一种链式刀库状态监测系统的制作方法

本实用新型属于数控机床可靠性技术领域，具体涉及一种加工中心链式刀库的状态监测系统。

背景技术：

刀库为加工中心切削加工过程中提供储刀、换刀功能，是加工中心的关键功能部件之一。由于在加工中心各功关键能部件中，刀库及其机械手的故障比例最大，其可靠性在加工中心整机可靠性中具有举足轻重的作用。目前机床上有15％左右的故障都与之有关，可以说刀库是加工中心的可靠性薄弱环节，因此开展加工中心关键部件的可靠性试验，在刀库运行过程中对其运行各参数进行在线实时监测，在故障发生前做好维修的准备，或者在故障发生前维修好关键部件，避免故障的发生是非常有意义的工作。

现有技术中刀库可靠性试验系统较多采用位移传感器及加速度传感器，监测抓刀与拔刀点位置，从而判定是否抓刀准确，刀库是否故障。通过重复的换刀,进行可靠性试验,试验周期长、成本高，监测故障模式单一，精度不高。

经对现有技术的文献检索发现，在中国专利CN 102507231A公开了一种链式刀库及机械手可靠性试验装置及其方法，可以对刀库及机械手进行换刀试验，并记录刀库工作状态的加速度及位移数据。但是它的不足之处在于：仅能监测掉刀、卡刀等有限的故障模式，且监测的状态参数单一；且缺乏明确的可靠性试验方法，仅能进行重复换刀，不能模拟真实工况下的多种状态。中国专利CN 203936712U公开了一种链式刀库可靠性试验装置，通过激光干涉仪对卧式刀库运动时的振动模态测试，通过振动测量仪对待测刀库机械手换刀及复位的位置进行定位精度及重复定位检测。但是它的不足之处在于：没有具体的可靠性试验方法，且仅能检测振动及定位精度，可检测的参数较单一。

技术实现要素：

针对现有技术中的技术缺陷，本实用新型提供一种链式刀库状态监测系统，克服现有可靠性试验装置检测参数单一、故障诊断不精确的局限，并提出一种链式刀库可靠性试验方法，实现刀库实时状态的精确且全面的监测与数据记录，完成精确地故障诊断，并通过采集的故障数据对链式刀库及机械手的可靠性进行评估。

为解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种链式刀库状态监测系统，包括刀盘子系统A和控制子系统C，所述的刀盘子系统A承载待检测刀库，还包括换刀机械手子系统B，换刀机械手子系统B对刀盘子系统A中的待检测刀库进行换刀动作；

还包括故障自动监测子系统D，故障自动监测子系统D包括布置在各子系统之中的传感器和数据采集系统；

所述的控制子系统C内嵌于工控系统中，对上述各子系统进行实时控制、数据分析与存储。

所述的刀盘子系统A包括气泵1、气缸2、刀盘支撑结构件3、伺服电机4和待检测刀库5，其中，气泵1与气缸2通过气动管路连接，气缸2操纵待检测刀库5中的刀具进行推刀和回刀动作；

所述的刀盘支撑结构件3对待检测刀库5进行支撑；

所述的伺服电机4安装在待检测刀库5的上后方，通过行星减速机构驱动待检测刀库5的链轮进行选刀；伺服电机4选用伺服控制器，精确控制刀仓伺服电机的位置、转速和转矩；

可选地，所述的待检测刀库5为分离式链式刀库。

所述的换刀机械手子系统B包括虚拟主轴6、机械手支撑结构件7、减速电机8和机械手9，其中，机械手支撑结构件7对各部件进行支撑固定，减速电机8通过链传动驱动机械手9进行换刀动作，减速电机8与电机支撑架10固连；

所述的虚拟主轴6对机械手9换刀动作带来的刀具的刀柄进行夹持，代替真实数控加工中心的主轴，虚拟主轴6与链式刀库支架固连，并通过待检测刀库5上粗装配加工的竖直通孔进行竖直平面内的微调，虚拟主轴6通过顶丝在水平方向进行微调；在虚拟主轴6位置调节完成后，通过定位销进行固定；

