楊合清，韓 軍，汪滿新，歐 屹，管 強(qiáng)，馮虎田

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.蘇州紐威數(shù)控裝備有限公司，江蘇 蘇州 215000)

刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要功能部件，通過(guò)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)交換刀具，可以減少輔助加工時(shí)間，大大降低零件的制造成本[1-2]。作為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，刀庫(kù)在整個(gè)加工中心中屬于容易發(fā)生故障的功能部件之一，故為提升刀庫(kù)的可靠性，需分析其故障原因，并急需開(kāi)展刀庫(kù)換刀性能檢測(cè)方法及換刀性能隨換刀次數(shù)變化規(guī)律的研究[3-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀庫(kù)及其換刀裝置檢測(cè)方法進(jìn)行了諸多研究，如刀庫(kù)及其自動(dòng)換刀裝置的振動(dòng)檢測(cè)、選刀和換刀電機(jī)的電流檢測(cè)、倒刀和回刀的氣壓檢測(cè)、電機(jī)溫度檢測(cè)等[5-7]。李強(qiáng)等[8]通過(guò)采集刀柄拉釘在不同旋轉(zhuǎn)角度下，鏈?zhǔn)降稁?kù)自動(dòng)換刀裝置在自動(dòng)換刀過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并借助信號(hào)共振稀疏分解實(shí)現(xiàn)對(duì)刀庫(kù)拉釘松動(dòng)故障的診斷；張躍明等[9]利用電流傳感器測(cè)量刀庫(kù)運(yùn)行時(shí)的電流，運(yùn)用電流分析法診斷出系統(tǒng)的機(jī)械故障原因；李國(guó)發(fā)等[10]通過(guò)采集機(jī)械手在不同轉(zhuǎn)位偏差下的振動(dòng)信號(hào)，利用遺傳算法和支持向量理論實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)機(jī)械手轉(zhuǎn)位偏差故障的預(yù)警。刀庫(kù)及其自動(dòng)換刀裝置的定位精度因影響換刀的準(zhǔn)確性[11]，是造成換刀失敗的直接原因之一，從而引發(fā)眾多學(xué)者進(jìn)行研究。劉堯夫等[12]利用激光位移傳感器的非接觸式測(cè)距方法建立了軸類零件圓心數(shù)學(xué)模型;張躍明等[13]通過(guò)測(cè)量刀具倒刀時(shí)的位置和機(jī)械手夾持圓圓心的位置，實(shí)現(xiàn)了兩者的重合度檢測(cè)；李強(qiáng)等[14]基于激光位移傳感器和標(biāo)準(zhǔn)刀具補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)了鏈?zhǔn)降稁?kù)選刀定位精度的檢測(cè)。

值得指出的是，上述研究大多在刀庫(kù)實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上開(kāi)展，很少直接在數(shù)控機(jī)床上對(duì)刀庫(kù)的換刀定位精度進(jìn)行研究。直接在數(shù)控機(jī)床上開(kāi)展刀庫(kù)定位精度檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于：1)不僅可測(cè)出刀柄在換刀機(jī)械手作用下的旋轉(zhuǎn)到位精度，還可測(cè)出機(jī)床主軸對(duì)換刀刀柄的校準(zhǔn)量；2)可將測(cè)量工裝安裝在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上，從而利用其精密的進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工裝與主軸坐標(biāo)之間的標(biāo)定。

本文以加工中心上的盤(pán)式刀庫(kù)為研究對(duì)象，開(kāi)展刀庫(kù)換刀機(jī)械手翻轉(zhuǎn)定位精度和主軸拉刀前、拉刀后的刀柄定位精度測(cè)量方法研究，旨在得出刀庫(kù)換刀定位精度隨換刀次數(shù)的變化規(guī)律，以期為刀庫(kù)換刀性能預(yù)測(cè)提供重要依據(jù)。

1 理論分析

1.1 傳感器位置參數(shù)標(biāo)定及刀柄圓心提取

圖1所示為某機(jī)床廠的加工中心，為測(cè)量其刀庫(kù)的換刀定位精度，選取刀柄位于主軸端時(shí)刀柄圓心的定位精度作為刀庫(kù)換刀精度的衡量指標(biāo)，并利用激光位移傳感器測(cè)出換刀定位精度，為此設(shè)計(jì)圖2所示的工裝，該工裝固結(jié)在加工中心工作臺(tái)上。

