專利名稱：刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于加工中心刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測領(lǐng)域，尤其是采用多種傳感元件構(gòu)成刀庫靜動態(tài)性能檢測系統(tǒng)，并利用數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)渐貦C(jī)進(jìn)行分析，編制友好型人機(jī)交互。
背景技術(shù)：
自1958年美國K&T公司首次將刀庫及自動換刀裝置應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床以來，加工中心的精度、穩(wěn)定性、可靠性及柔性等性能都發(fā)生了很多的改變。特別是近幾年來，隨著大型鏈?zhǔn)降稁旒半p環(huán)布刀圓盤刀庫的發(fā)展，使刀庫容量從原來的40多把提高到了 100把以上，刀庫結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和重刀識別技術(shù)的發(fā)展使單刀最大重量也提高了一倍。雙弧面凸輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓式傳動機(jī)構(gòu)，加上選刀布刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，使自動換刀裝置的換刀時間大幅縮短，目前國際先進(jìn)的加工中心換刀時間可達(dá)到2s內(nèi)。加工中心最大的優(yōu)勢在于一次裝夾可·以完成多道エ序的加工，加工效率很高，這就要求加工中心有高可靠性和低故障率，所以加エ中心的可靠性一直備受制造商的重視，也是先進(jìn)產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)。目前，國際先進(jìn)的加工中心的平均故障間隔時間都超過了 1000小吋。刀庫及自動換刀裝置是加工中心區(qū)別于普通數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件。刀庫將加エ所需刀具進(jìn)行儲備，自動換刀裝置實(shí)現(xiàn)刀具的自動裝夾、卸載，減少了加工過程的非切屑時間，從而提高了加工效率、降低了生產(chǎn)成本。隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對加工設(shè)備的綜合性能提出了更高的要求。刀庫的定位精度、運(yùn)行平穩(wěn)性、換刀裝置的運(yùn)動精度等是大型刀庫及自動換刀裝置的重要性能指標(biāo)，對加工中心整體性能影響很大。為了提高刀庫及自動換刀裝置的綜合性能，就必須了解不同類型刀庫定量的性能參數(shù)，以便于尋找出影響性能的主要因素。這就要求研發(fā)ー種較為全面的刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)。本發(fā)明就是為了補(bǔ)充國內(nèi)外對刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測的需求而研發(fā)的。目前，刀庫及自動換刀裝置的性能檢測系統(tǒng)很少，主要表現(xiàn)為現(xiàn)有設(shè)備只針對刀庫或自動換刀裝置的某ー種性能進(jìn)行檢測，如北京エ業(yè)大學(xué)的張躍明等人發(fā)明的《一種自動換刀機(jī)構(gòu)性能檢測平臺》，其主要是對弧面凸輪機(jī)構(gòu)自動換刀裝置的輸入輸出參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，缺乏較為全面的性能檢測。另ー方面目前對刀庫綜合性能的評價主要是通過刀庫的故障建模來計(jì)算可靠性，如吉林大學(xué)數(shù)控裝備可信性研究所的賈亞洲等人研究的圓盤刀庫自動換刀系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺的作用是通過加速試驗(yàn)來對刀庫的故障模式進(jìn)行分析，從而找到影響刀庫的性能的關(guān)鍵部件，無法定量的分析刀庫及自動換刀裝置的綜合性能。