在机械手9进行换刀动作时，减速电机8提供的动力通过弹性联轴器11传递到传动轴12上；传动轴12将动力传递到链轮16上，链轮16通过螺纹连接安装到传动轴12上，通过将链轮套左侧8个螺钉依次旋紧，链轮16通过链条把动力最终传递到机械手9上。

所述的控制子系统C内嵌于电控柜19的工控系统中，并以触摸屏18作为控制终端，与实验员进行交互；

所述的控制子系统C包括下位机、上位机和数据库。

所述的故障自动监测子系统D包括但不限于振动传感器、压力变送器、温度传感器、噪声传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、光电传感器，对整个系统运行信号进行监测，监测信号包括但不限于机械手和刀盘电机的温度、噪声、气压值、电压、电流、刀盘和机械手的振动信号以及判断是否掉刀的高低电平信号。

所述的故障自动监测子系统D通过LabView软件进行多通道、多传感器数据采集，采集到的信号经过数据采集卡，汇总到NI compact RIO测试平台；通过信号分析与处理模块将信号数据进行分析、处理，以文字、图表的形式将刀库运行状态反馈给实验员；信号分析与处理模块包括数据的调用打开、数据列表输出、信号特征量分析、信号图形分析和分析结果的保存。

所述的故障自动监测子系统D的软件系统对刀库运行过程中的各种刀具换刀次数、刀仓正反转的次数、刀库运行状态、运行时间、电机电流和电压变化情况、故障数据状况进行实时监测和记录；通过对数据进行分析和处理，完成刀库故障诊断；当判定链式刀库及其机械手发生故障时，自动终止试验并记录故障数据。

本实用新型的优点和有益效果是：本实用新型是在实验室条件下，模拟加工中心刀库的换刀流程情况，实时监测刀库的运行状态，准确进行故障诊断，低成本、快速及准确地收集可靠性试验数据。通过采集的故障数据对链式刀库及机械手的可靠性进行评估，通过实验室试验暴露链式刀库及机械手故障，找出刀库的设计缺陷或薄软环节，从而进行改进。由于省去了数控机床实际工作中的加工环节，进行频繁的换刀试验，从而缩短了试验周期，可快速及准确地获取试验数据。可见本实用新型用途广泛，通用性强，节省了专用设备的成本投入，且操作简单，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的一种链式刀库可靠性试验方法流程图

图2为本实用新型的一种链式刀库状态监测系统总体框架图(其中，实线为控制信号流，虚线为传感信号流，双箭头为机械连接)

图3为本实用新型的一种链式刀库状态监测系统的一种实施例

图4为刀盘子系统的结构示意图

图5为换刀机械手子系统的驱动系统的结构俯视图

图6为换刀机械手子系统的驱动系统的结构示意图

图7为本实用新型所述的故障自动监测子系统的工作流程示意图

图8为本实用新型的故障自动监测子系统的软件系统框架

图中：

A、刀盘子系统 B、换刀机械手子系统 C、控制子系统 D、故障自动监测子系统 1、气泵 2、气缸 3、刀盘支撑结构件 4、伺服电机 5、待检测刀库 6、虚拟主轴 7、机械手支撑结构件 8、减速电机 9、机械手 10、电机支撑架 11、弹性联轴器 12、传动轴 13、变频器 14、轴承 15、轴承套 16、链轮 17、链轮衬套 18、触摸屏 19、电控柜

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1所述，本实用新型的一种链式刀库可靠性试验方法，包括以下步骤：

步骤1:刀库状态检验。包括安装规定刀具和进行既定功能检验。具体地，在进行可靠性试验前，在刀库上安装规定的刀具，包括最大重量、最大刀具重力矩、最大长度及最大直径的刀具；所述的功能检验包括进行刀仓正反转检验、气缸推刀回刀检验、刀仓交换刀具检验、机械手换刀检验、机械手抓刀检验及系统对数据自动记录检验；