圖1 加工中心

圖2 刀庫(kù)坐標(biāo)系

為方便描述，建立如圖2所示的測(cè)量刀庫(kù)坐標(biāo)系，以主軸圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，X軸正方向水平向左，Y軸正方向水平向前，主軸圓心與標(biāo)準(zhǔn)刀柄拉刀后的圓心可認(rèn)為是重合的。

如圖3所示，采用兩個(gè)激光位移傳感器測(cè)量刀柄圓心位置參數(shù)。為測(cè)量刀柄圓心的位置，首先需基于標(biāo)準(zhǔn)刀柄測(cè)量出傳感器相對(duì)于刀庫(kù)坐標(biāo)系的位置。設(shè)傳感器a激光出射點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Xa,Ya)，傳感器激光出射線與X軸的夾角為α,α∈(0,π/2)；傳感器b激光出射點(diǎn)B的坐標(biāo)為(Xb,Yb),傳感器激光出射線與X軸的夾角為β,β∈(-π/2,0)；傳感器a和傳感器b的被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為A1(Xa1,Ya1)和B1(Xb1,Yb1)，對(duì)應(yīng)的輸出分別為l1和l2,則圓上被測(cè)點(diǎn)A1和B1的坐標(biāo)分別為

圖3 圓心提取

(1)

(2)

設(shè)刀柄的直徑為d，刀柄圓心坐標(biāo)為(Xr,Yr),由被測(cè)點(diǎn)A1(Xa1,Ya1)和B1(Xb1,Yb1)可得：

(3)

顯見(jiàn)若已知2個(gè)激光位移傳感器的位置信息，聯(lián)立式(1)～式(3)可得刀柄圓心坐標(biāo)。而在此之前，需獲取激光位移傳感器的位置信息，即Xa,Ya,Xb,Yb以及α，β等6個(gè)參數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)刀柄下，刀柄拉刀后的圓心與主軸同心，故此時(shí)Xr=Yr=0，通過(guò)移動(dòng)加工中心的工作臺(tái)，可獲得不同位置下的激光位移傳感器的輸出值l1和l2，如圖4所示，將工作臺(tái)移動(dòng)至9個(gè)位置，并保障該9個(gè)位置激光位移傳感器均在測(cè)量量程范圍之內(nèi)，從而可得到9組輸出值l1i，l2i(i=1,2,3,…,9)。因9個(gè)位置的相互位置關(guān)系可通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)獲取，且兩個(gè)傳感器的相對(duì)位置關(guān)系保持不變，故可得到以下關(guān)系式：

圖4 工裝移動(dòng)軌跡圖

(4)

式中：αi,βi為工作臺(tái)位于點(diǎn)i時(shí)兩個(gè)激光光束與X軸的夾角；(Xri,Yri)為工作臺(tái)位于點(diǎn)i時(shí)刀柄圓心坐標(biāo)。根據(jù)平移關(guān)系，在刀庫(kù)坐標(biāo)系下有：

(5)

式中：(Xai,Yai)和(Xbi,Ybi)分別為工作臺(tái)位于點(diǎn)i時(shí)激光出射點(diǎn)的坐標(biāo)；(ΔXi,ΔYi)為工作臺(tái)位于點(diǎn)i時(shí)測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)于刀庫(kù)坐標(biāo)系的移動(dòng)距離。結(jié)合對(duì)應(yīng)激光位移傳感器的輸出值l1i，l2i,將其代入式(1)、(2)可得到被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(Xa1i,Ya1i)和(Xb1i,Yb1i)，并將其代入式(3)。

由式(3)可知，一個(gè)獨(dú)立測(cè)點(diǎn)可得到2個(gè)獨(dú)立方程，由于方程中包含6個(gè)未知數(shù)，因此聯(lián)合任意3個(gè)獨(dú)立測(cè)點(diǎn)的方程組即可求得Xa,Ya,Xb,Yb,α，β。選取多組3個(gè)測(cè)點(diǎn)的組合并將幾組計(jì)算數(shù)值的均值作為激光位移傳感器的位置參數(shù)標(biāo)定值。由此通過(guò)式(1)～式(3)可解得刀柄圓心。

