CN104175179A - 加工中心atc系统拔刀力与插刀力的检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统及方法，克服了目前结构复杂、操作困难、采用间接测量与测量精度较低等问题，其由刀柄部分和电路部分组成；刀柄部分包括拉钉(1)、前端刀柄(2)与后端刀柄(4)。电路部分包括动态测力传感器(3)、电池(5)与上下层PCB板(6)。拉钉(1)右端与前端刀柄(2)左端螺纹连接，前端刀柄(2)右端装入后端刀柄(4)左端为间隙配合，动态测力传感器(3)左端与前端刀柄(2)右端螺纹连接，动态测力传感器(3)右端与后端刀柄(4)左端螺纹连接，动态测力传感器(3)输出端与上下层PCB板(6)输入端连接，电池(5)输出端与上下层PCB板(6)电源输入端连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工中心的检测装置，更确切地说，本发明涉及一种加工中心ATC(Automatic Tool Changer)系统拔刀力与插刀力的检测系统及方法。
背景技术
加工中心作为数控机床领域中的高端产品在市场上广受欢迎，ATC系统是加工中心重要的组成部件之一，其可靠性水平直接影响机床整机的可靠性水平。通常，机床在出厂时刀库刀套里的锁紧弹簧和主轴内部的拉刀器都是凭借生产经验进行调整，对刀柄在刀套和主轴内的锁紧力值的测量缺乏实用有效的检测系统和方法；另外，加工中心ATC系统刀库和自动换刀装置在长期使用过程中，经常会出现刀柄磨损、刀套松动、主轴磨损、机械手位置偏移等一些问题，这些情况都会导致ATC系统拔刀力和插刀力出现异常变化，从而影响加工质量、加剧刀柄磨损、ATC系统故障等，甚至造成人身伤害事故。因此需要研究和开发加工中心ATC系统拔刀力与插刀力检测系统及方法，能够对ATC系统的拔刀力与插刀力进行检测，实现刀套锁紧弹簧和主轴拉刀器的精确调整，防止加工中心ATC系统故障的发生，达到提高加工中心可靠性的目的。目前，国外关于加工中心ATC系统拔刀力与插刀力检测系统价格昂贵、结构复杂、操作困难、适用范围有限，且通常采用间接测量方式、测量精度较低，而国内目前尚无这方面的完整的检测系统及方法。
中国专利公布号为CN102430960A，公布日为2012-05-02，发明名称为‘拉刀力及插刀力的测量及记录装置’，该专利中机械部分存在结构设计不合理，该专利中所用的传感器不能实现测量目的，该专利中的电路部分含糊不清，且没有经过试验测试验证；同时，此专利没有提出加工中心ATC系统拔刀力与插刀力检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力检测系统价格昂贵、结构复杂、操作困难、适用范围有限，且通常采用间接测量方式、测量精度较低，而国内目前尚无这方面的完整的检测系统及方法的问题，提供了一种加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统由刀柄部分和电路部分组成。
所述的刀柄部分包括有拉钉、前端刀柄与后端刀柄。
所述的电路部分包括有动态测力传感器、电池与上下层PCB板。
拉钉的右端与前端刀柄的左端螺纹连接，前端刀柄右端的圆环体凸缘装入后端刀柄左端的圆形盲孔中为间隙配合，动态测力传感器位于前端刀柄与后端刀柄之间，动态测力传感器的左端与前端刀柄的右端螺纹连接，动态测力传感器的右端与后端刀柄的左端螺纹连接，动态测力传感器的输出端与上下层PCB板的输入端电线连接，电池的输出端与上下层PCB板的电源输入端电线连接。
技术方案中所述的电池安装在后端刀柄上的凹槽内，上下层PCB板安装在电池的上面并固定在后端刀柄上，上下层PCB板的上方安装一个保护外壳，并采用螺钉将保护外壳固定在后端刀柄上的凹槽的四角处。
技术方案中所述的前端刀柄左端面的中心处沿轴向设置有安装拉钉的拉钉螺纹盲孔，前端刀柄圆台锥面的右端设置有一个径向的圆形盲孔，前端刀柄的右端设置有一个圆环体凸缘，圆环体凸缘左侧的圆台中心处水平地设置有用于安装动态测力传感器的左螺纹盲孔，拉钉螺纹盲孔、左螺纹盲孔、圆环体凸缘与圆台的回转中心线共线。
技术方案中所述的后端刀柄为2段圆柱体组成的结构件，左端圆柱体的直径大于右端圆柱体的直径，左端圆柱体的外圆柱面上设置有V形环槽，后端刀柄左端即左端圆柱体的中心处水平地设置有圆形盲孔，圆形盲孔的右侧壁的中心处水平地设置有右螺纹盲孔，右螺纹盲孔的上方设置有导线孔，后端刀柄右端圆柱体的右端为半圆柱体结构，半圆柱体的平面上设置有安装电池的凹槽，凹槽左右两侧与四角处分别设置有4个结构相同的用于安装上下层PCB板的2号螺纹盲孔与安装保护外壳的3号螺纹盲孔。
技术方案中所述的上下层PCB板(6)包括上层PCB板和下层PCB板；
