专利名称：链式刀库及机械手可靠性试验装置及其方法
链式刀库及机械手可靠性试验装置及其方法技术领域
本发明属于刀库及机械手可靠性试验技术领域，特别是一种。对链式刀库及机械手进行可靠性试验、并对换刀过程运动参数与状态进行实时检测的试验装置及其方法。
背景技术：
链式刀库及机械手是加工中心的重要组成单元，其主要由链式刀库、液压驱动机构和机械手组成，可根据操作人员的指令在刀库中选择指定的加工刀具，并由液压驱动机构驱动机械手在刀库中取刀，并送到加工中心的主轴上，由加工中心主轴带动刀具进行切削作业。由于刀库及机械手自动化程度高、机构运动较复杂且与加工中心配套工作，其可靠性对保障其加工任务而言非常关键。目前，刀库及机械手在整个加工中心中仍然属于容易发生故障的功能部件之一，直接影响加工中心的无故障工作时间的长短。其动作要求迅速而准确，由此对运动机构定位、运动精度、夹持力大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，会引起换刀过程中发生刀具干涉、卡死和掉刀等故障，导致换刀过程失败。由此，从进一步提高刀库及机械手的可靠性与精度保持性、研发刀库及机械手可靠性试验装置具有重要意义。
经对现有技术的文献检索发现，在中国发明专利公布号CN201540212U的发明专利具有类似技术，名称为一种刀库及机械手试验台。该装置的特点是在底座上固定模拟主轴支架，在模拟主轴支架末端连接与刀库配合的刀具夹持机构，模拟主轴与夹持机构进行模拟换刀。该试验台的不足之处为1、该试验台在测试中所使用的刀具均为模拟刀具，与实际刀库及机械手实际工作情况相差较大，在此基础上分析和研究其可靠性所得结果不够精确；2、没有配套相应的换刀过程参数检测系统，仅仅限于对故障现象的发现和记录，很难对故障相关的一些精度变化情况、运动与力学因素原因进行判定。由此，为了能够根据故障原因进行结构与性能优化、从根本上提高刀库及机械手可靠性，非常有必要开发一种针对链式刀库及机械手进行可靠性试验的同时，对引起故障的一些因素与运动参数进行实时检测的链式刀库及机械手可靠性试验装置。发明内容
本发明的目的在于提供一种具有换刀过程运动参数与状态实时检测功能的链式刀库及机械手可靠性试验装置。
实现本发明目的的技术解决方案为一种链式刀库及机械手可靠性试验装置，包括底座、链式刀库、刀具、液压驱动机构、机械手、主轴、固定架、试验台架、第一位移传感器、 三轴加速度传感器、单轴加速度传感器、光电接近开关、第二位移传感器、第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，其中底座固定在地面上，链式刀库固定安装在底座上，刀具设置在链式刀库的刀位上并由链式刀库转动来到达换刀位置，液压驱动机构与链式刀库相固连，机械手设置在液压驱动机构的输出轴上并在液压驱动机构带动下实现旋转、横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、换刀和装刀动作；试验台架固定安装在地面上，固定架固定安装在试验台架上，固定架上固定安装有主轴；在机械手上固定安装有三轴加速度传感器和单轴加速度传感器，分别用于检测机械手在平移过程和旋转过程中的加速度；第一支撑架固定安装在底座上，在该第一支撑架的上端安装有与机械手的手爪轴心相对的第一位移传感器， 用于检测机械手把刀具安装到主轴过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二支撑架固定安装在底座上，该第二支撑架的上端安装有与机械手的另一手爪轴心相对的光电接近开关，用于检测机械手在横向平移过程中是否掉刀；第三支撑架固定安装在底板上，该第三支撑架的上端安装有与链式刀库的换刀刀位轴心正对的第三位移传感器，用于检测机械手在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点(1)采用本发明提出的方法，可对链式刀库机械手进行可靠性试验，具有操作方便、实用性强的优点。(2)由于此试验装置中采用多种传感器对链式刀库换刀过程进行运动参数和状态的实时检测，不仅可发现其故障产生的情况，而且可提供相应信息对链式刀库及机械手发生故障的原因进行判别。(3)本发明链式刀库及机械手可靠性试验装置结构简单，可通过可靠性试验与分析来提高链式刀库及机械手可靠性，具有很好的市场前景。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为链式刀库及机械手可靠性试验装置的三维结构简图。
图2所示为链式刀库及机械手的试验方法示意图。
图3为链式刀库及机械手可靠性试验装置的测试系统构成图。
具体实施方式