1.2 基于測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)序分析的換刀動(dòng)作分析

刀庫(kù)機(jī)械手在完成翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行插刀，在插刀過(guò)程中，機(jī)床主軸對(duì)刀柄具有校正作用，另外刀庫(kù)廠商考慮到不同刀柄廠家生產(chǎn)的刀柄不同，為實(shí)現(xiàn)不同加工尺寸刀柄的順利抓取，機(jī)械手手爪的環(huán)槽會(huì)比刀柄的環(huán)槽小，因此在拉刀時(shí)，由于刀柄環(huán)槽的間隙作用，刀柄會(huì)整體向上移動(dòng)從而貼緊主軸錐面。

為區(qū)分換刀機(jī)械手本身的換刀精度以及機(jī)床主軸對(duì)刀柄的校正作用，將插刀過(guò)程分為3個(gè)階段，即插刀前、拉刀前、拉刀后。其中插刀前表示換刀機(jī)械手將刀柄翻轉(zhuǎn)到主軸正下方時(shí)刀柄的定位精度；拉刀前表示刀柄已進(jìn)入主軸，但未進(jìn)行拉刀,故刀柄與主軸雖有接觸但未貼緊；拉刀后表示已拉刀。如圖5所示。

圖5 3階段示意圖

下面介紹基于激光傳感器的示數(shù)值判斷插刀過(guò)程所處的階段，以及該階段刀柄圓心的提取方法。

在插刀時(shí)，刀柄被測(cè)圓柱面依次經(jīng)過(guò)激光位移傳感器測(cè)量平面，由于被測(cè)圓柱面的圓柱度和同軸度較高，因此可以認(rèn)為各個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的圓心是刀柄整體的圓心。

根據(jù)激光位移傳感器的特性，可將激光出射點(diǎn)到被測(cè)物體的距離l表示為

l=l0-k

(6)

式中：l0為傳感器的測(cè)量中值；k為傳感器的示數(shù)值。因傳感器量程具有一定的范圍，故示數(shù)值有以下特點(diǎn)：當(dāng)k→0時(shí)，l→l0，根據(jù)調(diào)試關(guān)系，表明測(cè)距在傳感器量程范圍之內(nèi)，可知主軸上有刀柄；當(dāng)k→-∞時(shí)，l→+∞, 表明測(cè)距超出傳感器量程范圍，可知主軸上沒(méi)有刀柄。由此，當(dāng)k值由-∞到0表示插刀過(guò)程；當(dāng)k值由0到-∞表示拔刀過(guò)程。如圖6所示，圖中共有兩個(gè)完整的機(jī)械手換刀過(guò)程。

圖6 激光位移傳感器示數(shù)值

基于測(cè)試數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步獲得插刀過(guò)程所處的階段及該階段刀柄圓心坐標(biāo)，圖7示出了一次插刀過(guò)程中一個(gè)激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)，據(jù)此可得：

圖7 刀柄插刀和主軸拉刀過(guò)程數(shù)據(jù)放大圖

1)插刀前刀柄位置。此時(shí)機(jī)械手已翻轉(zhuǎn)到位，并連同刀柄向上運(yùn)動(dòng)，但刀柄外表面與主軸仍未接觸，如圖7中的插刀前所示。在該過(guò)程中，刀柄圓柱面依次經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)圓截面，故可取這段時(shí)間測(cè)量的圓心均值作為換刀機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)定位精度。值得指出的是，在這段數(shù)據(jù)之前測(cè)量數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)，這是因?yàn)樗鶞y(cè)數(shù)據(jù)為刀柄圓柱面以上的刀柄外形部分。

2)拉刀前刀柄位置。此時(shí)刀柄進(jìn)入主軸，機(jī)械手夾持圓圓心與主軸圓心存在偏差，由于主軸基礎(chǔ)剛性比刀臂剛性大，此時(shí)刀柄圓心將向主軸圓心靠攏，從而校正刀柄圓心，圓心位置將發(fā)生突變，在該過(guò)程中，刀柄處于主軸內(nèi)，刀柄錐面與主軸錐面有接觸但仍未貼緊，如圖7中的拉刀前所示。同理，取這段時(shí)間測(cè)量的圓心均值作為換刀機(jī)械手拉刀前的定位精度。

