù)使用者和研究者的意見，確定了刀庫及ATC可靠性的具體評測項(xiàng)目以及各評測項(xiàng)目的權(quán)重。其中換刀精度占據(jù)25%、換刀時(shí)間20%、電機(jī)溫升10%、油壓波動(dòng)15%、其他部件可靠性35%。如圖1所示。

圖1 刀庫可靠性的制約因素餅圖

其中，對于影響刀庫系統(tǒng)可靠性的其他功能部件，包括數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、功能零部件等，進(jìn)行人工可靠性記錄，統(tǒng)一劃歸此項(xiàng)。

2 各傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)

對刀庫及ATC各項(xiàng)性能的檢測，需要布置不同類型的傳感器（見表1），宜采用多層次、多目標(biāo)分類評價(jià)模型。由于傳感器類型不一致，需要針對各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的處理分析，得到子項(xiàng)的評測結(jié)果之后，采用加權(quán)算法計(jì)算父項(xiàng)的結(jié)果，依次遞推，求出最終評測分值。如圖2所示。

表1 刀庫可靠性檢測使用的部分傳感器

圖2 刀庫可靠性的評分模型

設(shè)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過分類處理，提取出各類特征數(shù)據(jù)，建立子項(xiàng)數(shù)據(jù)矩陣為根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)的各自指標(biāo)，確定子項(xiàng)評價(jià)權(quán)重矩陣W=其中，另外，子項(xiàng)相對于系統(tǒng)的權(quán)重向量為P=（pi1）v×1，亦有，則理論評分為s=A·W·P。

2.1 特征數(shù)據(jù)的提取

依據(jù)搭建在刀庫系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，進(jìn)行刀庫運(yùn)行狀態(tài)的長期記錄，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分為以下幾類數(shù)據(jù)子項(xiàng)；精度數(shù)據(jù)，時(shí)間數(shù)據(jù)，油壓數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)，以及其他未測部件的故障記錄。

經(jīng)分析，各數(shù)據(jù)子項(xiàng)具有不同的數(shù)據(jù)特征。以某日刀庫運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)為例，各類數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出以下狀態(tài)；

（1）換刀精度方面，在刀庫換刀位置和主軸插刀位置，刀柄的軸心位置點(diǎn)基本滿足正態(tài)分布。如圖3a所示，刀柄軸心位置相對集中。

（2）油缸油溫、電機(jī)溫度隨著換刀次數(shù)增多，呈現(xiàn)出指數(shù)遞增規(guī)律。如圖3b所示，換刀次數(shù)越多，電機(jī)溫度和油缸溫度也越來越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度遞增速度減慢，趨于平穩(wěn)。

（3）油壓峰均比波動(dòng)隨著換刀次數(shù)的增多較為緩和，其中機(jī)械手旋轉(zhuǎn)壓波動(dòng)較劇烈，如圖3c所示。

（4）換刀時(shí)間方面，無論ATC刀對刀換刀時(shí)間，還是刀庫位對位換刀時(shí)間，都依指數(shù)規(guī)律逐漸變短。換刀時(shí)間初期變化大，表示換刀過程時(shí)間不穩(wěn)定。中后期時(shí)間遞減速率趨于平緩。如圖3d所示。

將不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取、獨(dú)立分析，得到分布規(guī)律之后，可以進(jìn)一步確定針對性的評測方法以及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)評測的科學(xué)性和可靠性。

圖3 刀庫系統(tǒng)其他功能部件的特征數(shù)據(jù)

2.2 評測標(biāo)準(zhǔn)的確立

2.2.1 精度評測標(biāo)準(zhǔn)

對于刀庫刀柄的位置精度，其位置中心的分布滿足正態(tài)分布，設(shè)位置坐標(biāo)隨機(jī)變量x的密度函數(shù)為；

其中μ、σ＞0為常數(shù)，則稱隨機(jī)變量X服從參數(shù)為μ、σ的正態(tài)分布，記為X～N（μ，σ2）。

為評價(jià)正態(tài)分布的分散程度，一般采用最大似然估計(jì)或大數(shù)定律進(jìn)行估計(jì)，針對刀柄位置精度的評價(jià)，本文使用大數(shù)定律進(jìn)行評估。