本發(fā)明從刀庫定位精度、刀庫振動特性、自動換刀裝置運(yùn)動精度、換刀振動特性和刀庫運(yùn)行噪聲五個方面對刀庫及自動換刀裝置進(jìn)行較為全面的性能檢測，從而定量的了解刀庫及自動換刀裝置的綜合性能，為提高加工中心整體技術(shù)水準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測技術(shù)不足的問題，發(fā)明了ー種以無線振動傳感器、聲壓傳感器和三軸加速度傳感器為傳感元件，采用位置敏感探測器(Position Sensory Device,簡稱PSD)組成的PSD相機(jī)及エ業(yè)相機(jī)為非接觸測量設(shè)備共同構(gòu)成了大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)經(jīng)過模擬電壓采集卡、IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric,簡稱IEPE)模擬量采集卡、圖像采集卡及無線網(wǎng)關(guān)將傳感元件獲取的性能數(shù)據(jù)發(fā)送的エ控機(jī)。在エ控機(jī)里安裝了自行設(shè)計(jì)的刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，繪制出各個功能部件的性能參數(shù)曲線或者生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)并保存到硬盤上。通過得到的各方面的綜合性能數(shù)據(jù)可以直觀或定量的評價大型刀庫及其自動換刀裝置的性能優(yōu)劣，從而達(dá)到解決大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測難的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用三軸加速度傳感器、無線振動傳感器、エ業(yè)相機(jī)、PSD相機(jī)及聲壓傳感器作為大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能的檢測元件。以IEPE模擬量采集卡、無線網(wǎng)關(guān)、圖像采集卡及模擬電壓采集卡作為數(shù)據(jù)采集或信號傳輸設(shè)備，對大型刀庫及其自動換刀裝置的刀庫振動、機(jī)械手臂振動、刀庫定位誤差、機(jī)械手換刀運(yùn)動精度及刀庫工作噪音五個方面的性能進(jìn)行檢測，并將采集到的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到エ控機(jī)。同吋，對所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，作出刀庫和自動換刀裝置的性能參數(shù)曲線或·數(shù)據(jù)表格，并將分析結(jié)果以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和文本文件形式輸出或保存到硬盤，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)回放和對比分析。該檢測系統(tǒng)的軟硬件針對性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以較為全面的反應(yīng)大型刀庫及其自動換刀裝置的性能。大型的加工中心的刀庫部分主要有刀庫和自動換刀機(jī)械手組成，如附圖I所示，本發(fā)明對這兩個功能部件的五項(xiàng)關(guān)鍵性能進(jìn)行檢測。自動換刀裝置的機(jī)械手的運(yùn)動精度和平穩(wěn)性對換刀過程影響很大，其運(yùn)動精度是通過兩個PSD相機(jī)實(shí)時測量機(jī)械手臂上測試光源的運(yùn)動軌跡來反應(yīng)，電壓采集卡將PSD相機(jī)輸出的電信號傳給エ控機(jī)，計(jì)算出測試光源的光心三維坐標(biāo)，從而繪制出機(jī)械手臂的空間運(yùn)動軌跡。安裝在機(jī)械手上的無線振動傳感器采集運(yùn)動過程中的振動信息，并通過無線網(wǎng)關(guān)接收發(fā)送到エ控機(jī)。刀庫的主要作用是儲存刀具和運(yùn)輸指定刀具，其定位精度及大型刀庫由于體積大在動作過程中的振動是主要受關(guān)注的指標(biāo)。該系統(tǒng)通過エ業(yè)相機(jī)對導(dǎo)刀槽部分的進(jìn)行標(biāo)定和圖像提取，將エ業(yè)相機(jī)傳輸來的目標(biāo)圖像進(jìn)行特征提取計(jì)算得到定位精度。安裝在刀庫體上的三軸加速度傳感器將動作過程中的振動信號經(jīng)調(diào)理、采集卡傳輸給測試系統(tǒng)。最后采用聲壓傳感器將刀庫及自動換刀裝置的工作噪聲進(jìn)行測量，并通過放大電路、采集卡發(fā)送到エ控機(jī)。