3)拉刀后刀柄位置。由于刀柄環(huán)槽的間隙作用，拉刀時(shí)刀柄會(huì)整體向上移動(dòng)從而緊貼主軸錐面。在此過(guò)程中，刀柄圓心會(huì)進(jìn)一步向主軸圓心靠攏，同時(shí)拉刀瞬間刀柄圓心值發(fā)生突變。接下來(lái)，刀柄會(huì)沿主軸的兩個(gè)錐銷方向與主軸發(fā)生碰撞，直至振動(dòng)衰減至消失，如圖7中的拉刀后所示。同理，取這段時(shí)間測(cè)量的圓心均值作為換刀機(jī)械手拉刀后的定位精度。

2 試驗(yàn)條件及方法

2.1 試驗(yàn)條件

盤(pán)式刀庫(kù)換刀定位精度測(cè)量試驗(yàn)在某立式加工中心刀庫(kù)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，主要包括1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刀柄、23把模擬刀柄、2個(gè)激光位移傳感器、1套激光位移傳感器工裝、1臺(tái)工控機(jī)和1個(gè)立式加工中心。與普通臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)相比，加工中心刀庫(kù)試驗(yàn)臺(tái)不僅可測(cè)出刀柄在換刀機(jī)械手作用下的旋轉(zhuǎn)到位精度，還可測(cè)出機(jī)床主軸對(duì)換刀刀柄的校準(zhǔn)量。

為準(zhǔn)確、方便地開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試設(shè)備及工裝提出以下要求。

1)標(biāo)準(zhǔn)刀柄除了要保證其被測(cè)圓柱面的圓柱度外，還要保證被測(cè)圓柱面與刀柄錐面的同軸度，這樣可以減小因?yàn)榈侗@自身旋轉(zhuǎn)而引起的誤差。

2)工裝需要滿足以下特點(diǎn)：①可以通過(guò)調(diào)節(jié)豎直方向高度來(lái)調(diào)整測(cè)量截面；②可以調(diào)整激光出射點(diǎn)到刀柄的距離；③可以沿激光光束垂直方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)光束通過(guò)刀柄圓心、減小反射角、提高激光位移傳感器的測(cè)量精度的目標(biāo)。

2.2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試：利用水平儀調(diào)節(jié)激光位移傳感器，保證光束水平；令兩光束相交于一點(diǎn)，使兩光束位于同一水平面；沿光束垂直方向調(diào)節(jié)傳感器，使得測(cè)量距離最短，以使光束通過(guò)刀柄圓心。

其次，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。調(diào)節(jié)好工裝位置后，在機(jī)床手輪模式下，依次移動(dòng)到相應(yīng)的標(biāo)定位點(diǎn)，并記錄下對(duì)應(yīng)的激光位移傳感器測(cè)量值，注意要單向移動(dòng)以消除機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)間隙的影響。

最后，模擬實(shí)際工況，安裝正常工作需要的刀柄，進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)換刀試驗(yàn)，記錄不同換刀次數(shù)下激光位移傳感器的示數(shù)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

首先進(jìn)行激光傳感器位置參數(shù)的標(biāo)定，工裝在各個(gè)位點(diǎn)的移動(dòng)值以及激光位移傳感器測(cè)量值見(jiàn)表1。根據(jù)式(2)求得Xa=-53.829，Ya=-52.143，α=0.806 4,β=-0.806 4,Xb=-54.279,Yb=51.661。

表1 各個(gè)標(biāo)定位點(diǎn)坐標(biāo)值和傳感器示數(shù)值 單位：mm

在測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定完成后，對(duì)前5萬(wàn)次的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出刀庫(kù)坐標(biāo)系下插刀前、拉刀前和拉刀后的刀柄圓心，得到刀柄圓心隨換刀次數(shù)的變化規(guī)律，如圖8所示。為分析換刀定位精度隨換刀次數(shù)的變化規(guī)律，繪制插刀前、拉刀前和拉刀后定位精度散點(diǎn)圖，分別如圖9～圖11所示，其對(duì)比分析圖如圖12所示。

圖8 刀柄圓心隨換刀次數(shù)變化圖

圖9 插刀前刀柄定位精度分析

圖10 拉刀前刀柄定位精度分析

圖11 拉刀后刀柄定位精度分析

圖12 3階段圓心散點(diǎn)圖

3.2 結(jié)果分析

1)插刀前刀柄定位精度分析。

由圖7可知，在刀庫(kù)坐標(biāo)系下，初始時(shí)插刀前刀柄圓心坐標(biāo)(-186.0，550.3)，即此時(shí)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)到位后，刀柄圓心位于刀庫(kù)坐標(biāo)系的第二象限且Y軸方向偏差較大。機(jī)械手的初始翻轉(zhuǎn)到位精度即插刀前的定位精度主要由裝配時(shí)主軸與機(jī)械手的相對(duì)位置精度決定。