步骤2:最大刀具重量刀具交换试验。刀库仅装入满足最大刀具重量的刀具，进行刀具自动交换试验。刀具在每个刀套自动重复交换次数应不少于五次；

步骤3:故障自动监测子系统监测刀库及机械手的运行状态，进行数据记录以及故障诊断。若系统发生故障，则进行维修；若无故障，则继续下一步；

步骤4:最大刀具直径(相邻刀套空刀)刀具交换试验。在刀库相邻刀套空刀的刀位上，装入满足最大刀具直径(相邻刀套空刀)的刀具，进行刀具自动交换试验。对刀位有特殊规定的，应同时规定刀位进行试验(交换次数不少于五次)；

步骤5:重复步骤3；

步骤6:最大刀具直径(相邻刀套装刀)刀具交换试验。在刀库相邻刀位上，装入满足最大刀具直径(相邻刀套装刀)的刀具，进行刀具自动交换试验。对刀位有特殊规定的，应同时规定刀位进行试验(交换次数不少于五次)；

步骤7:重复步骤3；

步骤8:最大刀具重力矩刀具交换试验。刀库仅装入满足最大刀具重力矩的刀具，进行刀具自动交换试验。刀具在每个刀套自动重复交换次数应不少于五次；

步骤9:重复步骤3；

步骤10:运转噪声试验。刀库中装满刀具，其中，满足最大刀具重量、最大刀具直径(相邻刀套装刀/空刀)、最大刀具重力矩的刀具应至少各有一把，分别进行刀具自动交换试验。在距离刀具自动交换装置1m远的位置，进行噪声测量；

步骤11:重复步骤3；

步骤12:最大刀库容重刀具交换试验。刀库装满刀具，其中，每一把装入的刀具都不超过最大刀具重量、最大刀具直径(相邻刀套装刀)、最大刀具重力矩的允许值，同时，装入的刀具的总重量达到最大刀库容重。驱动刀库进行自动选刀及刀具自动交换试验，每个刀位的刀具自动交换次数不应少于10次；

步骤13:重复步骤3；

步骤14:试验结束。

优选地，在进行上述试验时，每个刀位都进行转位、抓刀动作。转位动作包括正反向的连续顺序转位和不等位转位。

可选地，在上述试验连续运转1-2个小时后，停止15-30分钟。在停止运行的时间内，对试验台进行维护。维护项目包括对机械结构进行润滑，对螺栓进行紧固，对电路接线进行紧固等。

为实现上述链式刀库可靠性试验方法，本实用新型还提出了一种如图2和图3所示的链式刀库状态监测系统，包括刀盘子系统A、换刀机械手子系统B、控制子系统C和故障自动监测子系统D等子系统，其中，刀盘子系统A承载待检测的刀库，换刀机械手子系统B对刀盘子系统A中的待检测刀库进行换刀动作，故障自动监测子系统D包括布置在各子系统之中的传感器和数据采集系统，控制子系统C内嵌于工控系统中，对其它各子系统进行实时控制、数据分析与存储。

具体地，所述的刀盘子系统A如图4所示，主要包括气泵1、气缸2、刀盘支撑结构件3、伺服电机4和待检测刀库5，其中，气泵1与气缸2通过气动管路连接，气缸2操纵待检测刀库5中的刀具进行推刀和回刀动作；所述的刀盘支撑结构件3对待检测刀库5进行支撑；所述的伺服电机4安装在待检测刀库5的上后方，通过行星减速机构驱动待检测刀库5的链轮进行选刀。伺服电机4选用伺服控制器，精确控制刀仓伺服电机的位置、转速和转矩。所述的待检测刀库5为MDH系列分离式链式刀库。