其具體檢測內(nèi)容如下( I)檢測系統(tǒng)的硬件布置如附圖2所示，首先將被測試的刀庫及自動換刀裝置安裝在配備有動力源的試驗(yàn)臺上，然后在刀庫動カ鏈輪8的外殼上安裝三軸加速度傳感器9，三軸加速度傳感器9的輸出電纜依次連接到放在試驗(yàn)臺底座23上的壓電激勵源21的前三個輸入通道上，壓電激勵源21的相應(yīng)的輸出通道與數(shù)據(jù)采集模塊5上的IEPE加速度采集卡的O、1、2通道連接。在雙臂式換刀機(jī)械手12的抓刀ロ與旋轉(zhuǎn)軸之間對稱安裝兩個測試光源13，作為換刀運(yùn)動軌跡測量的目標(biāo)點(diǎn)，在自動換刀裝置箱體11的凸輪外殼底部安置兩個磁性表座，將兩個PSD相機(jī)16對應(yīng)安裝在磁性表座上，PSD相機(jī)16輸出的模擬電壓信號通過PSD信號處理器22被數(shù)據(jù)采集模塊5上的模擬電壓采集卡接受。調(diào)整在試驗(yàn)臺底座23上的相機(jī)三腳架18的高度使エ業(yè)相機(jī)17的鏡頭光軸與刀庫14的導(dǎo)刀槽10、儲刀套6和刀套傳動鏈7的中心在高度上一致，エ業(yè)相機(jī)17通過網(wǎng)線與エ控機(jī)4上PCI插槽內(nèi)的圖像采集卡連接。包含有IEPE加速度采集卡、模擬電壓采集卡和數(shù)字量輸入輸出采集卡的數(shù)據(jù)采集模塊5通過USB接ロ連接エ控機(jī)4，數(shù)據(jù)采集模塊5上的數(shù)字量輸入輸出采集卡用于控制換刀機(jī)械手12上的測試光源13的狀態(tài)，并采集刀庫和自動換刀裝置上安裝的接近開關(guān)的狀態(tài)信號。無線振動傳感器15通過磁盤吸附在換刀機(jī)械手12內(nèi)側(cè)，其接收端無線網(wǎng)關(guān)3連接在エ控機(jī)4上。刀庫噪聲采集靠安裝在傳感器支架20上的聲壓傳感器19完成，其輸出端與壓電激勵源21的第四個輸入通道連接。壓電激勵源21為所連接的IEPE傳感器提供激勵源并放大輸出功率，其輸入、輸出端皆為四通道，與數(shù)據(jù)采集模塊5中IEPE加速度采集卡的O、I、2、3通道相對應(yīng)。用戶控制操作部分由安置在實(shí)驗(yàn)桌I上的エ控機(jī)輸入顯示設(shè)備2和エ控機(jī)4組成。(2)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程，主要內(nèi)容由控制界面和程序圖構(gòu)成。如圖3所示，系統(tǒng)的控制界面層次清晰，從功能上分主要由三部分·組成，第一部分是傳統(tǒng)的windows菜單區(qū)，位于控制界面的最上端和最下端，主要用于在標(biāo)題欄顯示名稱，窗ロ控制區(qū)控制窗ロ的顯示和關(guān)閉，菜單欄提供設(shè)置控制運(yùn)行方式的選項(xiàng)，最下端的狀態(tài)欄顯示實(shí)際運(yùn)行狀況。中間是測試刀庫型號及采集參數(shù)等的數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)和流程控制區(qū)。占主界面的絕大部分面積的是顯示區(qū)，分別顯示機(jī)械手的運(yùn)動軌跡分解圖及振動曲線，刀庫定位特征提取圖像，刀庫振動及噪聲曲線。檢測系統(tǒng)主要用于五個測量任務(wù)的數(shù)據(jù)采集、分析、計(jì)算和采集過程結(jié)果顯示的控制，對所要檢測的五項(xiàng)性能參數(shù)獨(dú)立編程，編寫原則是綜合控制、獨(dú)立采集分析。采集的控制及界面顯示采用綜合控制，即采用事件結(jié)構(gòu)統(tǒng)ー監(jiān)視控制界面上的操作按鈕，綜合控制五個采集任務(wù)的開始和結(jié)束。而對每ー個具體的采集任務(wù)的采用獨(dú)立編程，如圖4所示的是機(jī)械手運(yùn)動精度的測量流程，其主要是通過采集PSD信號處理器22上輸出的模擬電壓信號，利用雙目視覺方法編寫的Matlab算法計(jì)算出測試光源中心的三維運(yùn)動散點(diǎn)群，并擬合出三維運(yùn)動軌跡，最后分解出平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動曲線。測量過程中還需要ー個標(biāo)定過程，是用于當(dāng)兩個PSD相機(jī)16的位置發(fā)生改變后，通過控制平面標(biāo)定模板來測量PSD相機(jī)16的內(nèi)外參數(shù)。