所述的下层PCB板包含有信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路和程序下载器接口电路。所述的信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路中的VCC引脚都与电源的正极相连，所述的信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路中的GND都与电源的负极相连，所述的信号放大电路中的sensor+和sensor-分别与动态测力传感器(3)的正负级信号输出端相连，所述的信号放大电路中的REF引脚与所述的偏置电压电路中的引脚REF相连，所述的信号放大电路中的ADinput引脚与所述的单片机电路中的ADinput引脚相连，所述的单片机电路中的C2D引脚与所述的程序下载器接口电路中的C2D引脚相连，所述的单片机电路中的C2CK引脚与所述的程序下载器接口电路中的C2CK相连，所述的单片机电路中的引脚21与上下层PCB板中的上层PCB板的RXD引脚相连，所述的单片机电路中的VREF引脚与所述的单片机电路中的VREF引脚相连。所述的上层PCB板是型号为UC600串口转SD卡存储模块电路，所述的型号为UC600型串口转SD卡存储电路的引脚9与单片机电路的引脚21相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的引脚8与电源正极相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的引脚10与电源的负极相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的其他引脚不用悬空。
一种采用加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统检测加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的方法，其步骤如下：
1)搭建加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统并进行加载实验：
用动态测力传感器将改装刀柄即前端刀柄与后端刀柄进行连接，并把动态测力传感器的信号输出端与电路部分的输入端接口电线连接，将调试好的程序下载到单片机中，电池和上下层PCB板依次地安装到后端刀柄右端的半圆柱上，最后将保护外壳安装到上下层PCB板的上方；
2)将加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统手工插入加工中心ATC系统刀库的某一个空刀套中、打开加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统的电源开关及记录刀套编号；
3)运行数控程序使加工中心ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄在刀库与主轴之间完成拔刀、旋转和插刀的循环换刀动作，并通过串口转SD卡存储模块电路中的存储卡SD存储检测数据；
4)对每个刀套都进行多次循环换刀，检测并记录拔刀力和插刀力的值，换刀结束之后，停止换刀，关掉测试刀柄电源，并取出存储卡；
5)利用编制好的MATLAB程序读取存储卡中的数据，绘制ATC系统在不同刀套进行多次循环中拔刀力和插刀力变化的曲线；
6)对检测的拔刀力和插刀力进行分析，得到相同刀套内的多次测量拔刀力与插刀力的峰值，对其峰值的数学期望和方差(数学统计学中的重要参数)等参数进行分析；对不同刀套拔刀力和插刀力峰值的数学期望和方差等参数进行对比分析，绘制不同刀套的拔刀力与插刀力大小曲线；
7)在不同的时间阶段，可以对在工作的加工中心ATC系统重复进行上述3)到6)的步骤，测量在不同服役时间阶段时ATC系统拔刀力和插刀力大小的变化。
一种采用加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统检测加工中心ATC系统装配过程中刀套锁紧钢球松紧程度的方法，其步骤如下：
1)将加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统插入要检测的目标刀套中、打开检测系统的电源开关及记录刀套编号；
2)运行数控程序使ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄完成拔刀和插刀动作，并通过存储卡存储检测数据；
3)多次对选择的刀套号进行检测，读取数据并求其插刀力与拔刀力峰值的平均值；若测量值不在工业制造装备允许范围之内，则调整刀套里的四个锁紧钢球，然后再次测其拔刀力与插刀力，直至调整到锁紧钢球的松紧程度达到其插刀力与拔刀力允许的70至80千克力值范围之内，则停止检测该刀套，选择其他刀套继续检测，直至整个刀库的所有刀套的拔刀力与插刀力都在允许范围之内；