對于某刀號(hào)的其中一個(gè)位置的位移數(shù)據(jù)，先確定某個(gè)ε區(qū)域，由大數(shù)定律估計(jì)得出其概率a［i］，繼續(xù)細(xì)分，進(jìn)行不同領(lǐng)域的概率估算。求解估算的期望作為評測結(jié)果。

2.2.2 換刀時(shí)間及溫度、壓力評測標(biāo)準(zhǔn)

對于換刀時(shí)間、油溫、油壓、電機(jī)溫度等的波動(dòng)變化，都可以采用最小二乘法等數(shù)學(xué)方法來擬合各評測項(xiàng)與換刀次數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，所以可以借用表征曲線增長（或降低）的相關(guān)參數(shù)，以0和1作為比率標(biāo)準(zhǔn)，給出變化率，進(jìn)而得到評測結(jié)果。

2.2.3 其他部件可用度評測標(biāo)準(zhǔn)

對于數(shù)據(jù)庫中記錄的其他功能部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的可用度計(jì)算，即；

（1）讀出數(shù)據(jù)庫中最近一年的故障數(shù)據(jù)；

（2）計(jì)算相鄰的故障時(shí)間間隔并求出平均故障間隔MTBF；

（3）求出平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR；

（4）求解可用度；

（5）以0和1作為比率標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)可用度得到評測分值。

2.3 評測項(xiàng)目權(quán)重分配

刀庫可靠性的評測項(xiàng)目及權(quán)重分配見表2。

評測項(xiàng)目的確定是基于對刀庫及ATC裝置的實(shí)際功能性、效率性和可靠性的綜合研究而確立的，綜合考慮了以下因素；

（1）自動(dòng)換刀裝置的功能實(shí)現(xiàn)，即是否能準(zhǔn)確地將刀具從刀庫換刀位置拔下，并準(zhǔn)確地將刀具插到主軸上；

（2）自動(dòng)換刀裝置的工作效率，即主軸端刀對刀換刀效率和刀庫端位對位換刀效率；

（3）刀庫及ATC運(yùn)行的穩(wěn)定性，即故障的頻次及可用度的高低；

（4）刀庫輔助裝置的性能狀況，主要基于對眾環(huán)刀庫的實(shí)際結(jié)構(gòu)的調(diào)研，將主要輔助部件包括油缸、鏈條電機(jī)的性能加入可靠性評測之中；

（5）另外，對于具體刀庫（眾環(huán)BT50-80LSY）的可靠性可能關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目進(jìn)行評測研究。

表2 刀庫可靠性的評測項(xiàng)目及權(quán)重分配

3 可靠性評測的軟件實(shí)現(xiàn)

為直觀顯示鏈?zhǔn)降稁旒白詣?dòng)換刀裝置（ATC）的可靠性評測結(jié)果，編寫了基于MFC的評測軟件。軟件具有友好的視覺界面，通過檢索存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)，并依據(jù)以上方法進(jìn)行分析計(jì)算，可以對刀庫及ATC性能進(jìn)行一鍵評測，給使用者一個(gè)直觀的刀庫性能評分，見圖4。

圖4 刀庫可靠性評測軟件主界面

將評測詳單導(dǎo)成文本文件，以便以后對不同日期的可靠性狀況進(jìn)行比較。由評測詳單可以得知；

1）刀庫定位夾處刀柄位置精度較差，而結(jié)構(gòu)相對簡單的主軸刀套處刀柄的位置精度較好；

2）ATC刀對刀平均換刀時(shí)間比刀庫位置對位置平均換刀時(shí)間更穩(wěn)定；

3）對于各油路油壓，可以得到各油缸油壓的波動(dòng)狀況，單次換刀過程中油壓波動(dòng)普遍較大，尤其是定位夾位置；每天工作的油壓均值波動(dòng)很?。?/p>