圖5所示的是刀庫定位精度測量流程圖，開始時先配置相機(jī)的拍攝參數(shù)，然后給相機(jī)分配內(nèi)存，如果エ業(yè)相機(jī)17首次安裝則啟動觀測，從顯示窗ロ觀測相機(jī)拍攝的照片調(diào)整相機(jī)位置到最佳，相機(jī)拍攝的照片的單位是像素，實(shí)際測量使用的単位是毫米，通過矩形標(biāo)定可以將這兩個單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換，標(biāo)定完后就可以對儲刀套6和導(dǎo)刀槽10進(jìn)行特征提取，計(jì)算定位精度。圖6所示為三軸加速度傳感器9和聲壓傳感器19的采集分析流程圖，這兩個任務(wù)都采用IEPE模擬采集卡采集，編寫方法類似，首先設(shè)置采集參數(shù)并分配內(nèi)存，然后啟動連續(xù)采集，并進(jìn)行批量回調(diào)數(shù)據(jù)，濾波后進(jìn)行頻譜分析和聲壓等級計(jì)算，最后做出特性曲線。圖7所示為機(jī)械手振動特性測量流程圖，由于該部分采用無線網(wǎng)關(guān)3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以在數(shù)據(jù)采集部分采用LabVIEW調(diào)用傳感器自帶的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，其余部分與三軸加速度采集方法相同。同時系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)保存、預(yù)覽和回放功能。檢測吋，首先將三軸加速度傳感器9、聲壓傳感器19、測試光源13、エ業(yè)相機(jī)17和PSD相機(jī)16安裝在刀庫及自動換刀裝置試驗(yàn)臺上，保證安裝的位置在刀庫及自動換刀機(jī)械手在運(yùn)動過程中不會損失傳感器，使用相應(yīng)的通信電纜將傳感器和激勵電源或信號處理器連接起來，同時注意連接電纜不會纏繞在零件上，最后將數(shù)據(jù)采集模塊5與エ控機(jī)4連接好。啟動刀庫14和自動換刀裝置的動カ電源，使刀庫及自動換刀裝置安裝數(shù)控的動作運(yùn)作，預(yù)熱15分鐘后，開啟壓電激勵源21、數(shù)據(jù)采集模塊5、エ控機(jī)4、エ業(yè)相機(jī)17及無線振動傳感器15的電源，待エ控機(jī)4檢測到數(shù)據(jù)采集模塊5、圖像傳輸網(wǎng)卡及無線網(wǎng)關(guān)3等硬件設(shè)備后，啟動檢測系統(tǒng)，待檢測系統(tǒng)載入完成后根據(jù)エ況配置采集參數(shù)并開始采集，待采集結(jié)束后先停止刀庫及自動換刀裝置，然后依次將傳感器和エ控機(jī)電源關(guān)閉，最后取下傳感器整理信號電纜。本發(fā)明的顯著效果是從自動換刀機(jī)械手運(yùn)動精度、運(yùn)行振動特性、刀庫定位精度、刀庫振動特性及噪聲五個方面較為全面的對刀庫及其自動換刀裝置的綜合性能進(jìn)行檢測。在機(jī)械手運(yùn)動精度和刀庫定位精度測量兩個方面采用了非接觸式測量方法，可移植性強(qiáng)，適合多種型號的刀庫性能檢測。在機(jī)械手運(yùn)行振動特性測量上使用了無線振動傳感器，避免了電纜的繞線問題，適合機(jī)械手復(fù)雜動作的長時間測量。數(shù)據(jù)采集部分由加速度采集、模擬電壓采集等不同的模塊構(gòu)成，針對性強(qiáng)，可以根據(jù)不同的エ況改變采集參數(shù)，提供了整體采集精度。檢測系統(tǒng)統(tǒng)ー性好，各個性能檢測模塊全在ー個界面上完成，而且人機(jī)交互性好，操作簡單，降低了對操作者技術(shù)水平的要求，適合非專業(yè)人員使用?！?br>

圖I是檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。圖2是檢測系統(tǒng)硬件布置圖。圖3是檢測系統(tǒng)主界面。圖4是自動換刀機(jī)械手運(yùn)動精度測量流程圖。圖5是刀庫定位精度測量流程圖。圖6是刀庫振動特性和噪聲等級測量流程圖。 圖7是自動換刀機(jī)械手振動特性測量流程圖。圖8是機(jī)械手周向振動曲線。圖中I實(shí)驗(yàn)桌，2エ控機(jī)輸入顯示設(shè)備，3無線網(wǎng)關(guān)，4エ控機(jī)，5數(shù)據(jù)采集模塊，6儲刀套，7刀套傳動鏈，8動カ鏈輪，9三軸加速度傳感器，10導(dǎo)刀槽，11自動換刀裝置箱體，12換刀機(jī)械手，13測試光源，14刀庫，15無線振動傳感器，16PSD相機(jī)，17エ業(yè)相機(jī)，18相機(jī)三腳架，19聲壓傳感器，20傳感器支架，21壓電激勵源，22PSD信號處理器，23試驗(yàn)臺底座。