4)检测结束，关掉电源，退出加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，并将采集到的数据保存备用。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统能够方便的实现其的安装与拆卸，且加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统比现有的结构简单，电路有更高的抗外界磁场干扰的能力，在很大程度上满足高精度、高抗扰性的要求，整体性能好，成本低，适合广大数控机床生产厂家、数控机床用户及从事研发和生产ATC系统的厂家使用。
2.本发明提供了一种加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测方法，这是在国内首次提出了这方面比较完整的检测方法，其操作简单方便、结构紧凑和试验精度高的优点。
3.本发明还提供了一种加工中心ATC系统装配过程中刀套锁紧钢球松紧程度的检测方法，不仅能够为加工中心ATC系统装配过程中刀套内锁紧钢球的调整提供了依据，而且可以随时检测加工中心ATC系统使用过程中锁紧钢球的松紧程度，防止加工中心ATC系统故障的发生，达到提高加工中心可靠性的目的。
4.本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统能够直接对ATC系统拔刀力与插刀力进行测量并记录，可以随时检查ATC系统刀柄磨损、刀套松动、主轴磨损、机械手位置偏移等一些问题，这将对加工中心ATC系统故障诊断、故障监控和预警及性能测评具有十分重要的意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统结构组成主视图上的剖视图；
图2为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统结构组成分解式轴测投影视图；
图3为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中的电路部分结构原理示意框图；
图4为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中所使用的非标准动态测力传感器结构组成的轴测投影视图；
图5为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中信号放大电路的结构原理图；
图6为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中单片机电路连接的结构原理图；
图7为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中程序下载器接口电路的结构原理图；
图8为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中偏置电压电路的结构原理图；
图9为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中软件绘制的下层PCB板图；
图10为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中单片机程序流程框图；
图11为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测方法的流程框图；
图12为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统在10KG重量物体下检测的数据通过软件绘制的曲线图；
图13为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统在一次换刀循环中检测系统检测的数据通过软件绘制的曲线图；
图14为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统在刀库中一个刀套拔刀过程随时间变化受力大小图；
图15为本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统在刀库中一个刀套插刀过程随时间变化受力大小图；
图16为本发明提供的一种加工中心ATC系统刀套里锁紧钢球球松紧程度的检测方法流程图；
图中，1.拉钉，2.前端刀柄，3.动态测力传感器，4.后端刀柄，5.电池，6.上下层PCB板，7.保护外壳,8.规格为M12圆柱螺纹,9.带双切边的圆凸台,10.电线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
如图1和图2所示，本发明所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统由刀柄部分和电路部分两大部分组成。
所述的刀柄部分包括有拉钉1、前端刀柄2、后端刀柄4与保护外壳7。所述的电路部分包括有动态测力传感器3、电池5与上下层PCB板6。