在圖7中，隨著換刀次數(shù)的增加，插刀前刀柄圓心有變小的趨勢(shì)，結(jié)合初始時(shí)刀柄圓心位于第二象限，可知隨著換刀次數(shù)增加，機(jī)械手與主軸之間逐漸磨合，機(jī)械手與主軸的位置偏差得到改善。由圖12可知，雖然刀柄圓心離散程度隨換刀次數(shù)增加幾乎不變，但相比于拉刀前和拉刀后，插刀前刀柄的圓心離散程度最大，主要是因?yàn)椴宓肚暗侗亩ㄎ痪仁軅鲃?dòng)間隙的影響，所以圓心較為離散。

2)拉刀前刀柄定位精度分析。

由圖8和12可知，拉刀前的刀柄定位精度較插刀前的定位精度改善了很多，定位精度也更加穩(wěn)定，說(shuō)明插刀過(guò)程對(duì)刀柄具有良好的校正作用。此外，刀柄圓心仍然位于刀庫(kù)坐標(biāo)系的第二象限，圓心Y坐標(biāo)相對(duì)于X坐標(biāo)偏差更大，主要是因?yàn)閅軸方向?yàn)榭鄣肚芯€方向。

3)拉刀后刀柄定位精度分析。

從圖12中可以看出，拉刀后刀柄圓心隨換刀次數(shù)增加幾乎不變化，且定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于插刀前的定位精度，主要是因?yàn)橹鬏S的制造精度和剛度高，雖然機(jī)械手翻轉(zhuǎn)到位后與主軸存在差距，但是經(jīng)過(guò)插刀時(shí)和拉刀時(shí)主軸的校正后，偏差得到了校正。

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，拉刀后刀柄沿Y軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于X軸方向，主要原因是在進(jìn)行插刀和拉刀時(shí)，機(jī)械手手臂基本沿X軸方向，導(dǎo)致其沿Y軸方向的剛度低于沿X軸方向的剛度，且Y軸方向?yàn)榭鄣肚芯€方向，所受載荷較大，最終使得刀柄沿Y軸方向的定位精度低于X軸方向。

4)插刀和拉刀的修正分析。

為進(jìn)一步分析換刀過(guò)程中每個(gè)動(dòng)作對(duì)刀柄圓心的修正作用，將拉刀前與插刀前刀柄圓心差值的絕對(duì)值作為插刀修正量，并記為Δx1和Δy1，將拉刀后與拉刀前刀柄圓心差值的絕對(duì)值作為拉刀修正量, 并記為Δx2和Δy2。圖13示出了上述修正量隨換刀次數(shù)的變化規(guī)律。

由圖13可見(jiàn)，插刀的修正量大于拉刀修正量，而且兩者對(duì)圓心在Y軸方向的修正量大于X軸方向的修正量，表明插刀和拉刀都是針對(duì)誤差方向進(jìn)行修正。

圖13 刀柄圓心修正圖

從圖13中還可以發(fā)現(xiàn)，在換刀早期，插刀的修正量隨著換刀次數(shù)的增加而減小，主要是因?yàn)樵谀ズ献饔孟?，插刀前刀柄圓心與主軸圓心更加接近，所以修正量逐漸減小；拉刀的修正量基本不變，主要受主軸的影響，拉刀前和拉刀后刀柄圓心的定位精度很高，所以拉刀修正量基本不變。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)盤(pán)式刀庫(kù)在整機(jī)上的換刀定位精度的檢測(cè)研究，本文提出了一種基于兩個(gè)激光三角法位移傳感器的非接觸式定位精度檢測(cè)方法，同時(shí)對(duì)機(jī)械手的換刀定位精度變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在前5萬(wàn)次換刀時(shí)，機(jī)械手的換刀定位精度逐漸提高。

該測(cè)試方法有助于測(cè)量盤(pán)式刀庫(kù)在整機(jī)上的定位精度，可為深入研究盤(pán)式刀庫(kù)的換刀定位精度變化規(guī)律提供可靠依據(jù)。