结合图1，本发明链式刀库及机械手可靠性试验装置，包括底座1、链式刀库2、刀具3、液压驱动机构4、机械手5、主轴6、固定架7、试验台架8、第一位移传感器9、三轴加速度传感器10、单轴加速度传感器11、光电接近开关12、第二位移传感器13、第一支撑架14、 第二支撑架15和第三支撑架16，其中底座1固定在地面上，链式刀库2固定安装在底座1 上，刀具3设置在链式刀库2的刀位上并由链式刀库2转动来到达换刀位置，液压驱动机构 4属于链式刀库及机械手整个产品的一个部件并与链式刀库2相固连，整个链式刀库及机械手产品固定安装在底座1上，机械手5设置在液压驱动机构4的输出轴上并在液压驱动机构4带动下实现旋转、横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、换刀和装刀动作；试验台架 8固定安装在地面上，固定架7固定安装在试验台架8上，固定架7上固定安装有主轴6 ；在机械手5上固定安装有三轴加速度传感器10和单轴加速度传感器11，分别用于检测机械手5在平移过程和旋转过程中的加速度；第一支撑架14固定安装在底座1上，在该第一支撑架14的上端安装有与机械手5的手爪轴心相对的第一位移传感器9，用于检测机械手5 把刀具3安装到主轴6过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二支撑架15固定安装在底座1上，该第二支撑架15的上端安装有与机械手5的另一手爪轴心相对的光电接近开关12，用于检测机械手5在横向平移过程中是否掉刀；第三支撑架16固定安装在底板 1上，该第三支撑架16的上端安装有与链式刀库2的换刀刀位轴心正对的第三位移传感器 13，用于检测机械手5在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息。
结合图2，本发明链式刀库及机械手可靠性试验装置中机械手的动作过程用阶段 a-g表示，整个试验方法的过程如下第一步，设计试验装置，该试验装置包括底座1、链式刀库2、刀具3、液压驱动机构4、机械手5、主轴6、固定架7、试验台架8、第一位移传感器9、三轴加速度传感器10、单轴加速度传感器11、光电接近开关12、第二位移传感器13、第一支撑架14、第二支撑架15和第三支撑架16，其中底座1固定在地面上，链式刀库2固定安装在底座1上，刀具3设置在链式刀库2的刀位上并由链式刀库2转动来到达换刀位置，液压驱动机构4属于链式刀库及机械手整个产品的一个部件并与链式刀库2相固连，整个链式刀库及机械手产品固定安装在底座1上，机械手5设置在液压驱动机构4的输出轴上并在液压驱动机构4带动下实现旋转、 横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、换刀和装刀动作；试验台架8固定安装在地面上，固定架7固定安装在试验台架8上，固定架7上固定安装有主轴6 ；在机械手5上固定安装有三轴加速度传感器10和单轴加速度传感器11，分别用于检测机械手5在平移过程和旋转过程中的加速度；第一支撑架14固定安装在底座1上，在该第一支撑架14的上端安装有与机械手5的手爪轴心相对的第一位移传感器9，用于检测机械手5把刀具3安装到主轴6过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二支撑架15固定安装在底座1上，该第二支撑架15的上端安装有与机械手5的另一手爪轴心相对的光电接近开关12，用于检测机械手 5在横向平移过程中是否掉刀；第三支撑架16固定安装在底板1上，该第三支撑架16的上端安装有与链式刀库2的换刀刀位轴心正对的第三位移传感器13，用于检测机械手5在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息；第二步，在第一步设计的试验装置上反复进行换刀操作，并实时检测换刀过程运动参数与状态，即(1)设定机械手5从其初始位置&，然后在液压传动机构4的作用下完成横向移动动作a，直到该机械手5的手爪圆弧中心到达取刀点S1，与取刀刀位轴线对齐并抓住取刀刀位上的刀具3 ；(2)其次，机械手5在液压传动机构4的作用下完成向外拔刀移动动作b，直到该机械手5的手爪上的刀具与取刀刀位完全脱离；此时通过第二位移传感器13对手爪上的刀具位置信息进行检测，通过三轴加速度传感器10对移动过程中的加速度进行检测；(3)机械手5在液压传动机构4的作用下完成横向移动动作c，直到该机械手5的回转轴心到达装刀点&，并与初始位置的回转轴心对齐；此时通过光电接近开关12对是否掉刀进行检测，在此过程中通过三轴加速度传感器10对移动过程中的加速度进行检测；(4)机械手5在液压传动机构4的作用下完成绕其回转轴心旋转180度的动作d，把带有刀具3的手爪转到主轴6 —侧；在此过程中通过单轴加速度传感器11对旋转过程中的加速度进行检测；(5)机械手5在液压传动机构4的作用下完成横向移动动作e，直到其手爪圆弧中心与主轴6轴线对齐；此时通过第一位移传感器9对手爪上的刀具位置信息进行检测，在此过程中通过三轴加速度传感器10对移动过程中的加速度进行检测；(6)机械手5在液压传动机构4的作用下完成纵向装刀移动动作f，直到其手爪上的刀具3装到主轴6上；在此过程中通过三轴加速度传感器10对移动过程中的加速度进行检测；(7)机械手5在液压传动机构4的作用下横向移动动作g，直到其回到初始位置&，整个抓刀装刀过程结束，在此过程中通过三轴加速度传感器10对移动过程中的加速度进行检测；第三步，对每次换刀过程中检测到的加速度、是否掉刀、取刀点和装刀点的位置信息进行记录，得到换刀过程运动参数与状态，为可靠性分析提供数据。
结合图3，本发明链式刀库及机械手可靠性试验装置的测试系统包括工业控制计算机、PCI数据采集卡、三轴加速度传感器10、单轴加速度传感器11、光电接近开关12、第一位移传感器9和第二位移传感器13，其中PCI数据采集卡卡用于采集各路传感器的信息， 并传输到工业控制计算机进行数据处理与存贮；三轴加速度传感器10和单轴加速度传感器11采用美国PCB加速度传感器，分别用于检测机械手5在平移过程和旋转过程中的加速度；采用德国巴鲁夫光电接近开关，用于检测机械手5在横向平移过程中是否掉刀，第一位移传感器9采用KEYENCE数字电涡流传感器，用来检测机械手5把刀具3安装到主轴6过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二位移传感器13采用美国PCB电涡流传感器，用来检测机械手5在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息。
权利要求
1.一种链式刀库及机械手可靠性试验装置，其特征在于包括底座(1)、链式刀库(2)、 刀具(3)、液压驱动机构(4)、机械手(5)、主轴(6)、固定架(7)、试验台架(8)、第一位移传感器(9)、三轴加速度传感器(10)、单轴加速度传感器(11)、光电接近开关(12)、第二位移传感器(13)、第一支撑架(14)、第二支撑架(15)和第三支撑架(16)，其中底座(1)固定在地面上，链式刀库(2)固定安装在底座(1)上，刀具(3)设置在链式刀库(2)的刀位上并由链式刀库(2)转动来到达换刀位置，液压驱动机构(4)与链式刀库(2)相固连，机械手(5)设置在液压驱动机构(4)的输出轴上并在液压驱动机构(4)带动下实现旋转、横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、换刀和装刀动作；试验台架(8)固定安装在地面上，固定架(7)固定安装在试验台架(8)上，固定架(7)上固定安装有主轴(6)；在机械手(5)上固定安装有三轴加速度传感器(10 )和单轴加速度传感器(11)，分别用于检测机械手(5 )在平移过程和旋转过程中的加速度；第一支撑架(14)固定安装在底座(1)上，在该第一支撑架(14)的上端安装有与机械手(5)的手爪轴心相对的第一位移传感器(9)，用于检测机械手(5)把刀具 (3)安装到主轴(6)过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二支撑架(15)固定安装在底座(1)上，该第二支撑架(15)的上端安装有与机械手(5)的另一手爪轴心相对的光电接近开关(12)，用于检测机械手(5)在横向平移过程中是否掉刀；第三支撑架(16)固定安装在底板(1)上，该第三支撑架(16)的上端安装有与链式刀库(2)的换刀刀位轴心正对的第三位移传感器(13)，用于检测机械手(5)在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息。
2.一种链式刀库及机械手可靠性试验方法，其特征在于步骤如下第一步，设计试验装置，该试验装置包括底座(1)、链式刀库(2 )、刀具(3 )、液压驱动机构(4)、机械手(5)、主轴(6)、固定架(7)、试验台架(8)、第一位移传感器(9)、三轴加速度传感器(10)、单轴加速度传感器(11)、光电接近开关(12)、第二位移传感器(13)、第一支撑架(14)、第二支撑架(15)和第三支撑架(16)，其中底座(1)固定在地面上，链式刀库(2)固定安装在底座(1)上，刀具(3)设置在链式刀库(2)的刀位上并由链式刀库(2)转动来到达换刀位置，液压驱动机构(4)与链式刀库(2)相固连，机械手(5)设置在液压驱动机构(4) 