4）對于鏈傳動(dòng)電機(jī)和ATC電機(jī)，其溫升情況基本是每進(jìn)行一個(gè)換刀過程溫度升高1°，并最終趨于穩(wěn)定。

對比評測分值與評測詳單，可以獲取較為全面的刀庫及ATC可靠性信息，分析優(yōu)勢劣勢，進(jìn)而有針對性的研究和改進(jìn)。

4 總結(jié)

為盡量準(zhǔn)確地描述刀庫及ATC（自動(dòng)換刀裝置）的可靠性優(yōu)劣，開發(fā)了刀庫及ATC可靠性評測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對刀庫的各類運(yùn)行信息進(jìn)行了智能檢測和數(shù)據(jù)累積。并依據(jù)使用者和研究者的意見，確定了各制約因素的比重分配，進(jìn)而構(gòu)造系統(tǒng)可靠性評測模型。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評價(jià)，最終給使用者或研究者一個(gè)直觀的刀庫可靠性評分。

但對于刀庫系統(tǒng)可靠性的研究，需要進(jìn)一步完善的是；

（1）對于可靠性評測，需要廣泛調(diào)研評價(jià)方法，收集專家意見，進(jìn)一步優(yōu)化評測方案；

（2）延長可靠性試驗(yàn)時(shí)間，深入研究可靠性增長技術(shù)；

（3）對于評測軟件，需要增強(qiáng)其普適性，讓沒有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的刀庫也能進(jìn)行評價(jià)和記錄。

［1］董鋒，徐驥，汪地，等.加工中心盤式刀庫自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）；137-139.

［2］李加明，陶衛(wèi)軍，馮虎田.自動(dòng)換刀裝置發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（5）；174-160.

［3］韓越梅.加工中心自動(dòng)換刀裝置的研究進(jìn)展［J］.裝備制造技術(shù)，2010（5）；128-129.

［4］咸博.圓盤式刀庫機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)臺(tái)研究［D］.長春；吉林大學(xué)，2011.

［5］李南.刀厙及自動(dòng)換刀裝置可靠性研究［D］.大連；大連理工大學(xué)，2012.

［6］羅庚合，黃萬長.自動(dòng)換刀裝置控制原理及故障分析［J］.西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009（1）；14-18.

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［8］朱振華.鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手自動(dòng)換刀裝置可靠性試驗(yàn)臺(tái)研究［D］.南京；南京理工大學(xué)，2012.

（編輯 李秀敏）

The Research on Tool Change Precision of Knife Library and Automatic Tool Changer

ZHANG Yue-ming1，HUANGWen-jie1，MU Hong-ming2，YANG Yu2
（1.The College of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Huhhot Zhong Huan（Group）CO.，LTD.，Huhhot010051，China）

；There are many restricting factors about the reliability of knife library and ATC（automatic tool changer），to describe the status of reliability，testing system of knife library and ATC reliability is developed.The system can detect intelligently，and record the data of precision，tool change time，oil pressure，oil temperature，motor temperature，breakdown，etc.comprehensive Considering the functionality and reliability of the knife library，and according to the users and the researchers′opinion，the proportion of the various constraints is determined，and the reliability evaluation model was established.The evaluation software isw rote based on the MFC，data integration，analysis and evaluation is carried out，and a performance score of knife library is gave to the user or the researchers finally.This method is easy to understand and make up for the deficiency of the knife library and the manipulator reliability evaluation.

；data fusion；automatic tool change system；reliability

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）05-0152-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.043

2014-07-23；

2014-09-09

國家重大專項(xiàng)；刀庫及自動(dòng)換刀裝置規(guī)?；圃礻P(guān)鍵技術(shù)與裝置的研發(fā)（2012ZX04002051）

張躍明（1956—），男，北京人，北京工業(yè)大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)锳TC的設(shè)計(jì)與檢測；通訊作者；黃文杰（1989—），男，福建漳州人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和檢測，（E-mail）540508094@qq.com。