圖8 中的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為 A (2. 406，17. 470)，B (3. 400，14. 680)，C (3. 408，-13. 670)，D (5. 710，16. 000)，E (6. 690，13. 730)，F(xiàn) (9. 070，16. 540)。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式( I)檢測系統(tǒng)硬件選擇本發(fā)明實(shí)驗(yàn)時采用刀庫14為大連高金數(shù)控集團(tuán)生產(chǎn)的大型鏈?zhǔn)降稁霯S5040Z和高速圓盤刀庫YP5030G。在換刀機(jī)械手運(yùn)動精度測量中使用的測試光源13為3W大功率紅外平面LED光源，中心波長在800nm到950nm之間,驅(qū)動電源及控制單元由單片機(jī)組成的遙控電路提供。PSD相機(jī)16使用的是日本濱松光子學(xué)株式會社生產(chǎn)的C10443-03型PSD模塊、臺灣Inkon 6205型磁性表座及連接板構(gòu)成，磁性表座的吸附カ最大達(dá)800N，保證了 PSD相機(jī)16的剛度。PSD模塊的電源和信號處理單兀米用日本濱松光子學(xué)株式會社的C10460型，其典型模擬電壓輸出為±10V，與投影光點(diǎn)在PSD上的坐標(biāo)值對應(yīng)。模擬電壓采集卡使用美國國家儀器NI的NI 9215型4通道16位模擬輸入電壓采集卡。三軸加速度傳感器采用美國PCB公司提供的356A15型壓電式加速度采集器，最大測量范圍為±50g，最大測量頻率為6500Hz。采集噪聲所使用的聲壓傳感器19也是PCB提供的377B02型壓電式傳感器，其最大聲壓測量值為140dB，適合測量32 20000Hz的噪聲信號。這兩款壓電式傳感器的激勵源由PCB公司的482C05提供，三軸加速度和噪聲的采集使用NI公司專用于采集壓電信號的NI 9234型IEPE型采集卡，其為4通道±5V，24位加速度采集卡，使用內(nèi)部時鐘的最大采樣率為51. 2kS/s。無線振動傳感器15采用揚(yáng)州晶明生產(chǎn)的JM5840型，其具備三個軸的振動信號輸出，內(nèi)部配備鋰電池底座上安裝有磁性吸盤，可以方便安裝在高速動作的換刀機(jī)械手12上，支持±6g，600Hz以內(nèi)的振動信號測量，A/D轉(zhuǎn)化精度為16位。エ業(yè)相機(jī)17采用德國AVT公司的GC2450黑白エ業(yè)相機(jī)，該相機(jī)的分辨率為500萬像素，配備Fujinon的焦距為75mm定焦高清鏡頭HF75SA-1，使用微軟的千兆網(wǎng)卡接收。數(shù)據(jù)采集卡采用NI的cDAQ-9174，該采集盒通過USB數(shù)據(jù)線與エ控機(jī)4連接，同時具有4個插槽，分別安·置NI 9215,NI 9234,NI 9401和NI 9977采集模塊，前兩個在前文已經(jīng)介紹，NI 9401是用于數(shù)字量輸入輸出，控制測試光源13的驅(qū)動電路和采集刀庫上接近開關(guān)的狀態(tài)，NI 9977為空模塊，填充在cDAQ-9174的第四個空插槽內(nèi)，起到抗干擾作用。エ控機(jī)4選擇研華公司的610L，763VG型主板，同時配備17寸顯示器。(2)確定對象的測量位置傳感器的安裝位置對測量結(jié)果的影響很大，所以在安裝測量設(shè)備之前首先應(yīng)確定測量位置。以鏈?zhǔn)降稁鞛槔稁斓恼駝觼碓礊閯鹰溳?在運(yùn)輸?shù)毒叩倪^程中的運(yùn)動不平穩(wěn)造成的，且動カ鏈輪8位于刀庫的頂部，刀庫的支持部分在中下部，故三軸加速度應(yīng)安裝在振動幅度相對較大的動カ鏈輪8的外売上。エ業(yè)相機(jī)17的作用在于拍攝出能準(zhǔn)確提取刀套6和導(dǎo)刀槽10邊緣特征的照片，故エ業(yè)相機(jī)17的中心軸線應(yīng)盡可能與導(dǎo)刀槽10的中心高度相近，且要保證目標(biāo)區(qū)域處在視場的95%以上。中國人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)中的《金屬切削機(jī)床噪聲聲壓級測量方法》規(guī)定，噪聲檢測時，測量點(diǎn)的離地面的距離為I. 55m，誤差范圍±0. 075m，離被測物的表面距離為lm。按照以上標(biāo)準(zhǔn)將聲壓傳感器19放置在試驗(yàn)臺上。測試光源13的安裝要保證在PSD相機(jī)16的視野內(nèi)同時要保證在機(jī)械手在換刀過程中不會被遮擋。