参照图3可见，所述的换刀机械手子系统B主要包括虚拟主轴6、机械手支撑结构件7、减速电机8和机械手9等，其中，机械手支撑结构件7对各部件进行支撑固定，其箱式支撑设计能充分满足链式刀库与主轴换刀系统的可靠性试验要求；减速电机8通过链传动驱动机械手9进行换刀动作，该减速电机8带自动刹车功能，方便机械手换刀后准确地回到原点；减速电机8通过四个螺栓连接到电机支撑架10上；

所述的虚拟主轴6对机械手9换刀动作带来的刀具的刀柄进行夹持，代替真实数控加工中心的主轴，采用机械结构夹持刀套的结构，有效地模拟刀库换刀过程。该虚拟主轴用螺栓直接固定在链式刀库支架后面，并能通过在待检测刀库5上粗装配加工的竖直通孔进行竖直平面内的微小调节，顶丝可以实现虚拟主轴6在水平方向的微小调节。在虚拟主轴位置调节完成后，通过配做定位销的方式使之固定。

结合图5及图6所示，在机械手9进行换刀动作时，减速电机8提供的动力通过弹性联轴器11传递到传动轴12上。减速电机8由变频器13驱动控制，变频器13将根据机械手9所抓刀具的长度、重量的不同，来控制减速电机8的转速，以实现机械手9使用不同速度抓取不同长度、重量的刀具的功能。考虑到不存在轴向力，传动轴所采用的是一对深沟球轴承14。

优选地，所述的轴承14采用自带密封圈结构，通过轴肩和弹性挡圈对轴承内圈进行定位，外圈的定位则依靠轴承套15，内外圈采用小过盈配合的方式安装；传动轴12将动力传递到链轮16上，链轮16通过螺纹连接安装到传动轴12上，通过将链轮套左侧8个螺钉依次旋紧，链轮16通过链条把动力最终传递到换刀机械手9上。链轮衬套17内部的圆锥面向右移动导致收紧槽收缩，胀紧链轮的同时抱紧轴，传递扭矩。减速电机8的整体通过电机支撑架与换刀机械手支撑结构件相连接，所述的电机支撑架10在竖直面和水平面上各开有两个长条孔，可以通过两组长条孔实现两个自由度的调整。

所述的控制子系统C内嵌于电控柜19的工控系统中，并以触摸屏18作为控制终端，与实验员进行交互；触摸屏18安装在具有两个360°旋转关节的拐臂机构上，方便操作。所述的电控柜19用于安装控制电路，放置计算机显示器、工控机和控制板等。所述的控制子系统C包括下位机、上位机和数据库。下位机采用易于扩展、可靠性高且抗干扰能力强的PLC。上位机选用了常用的工控机，方便进行PLC编程。控制子系统C采用ACCESS数据库，对试验数据进行存储及方便的查询。

所述的故障自动监测子系统D包括但不限于振动传感器、压力变送器、温度传感器、噪声传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、光电传感器，对整个系统运行信号进行监测，包括但不限于机械手和刀盘电机的温度信号、噪声、气压值、电压信号、电流信号、刀盘和机械手的振动信号以及检测是否掉刀的高低电平信号等。

图7为故障自动监测子系统D的工作流程。在刀库可靠性试验过程中，故障自动监测子系统D通过LabView软件可实现多通道、多传感器数据采集，采集到的信号经过数采卡，汇总到NI CompactRIO测试平台。通过信号分析与处理模块将信号数据进行分析、处理，以文字、图表的形式直观地将刀库运行状态反馈给操作者。信号分析与处理模块主要包括数据的调用打开、数据列表输出、信号特征量分析、信号图形分析和分析结果的保存等内容。

作为一种具体实施例，图8给出了一种故障自动监测子系统D的软件系统框架。该软件系统可对刀库运行过程中的各种刀具换刀次数、刀仓正反转的次数、刀库运行状态、运行时间、电机电流和电压变化情况、故障数据等状况进行实时监测和记录。通过对数据进行分析和处理，完成刀库故障诊断。当判定链式刀库及其机械手发生故障时，自动终止试验并记录故障数据。

上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式以及方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。