一种盘刀库换刀机械手性能检测装置及方法

摘要

一种盘式刀库机械手性能检测装置及方法，属于数控机床功能部件性能检测领域。盘式刀库及机械手换刀系统均安装于基座上部，盘式刀库通过电机驱动把所需刀具送达准备换刀位置，再由电气控制刀套翻转，把刀柄停在换刀位置。同时，电机驱动换刀机械手动作，把机械手停在准备换刀位置。当刀柄和机械手都到达换刀位置时，安装在换刀位置附近的五个激光位移传感器测得五个位置数值，由工控机计算得出刀柄圆心水平方向位置、机械手夹持中心水平方向位置和机械手底面竖直方向位置。对比刀柄圆心水平方向位置和机械手夹持中心水平方向位置，判断两中心的重合度。本发明为研究盘式刀库及机械手的可靠性提供实验基础，并为盘式刀库生产厂商提供出厂检测。

说明书

技术领域

本发明是一种盘式刀库机械手性能检测装置及方法，属于数控机床功能部件性能检测领域。

背景技术

刀库及其自动换刀系统是提供自动化加工过程中所需储刀及换刀需求的一种装置，是数控加工中心的核心部件。其自动换刀机构及刀具存储功能，改变了传统以人为主的生产方式，减少了非切削时间，提高了加工效率，降低了生产成本。刀库其由电脑程序控制，可以完成各种不同的加工需求，如钻孔、铣削、攻牙、镗孔等。刀库和机械手执行的动作多，速度快，对定位精度要求高。在复杂零件加工的过程中，需要频繁的更换刀具，这就使得刀库及其自动换刀系统成为影响加工中心可靠性的薄弱环节。

刀库及自动换刀系统主要包括刀库、机械手换刀装置和驱动装置等。刀库的作用是储存各种刀具，并在数控系统的控制下，实现选刀功能，把待换刀具送到指定刀位。国内外比较常用的刀库有圆盘式刀库、斗笠式刀库、链式刀库和转塔式刀库等。圆盘式刀库结构简单、紧凑、易控制，应用比较广泛。机械手是自动换刀装置的主要执行部件，主要作用是实现刀具在主轴与刀库之间的自动交换。驱动装置，则是驱动刀库和机械手动作、实现其功能的机构，有液压、电机、气缸三种方式。

目前，刀库及其机械手自动换刀装置，还是主要依赖进口。国外刀库及机械手的设计、制造和检测方面已经拥有了较为成熟的技术，并且占据了大部分市场。同类检测系统造价高昂且结构复杂，国内的刀库生产厂在盘式刀库出厂前的检验则多是纯人工手动检测。在刀柄及机械手的到位精度方面，国内检测需要特制的刀柄和工具，检测过程较繁琐且费时费力，并且此种检测方式只能大致判定精度是否符合要求而不能够得到具体精度信息。因此非常需要一种刀库及机械手性能检测装置。

发明内容

为了解决当前国内盘式刀库出厂性能检测依靠纯人工方式且不能得到精确信息和国外这类检测系统造价高昂、结构复杂的问题，本发明提供了一种盘式刀库换刀系统性能检测装置。采取的技术方案如下所述：

盘式刀库通过电机驱动把所需刀具送达准备换刀位置，再由电气控制刀套翻转，把刀柄停在换刀位置。同时，电机驱动换刀机械手动作，把机械手停在准备换刀位置。当刀柄和机械手都到达换刀位置时，五个激光位移传感器开始工作，测得五个高精度位置数值，数值通过采集卡传送给工控机，再由工控机计算得出刀柄圆心水平方向位置、机械手夹持中心水平方向位置和机械手底面竖直方向位置。进一步对比刀柄圆心水平方向位置和机械手夹持中心水平方向位置，判断两中心的重合度。

所述的盘式刀库自动换刀性能检测系统包括机械结构模块和信号采集模块。

该系统的机械结构模块包括盘式刀库、刀柄、机械手换刀机构、第一水平支架、第二水平支架和垂直支架。

该系统的信号采集模块包括激光位移传感器A1、激光位移传感器A2、激光位移传感器B1、激光位移传感器B2、激光位移传感器C、数据采集卡、工控机和显示屏。

按照技术方案所述的盘式刀库换刀系统性能检测装置及方法，其特征在于：盘式刀库通过螺栓连接安装在基座上部的安装平面上，在换刀位置下方焊接上焊接板，第一水平支架和第二水平支架通过螺栓连接在焊接板上。焊接板设有凹槽，第一水平支架和第二水平支架均可在凹槽内前后移动，便于微调位置。垂直支架通过螺栓连接在第一水平支架的中下部。激光位移传感器A1通过螺栓安装在第一水平支架上部平台，激光位移传感器B1通过螺栓安装在第一水平支架中部平台，激光位移传感器C通过螺栓竖直安装在垂直支架上，激光位移传感器A2通过螺栓安装在第二水平支架上部平台，激光位移传感器B2通过螺栓安装在第二水平支架中部平台。通过微调安装位置，保证安装平面水平、投射光路垂直，且激光位移传感器A1和激光位移传感器A2的光路交点位于以刀柄中心为圆心半径1mm范围内,激光位移传感器B1和激光位移传感器B2的光路交点位于以机械手夹持中心为圆心半径1mm范围内，激光位移传感器C投光面水平。