(3)測量設(shè)備安裝首先在機(jī)械手臂上安裝測試光源13，根據(jù)機(jī)械手臂的長度，保證兩個測試光源13間距離為300mm左右且對稱分布，安裝位置盡量與機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)軸線在同一水平面內(nèi)。固定好測試光源13后開始安裝兩個PSD相機(jī)16，兩者間距離盡可能要大，同時保證兩者的公共視野完全包絡(luò)測試光源13在旋轉(zhuǎn)軸下半周運(yùn)動時的活動區(qū)域，PSD相機(jī)16距離換刀機(jī)械手12的距離要大于400mm，保證機(jī)械手運(yùn)動過程中最小對焦距離為150mm。調(diào)整好測試光源13和PSD相機(jī)16的位置后在機(jī)械手臂上放置無線振動傳感器15，要選擇ー個較為平整的大平面吸附，保證在旋轉(zhuǎn)過程不會滑落，方位遵守X軸為徑向，Y軸為周向，Z軸平行于平移軸，同時不要遮擋到測試光源13的光線。エ業(yè)相機(jī)17在高度上要使鏡頭中心線與導(dǎo)刀槽10中心相等，水平方向要完全保證視野完全包含刀套和一部分導(dǎo)刀槽10并且留出一定的余量，距離刀套端面約2. 0m。聲壓傳感器19安裝距離地面I. 55m,與刀套16端面和自動換刀裝置箱體11端面皆約lm。三軸加速度傳感器安裝在刀庫14頂部動カ鏈輪8外殼的軸端處。所以傳感器的輸出導(dǎo)線皆需合理布置，不可以自由游動或與運(yùn)動部件接觸。エ控機(jī)4、數(shù)據(jù)采集模塊5、壓電激勵源21和顯示器11等設(shè)備要可靠的放置在實(shí)驗(yàn)桌I或試驗(yàn)臺底座23上，擺放位置保證導(dǎo)線的長度和便于操作。(4)系統(tǒng)設(shè)置啟動系統(tǒng)后首先要填入本次測試的刀庫及其自動換刀裝置的型號、刀庫的實(shí)際儲刀數(shù)量、目標(biāo)刀套的序號以及機(jī)械手換刀需要的大體時間。然后啟動NI 9401采集卡，時刻了解目前刀庫的運(yùn)行狀態(tài)。然后設(shè)置各個采集模塊的采集參數(shù)(采集通道、采樣率、采集數(shù)、采樣時間等)，通道的選擇根據(jù)cDAQ-9174中采集模塊的安裝位置進(jìn)行選擇，噪聲的采樣率設(shè)為51. 2k，采樣數(shù)一般選擇5000，刀庫振動的的采樣率設(shè)置在llT20k，模擬電壓的采樣率根據(jù)機(jī)械手的換刀時間設(shè)置，一般在5lTl0k之間，如果換刀時間較短可以選擇較大值。刀·庫的定位精度根據(jù)企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。各個模塊的采樣數(shù)和采集時間根據(jù)實(shí)際情況確定。(5)具體操作步驟首先將要測試的刀庫及其自動換刀裝置安裝在試驗(yàn)臺底座23上，自動換刀裝置箱體11與試驗(yàn)臺底座23之間的連接方式適合多種型號的刀庫裝配，刀庫14僅通過背板與自動換刀裝置箱體11連接，與試驗(yàn)臺底座23之間沒有連接關(guān)系。然后將動カ源連接到自動換刀裝置的凸輪和刀庫14的油缸上，開啟電源測試試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀況約30分鐘，測試過程無故障后停止運(yùn)行，安裝上述3)中所述的步驟安裝傳感器、壓電激勵源21和エ業(yè)相機(jī)17等測試硬件，然后連接數(shù)據(jù)線，并合理布置和固定電線。然后，打開エ控機(jī)4預(yù)熱5分鐘，啟動各個傳感器、數(shù)據(jù)采集卡電源，在エ控機(jī)4識別出數(shù)據(jù)采集卡和エ業(yè)相機(jī)等硬件設(shè)備后，啟動檢測系統(tǒng)，根據(jù)所要測試的實(shí)際エ況設(shè)置參數(shù)，啟動采集進(jìn)行預(yù)采集觀測采集結(jié)果是否異常。如果一切正常時，打開刀庫及自動換刀裝置動カ電源，編制運(yùn)行數(shù)控代碼并啟動運(yùn)行，最后啟動采集開始按鈕，當(dāng)采集結(jié)束后保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重復(fù)采集數(shù)次后，停止刀庫運(yùn)行關(guān)閉電源，退出檢測系統(tǒng)，關(guān)閉各硬件設(shè)備電源，拆卸傳感器和通信數(shù)據(jù)線，整理放置好測量元件，這個檢測過程結(jié)束。