的输出轴上并在液压驱动机构(4)带动下实现旋转、横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、 换刀和装刀动作；试验台架(8)固定安装在地面上，固定架(7)固定安装在试验台架(8)上， 固定架(7)上固定安装有主轴(6)；在机械手(5)上固定安装有三轴加速度传感器(10)和单轴加速度传感器(11)，分别用于检测机械手(5)在平移过程和旋转过程中的加速度；第一支撑架(14)固定安装在底座(1)上，在该第一支撑架(14)的上端安装有与机械手(5)的手爪轴心相对的第一位移传感器(9)，用于检测机械手(5)把刀具(3)安装到主轴(6)过程中装刀点处是否掉刀和装刀点的位置信息；第二支撑架(15)固定安装在底座(1)上，该第二支撑架(15)的上端安装有与机械手(5)的另一手爪轴心相对的光电接近开关(12)，用于检测机械手(5)在横向平移过程中是否掉刀；第三支撑架(16)固定安装在底板(1)上，该第三支撑架(16)的上端安装有与链式刀库(2)的换刀刀位轴心正对的第三位移传感器(13)， 用于检测机械手(5)在抓刀和拔刀过程中是否掉刀和抓刀点的位置信息；第二步，在第一步设计的试验装置上反复进行换刀操作，并实时检测换刀过程运动参数与状态，即(1)设定机械手(5)从其初始位置&，然后在液压传动机构(4)的作用下完成横向移动动作a，直到该机械手(5)的手爪圆弧中心到达取刀点S1，与取刀刀位轴线对齐并抓住取刀刀位上的刀具(3);(2)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下完成向外拔刀移动动作b，直到该机械手 (5)的手爪上的刀具与取刀刀位完全脱离；此时通过第二位移传感器(13)对手爪上的刀具位置信息进行检测，通过三轴加速度传感器(10)对移动过程中的加速度进行检测；(3)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下完成横向移动动作c，直到该机械手(5) 的回转轴心到达装刀点&，并与初始位置的回转轴心对齐；此时通过光电接近开关(12)对是否掉刀进行检测，在此过程中通过三轴加速度传感器(10)对移动过程中的加速度进行检测；(4)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下完成绕其回转轴心旋转180度的动作d， 把带有刀具(3)的手爪转到主轴(6)—侧；在此过程中通过单轴加速度传感器(11)对旋转过程中的加速度进行检测；(5)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下完成横向移动动作e，直到其手爪圆弧中心与主轴(6)轴线对齐；此时通过第一位移传感器(9)对手爪上的刀具位置信息进行检测， 在此过程中通过三轴加速度传感器(10)对移动过程中的加速度进行检测；(6)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下完成纵向装刀移动动作f，直到其手爪上的刀具(3)装到主轴(6)上；在此过程中通过三轴加速度传感器(10)对移动过程中的加速度进行检测；(7)机械手(5)在液压传动机构(4)的作用下横向移动动作g，直到其回到初始位置&， 整个抓刀装刀过程结束，在此过程中通过三轴加速度传感器(10 )对移动过程中的加速度进行检测；第三步，对每次换刀过程中检测到的加速度、是否掉刀、取刀点和装刀点的位置信息进行记录，得到换刀过程运动参数与状态，为可靠性分析提供数据。
全文摘要
本发明公开了一种链式刀库及机械手可靠性试验装置，包括底座、链式刀库、刀具、液压驱动机构、机械手、主轴、固定架、试验台架、第一位移传感器、三轴加速度传感器、单轴加速度传感器、光电接近开关、第二位移传感器、第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，其中底座固定在地面上，链式刀库固定安装在底座上，刀具设置在链式刀库的刀位上并由链式刀库转动来到达换刀位置，液压驱动机构与链式刀库相固连，机械手设置在液压驱动机构的输出轴上并在液压驱动机构带动下实现旋转、横向平移和纵向平移，实现抓刀、拔刀、换刀和装刀动作。本发明可对链式刀库机械手进行可靠性试验，具有操作方便、实用性强的优点。
文档编号G01M99/00GK102507231SQ20111031143
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者冯虎田, 刘亚峰, 朱振华, 李加明, 李春梅, 欧屹, 殷爱华, 王禹林, 董维新, 钱林方, 陶卫军, 韩军 申请人:南京理工大学