按照技术方案所述的盘式刀库换刀系统性能检测装置及方法，其特征在于：激光位移传感器A1、激光位移传感器A2、激光位移传感器B1、激光位移传感器B2和激光位移传感器C均通过采集卡把信号传输给工控机，再由显示屏输出检测结果。

按照技术方案所述的盘式刀库换刀系统性能检测装置及方法，其特征在于：支架上安装有五个激光位移传感器，其中两个设置在水平面上检测刀柄外圆表面距离传感器投光面的距离，据此可以计算出刀柄圆心的位置；两个设置在水平面上检测机械手外表面距离传感器投光面的距离，据此可以计算出机械手夹持中心的位置；一个设置在竖直方向，检测机械手底部距传感器投光面的距离。

本发明的有点在于：

(1)本发明提供了一种盘式刀库换刀系统性能检测装置及方法，对盘式刀库换刀时刀柄和机械手的到位精度进行检测，为研究盘式刀库及机械手的可靠性提供实验基础，并可为盘式刀库生产厂商提供出厂检测，保证刀库质量。

(2)本发明可检测刀柄和机械手的具体到位精度，借助高精度激光位移传感器其检测精度可达到微米级，与以往刀库生产厂的通过性测量方式相比，可获得更精确的精度信息，利于生产企业更深入了解当前斗笠式刀库的性能状态。

(3)本发明同时检测刀柄和机械手的到位精度，通过计算出的中心重合度，确定精度是否合格。确保机械手能快速、准确夹持刀柄，避免撞刀现象。

附图说明

图1检测装置示意图

图2焊接板、第一水平支架和垂直支架装配体示意图

图2-1第一水平支架等轴测图

图2-2第二水平支架等轴测图

图2-3垂直支架等轴测图

图2-4焊接板等轴测图

图3传感器装配体等轴测图

图3-1传感器安装位置布局主视图

图3-2传感器安装位置布局右视图

图3-3传感器安装位置布局俯视图

图中，1——盘式刀库，2——刀柄，3——机械手，4——激光位移传感器A1，5——激光位移传感器B1，6——激光位移传感器C，7——第一水平支架，8——垂直支架，9——第二水平支架，10——激光位移传感器A2，11——激光位移传感器B2，12——焊接板，13——基座，14——采集卡，15——工控机，16——显示屏。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1为检测装置示意图。检测装置由机械结构模块和信号采集模块两部分构成。其中机械结构模块包括盘式刀库(1)、刀柄(2)、机械手(3)、第一水平支架(7)、垂直支架(8)、第二水平支架(9)、焊接板(12)和基座(13)。信号采集模块包括激光位移传感器A1(4)、激光位移传感器A2(10)、激光位移传感器B1(5)、激光位移传感器B2(11)、激光位移传感器C(6)、数据采集卡(14)、工控机(15)和显示屏(16)。

基座(13)为整个检测装置的基准，盘式刀库(1)安装在基座上部安装平面上，在换刀位置下方的基座上通过焊接安装焊接板(12)。图2为焊接板、第一水平支架和垂直支架装配体示意图，图2-1为第一水平支架等轴测图，图2-2为第二水平支架等轴测图，图2-3为垂直支架等轴测图，图2-4为焊接板等轴测图。第一水平支架(7)和第二水平支架(9)通过螺栓连接在焊接板(12)上。焊接板(12)设有凹槽，第一水平支架(7)和第二水平支架(9)均可在凹槽内前后移动，便于微调位置。垂直支架(8)通过螺栓连接在第一水平支架(7)的中下部。

激光位移传感器C(6)通过螺栓竖直安装在垂直支架(8)上，激光位移传感器A2(10)通过螺栓安装在第二水平支架(9)上部平台，激光位移传感器B2(11)通过螺栓安装在第二水平支架(9)中部平台。通过微调安装位置，保证安装平面水平、投射光路垂直，且激光位移传感器A1(4)和激光位移传感器A2(10)的光路交点位于以刀柄中心为圆心半径1mm范围内，激光位移传感器B1(5)和激光位移传感器B2(11)的光路交点位于以机械手夹为圆心半径1mm范围内,激光位移传感器C(6)投光面水。

图3为传感器装配体等轴测图，图3-1为传感器安装位置布局主视图，图3-2为传感器安装位置布局俯视图，图3-3为传感器安装位置布局右视图。测试装置通过传感器建立了一个以激光位移传感器B1(5)和激光位移传感器B2(11)光束交点为原点的直角坐标系，并以两光路作为两坐标轴。激光位移传感器C发射的光路为竖直坐标轴。当刀柄(2)和机械手(3)都到达换刀位置时，激光位移传感器A1(4)和激光位移传感器A2(10)光束交点位于竖坐标轴正方向一点。激光位移传感器A1(4)和激光位移传感器A2(10)检测刀柄外圆表面距离传感器投光面的距离，据此可以得到刀柄外圆坐标值；激光位移传感器B1(5)和激光位移传感器B2(11)检测机械手外表面距离传感器投光面的距离，据此可以得到机械手外测坐标值；激光位移传感器C检测机械手底部距传感器投光面的距离，可以得到机械手(3)竖直方向的位置精度。

激光位移传感器A1(4)、激光位移传感器A2(10)、激光位移传感器B1(5)、激光位移传感器B2(11)和激光位移传感器C(6)均通过采集卡(14)把信号传输给工控机(15)，再由显示屏(16)输出检测结果。