(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了說明本發(fā)明的適用效果，對使用本發(fā)明的刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)對大連高金數(shù)控集團(tuán)生產(chǎn)的LS5040Z型大型鏈?zhǔn)降稁旒捌渥詣訐Q刀裝置進(jìn)行檢測所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以換刀機(jī)械手臂運(yùn)行振動特性為例，其中機(jī)械手抓刀25kg時周向振動檢測曲線如圖7所示。同圖可以看出機(jī)械手的換刀周期約為6. 66s，該次測量的采樣率為1kHz，采樣數(shù)為500。測量結(jié)果顯示機(jī)械手的運(yùn)動過程并不是平穩(wěn)的，抖動現(xiàn)象明顯，特別是在狀態(tài)改變的時候，在短時間內(nèi)最大突變達(dá)28m/s2，表明該套刀庫及其自動換刀裝置的機(jī)械手部分在裝配上還需要調(diào)試。本發(fā)明所述的刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)具有檢測項(xiàng)目較為全面，設(shè)備移植性強(qiáng)測量范圍廣，靈敏度高，測量精度較高，操作簡單，對操作者的專業(yè)技術(shù)水平要求不高等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)，其特征是，采用三軸加速度傳感器、無線振動傳感器、工業(yè)相機(jī)、PSD相機(jī)及聲壓傳感器作為大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能的檢測元件；以IEPE模擬量采集卡、無線網(wǎng)關(guān)、圖像采集卡及模擬電壓采集卡作為數(shù)據(jù)采集或信號傳輸設(shè)備，對大型刀庫及其自動換刀裝置的刀庫振動、機(jī)械手臂振動、刀庫定位誤差、機(jī)械手換刀運(yùn)動精度及刀庫工作噪音五個方面的性能進(jìn)行檢測；并將采集到的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到工控機(jī)，同時，對所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，作出刀庫和自動換刀裝置的性能參數(shù)曲線或數(shù)據(jù)表格，并將分析結(jié)果以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和文本文件形式輸出或保存到硬盤，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)回放和對比分析；具體測試步驟如下 (1)系統(tǒng)設(shè)備組成將被測試的刀庫及自動換刀裝置安裝在配備有動力源的試驗(yàn)臺底座(23 )上，在刀庫的動力鏈輪(8 )的外殼上安裝三軸加速度傳感器(9 )，三軸加速度傳感器(9)的輸出電纜依次連接到放在試驗(yàn)臺底座(23)上的壓電激勵源(21)的前三個輸入通道上，壓電激勵源(21)的相應(yīng)的輸出通道與數(shù)據(jù)采集模塊(5)上的IEPE加速度采集卡的O、I、2通道連接；雙臂式換刀機(jī)械手(12)的抓刀口與旋轉(zhuǎn)軸之間對稱安裝兩個測試光源(13)，作為換刀運(yùn)動軌跡測量的目標(biāo)點(diǎn)，在自動換刀裝置箱體(11)的凸輪外殼底部放置兩個磁性表座，將兩個PSD相機(jī)(16)對應(yīng)安裝在磁性表座上，PSD相機(jī)(16)輸出的模擬電壓信號通過PSD信號處理器(22)被數(shù)據(jù)采集模塊(5)上的模擬電壓采集卡接受；在試驗(yàn)臺底座(23)上安置相機(jī)三腳架(18)，通過相機(jī)三腳架(18)將工業(yè)相機(jī)(17)的鏡頭光軸與刀庫(14)的導(dǎo)刀槽(10)、儲刀套(6)和刀套傳動鏈(7)的中心在高度一致，工業(yè)相機(jī)(7)通過網(wǎng)線與工控機(jī)(4) PCI插槽上的圖像采集卡連接；包含有IEPE加速度采集卡、模擬電壓采集卡和數(shù)字量輸入輸出采集卡的數(shù)據(jù)采集模塊(5 )通過USB接口連接工控機(jī)(4 )，數(shù)據(jù)采集模塊(5 )上的數(shù)字量輸入輸出采集卡用于控制換刀機(jī)械手(12)上的測試光源的狀態(tài)，并采集刀庫(14)和自動換刀裝置上安裝的接近開關(guān)的狀態(tài)信號；無線振動傳感器(15)通過磁盤吸附在換刀機(jī)械手(12)內(nèi)側(cè)，其接收端無線網(wǎng)關(guān)3連接在工控機(jī)(4)上；刀庫噪聲采集靠安裝在傳感器支架(20)上的聲壓傳感器(19)完成，其輸出端與壓電激勵源(22)的第四個輸入通道連接；壓電激勵源(22)為所連接的IEPE傳感器提供激勵源并放大輸出功率，其輸入、輸出端皆為四通道，與數(shù)據(jù)采集模塊(5)中IEPE加速度采集卡的0、1、2、3通道相對應(yīng)；用戶控制操作部分由安置在實(shí)驗(yàn)桌(I)上的工控機(jī)輸入顯示設(shè)備(2)和工控機(jī)(4)組成； (2)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 刀庫及其自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)包括控制界面和程序圖；控制界面包括測試刀庫型號及采集參數(shù)等的數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)、程序控制區(qū)和顯示區(qū)，顯示區(qū)顯示機(jī)械手的運(yùn)動精度分解圖及振動曲線，刀庫定位特征提取圖像，刀庫振動及噪聲曲線；機(jī)械手的運(yùn)動精度是通過采集PSD信號處理器(22)輸出的模擬電壓信號，利用雙目視覺方法編寫的Matlab算法計(jì)算出測試光源中心的三維運(yùn)動散點(diǎn)群，分解出平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動曲線；刀庫定位特征圖像的提取要先配置相機(jī)的拍攝參數(shù)并分配內(nèi)存，然后進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，最后對儲刀套(6)和導(dǎo)刀槽(10)進(jìn)行特征特取，計(jì)算定位精度；刀庫振動特性和聲壓等級測量是首先設(shè)置采集參數(shù)并分配內(nèi)存，然后啟動連續(xù)采集，并進(jìn)行批量回調(diào)數(shù)據(jù)，濾波后進(jìn)行頻譜分析和聲壓等級計(jì)算，最后做出特性曲線；機(jī)械手振動特性測量是采用無線網(wǎng)關(guān)(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)采集部分采用LabVIEW調(diào)用傳感器自帶的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，其余部分與三軸加速度采集方法相同；檢測時，啟動刀庫(14)和自動換刀裝置的動力電源加載檢測系統(tǒng)，預(yù)熱15分鐘后，將壓電激勵源(21)、PSD信號處理器(22)數(shù)據(jù)采集模塊(5)、工控機(jī)(4)、工業(yè)相機(jī)(17)及無線振動傳感器(15)的電源開啟，待工控機(jī)(4)檢測到數(shù)據(jù)采集模塊(5)、圖像采集卡及無線網(wǎng)關(guān)(3)等硬件設(shè)備后，啟動檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。
全文摘要
本發(fā)明刀庫及自動換刀裝置綜合性能檢測系統(tǒng)采用三軸加速度傳感器、無線振動傳感器、工業(yè)相機(jī)、PSD相機(jī)及聲壓傳感器作為大型刀庫及其自動換刀裝置綜合性能的檢測元件。以IEPE模擬量采集卡、無線網(wǎng)關(guān)、圖像采集卡及模擬電壓采集卡作為數(shù)據(jù)采集或信號傳輸設(shè)備，對大型刀庫及自動換刀裝置的刀庫振動、機(jī)械手臂振動、刀庫定位誤差、機(jī)械手換刀運(yùn)動精度及整機(jī)工作噪音五個方面的性能進(jìn)行檢測，并將采集到的信號發(fā)送到工控機(jī)。以LabVIEW為工具設(shè)計(jì)了專門進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算的處理軟件，對所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算保存。本發(fā)明具有移植性強(qiáng)、測量范圍廣、測量精度較高、對操作者的專業(yè)技術(shù)水平要求不高等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用價值。
文檔編號B23Q15/20GK102785126SQ20121029207
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者盧曉紅, 賈振元, 韓鵬卓 申請人:大連理工大學(xué)