拉钉1的右端与前端刀柄2的左端螺纹盲孔连接，前端刀柄2右端装入后端刀柄4的左端间隙配合，动态测力传感器3位于前端刀柄2与后端刀柄4之间，动态测力传感器3左端的规格为M12圆柱螺纹8与前端刀柄2的右端螺纹盲孔连接，动态测力传感器3右端的规格为M12圆柱螺纹与后端刀柄4的左端螺纹盲孔连接，动态测力传感器3中最大直径圆柱的侧面上的电线10的输出端与上下层PCB板6的输入端电线连接，电池5的输出端与上下层PCB板6的电源输入端电线连接，电池5安装在后端刀柄4上的凹槽内，上下层PCB板6安装在电池5的上面并固定在后端刀柄4上。
所述的刀柄部分在不改变现有加工中心刀柄(本文以BT50为例)外形结构尺寸和功能的条件下，对标准BT50刀柄进行其结构的改变，由原来的整体刀柄改装成前端刀柄2与后端刀柄4。
所述的前端刀柄2左端面的中心处沿轴向设置有安装拉钉1的拉钉螺纹盲孔，前端刀柄2圆台锥面的右端设置有一个径向的圆形盲孔，用于将拉钉1与前端刀柄2和前端刀柄2与后端刀柄4之间的拆装，由于前端刀柄2是圆台形结构件，不便装卡，有了这个圆盲孔，可以用工具将拉钉1从前端刀柄2或者将前端刀柄2从后端刀柄4上拆卸下来。前端刀柄2的右端设置有一个圆环体凸缘，圆环体凸缘左侧的圆台中心处水平地设置有用于安装动态测力传感器3的左螺纹盲孔，拉钉螺纹盲孔、左螺纹盲孔、圆环体凸缘与前端刀柄2的圆台部分的回转中心线共线；前端刀柄2右端的圆环体凸缘装入后端刀柄4左端的圆形盲孔中为间隙配合，前端刀柄2右端的圆环体凸缘与后端刀柄4左端圆形盲孔的回转中心线共线，这样可以防止ATC系统换刀过程中刀柄松动和弯曲变形等，提高了其刀柄的强度。
所述的后端刀柄4为2段圆柱体组成的结构件，左端圆柱体的直径大于右端圆柱体的直径，左端圆柱体的外圆柱面上设置有V形环槽，后端刀柄4左端(即左端圆柱体)的中心处水平地设置有圆形盲孔，圆形盲孔的右侧壁的中心处水平地设置有右螺纹盲孔，右螺纹盲孔的上方设置有导线孔，即后端刀柄4中的导线孔的中心线在动态测力传感器3的最大外径的外侧，这样当动态测力传感器3安装上去之后，动态测力传感器3上的输出电线10插入导线孔后与其右侧的上下层PCB板6中的下层PCB板连接。后端刀柄4右端圆柱体的右端为半圆柱体结构，半圆柱体的平面上设置有安装电池5的凹槽，凹槽左右两侧与四角处设置有4个结构相同的用于安装上下层PCB板6的2号螺纹盲孔与安装保护外壳7的3号螺纹盲孔。
参阅图4，动态测力传感器3的结构如图所示，两端为规格为M12的圆柱螺纹8在上面设计了带双切边的圆凸台9，有利于动态测力传感器3的安装和拆卸,电线10从动态测力传感器3中最大直径圆柱的侧面引出，所述的电线10为五根线组成：红色为电源正极，黑色为电源负极，绿色为信号输出正极，白色为信号输出负极，黄色为屏蔽线。
参阅图2，所述的拉钉1的右端与前端刀柄2的左端螺纹连接，动态测力传感器3左端的规格为M12圆柱螺纹8与前端刀柄2的右端螺纹连接，动态测力传感器3右端的规格为M12圆柱螺纹8与后端刀柄4的左端螺纹连接，后端刀柄4的左端断截面与前端刀柄2的右端断截面不接触，留有一定间隙(间隙的范围为2～3mm)。上下层PCB板6置于后端刀柄4中的右端平面上的凹槽内，上下层PCB板6与动态测力传感器3的输出电线10通过导线连接。上下层PCB板6的上方盖上一个保护外壳7，采用螺钉将保护外壳7固定在后端刀柄4中的右端平面上即凹槽的四角处。
所述的电路部分包括有动态测力传感器3、电池5和上下层PCB板6。
参阅图3，动态测力传感器3测得拉压力值，经信号放大电路，输送至单片机处理(由于选用的单片机集成有AD转换功能，所以不需要经过单独的AD转换元件)，单片机进行模/数转换后将处理的数据传送存储在UC600串口存储U盘式存储卡模块的SD卡中，最后进行数据读取处理分析。整个测量过程由单片机程序控制，高速循环进行，不断检测并记录力值信息。
参阅图4，由于拔刀时力作用时间比较短，不是典型的静态力测量，选用动态测力传感器3。便于传感器与前端刀柄2和后端刀柄4的连接，选用两端都带有螺纹的圆柱形动态测力传感器。本发明以U9系列测力传感器为例，其三维结构示意图如图中所示。
加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统工作时在加工中心刀库及主轴间运动，加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统与外界独立，不能使用外部供电。动态测力传感器3要求输入电压为5V～12V，电路部分大部分元器件供电电压都为5V，因此可选用输出电压为5V的电池来给整个装置供电。本发明采用5V3000MAH锂聚合物可充电电池为系统供电。该电池容量大，达到3000mAh，一次充电可以供电路部分使用数十小时以上；电池供电电压稳定，有利于动态测力传感器3采集过程中的输出稳定；最大供电电流达到1A，完全满足动态测力传感器3及电路部分的供电需要。而且输出和充电输入都采用标准PIN接口，使用方便。
所述的上下层PCB板6包括上层PCB板和下层PCB板。
所述的下层PCB板包含有信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路和插头接口。
动态测力传感器3的输出信号是微弱的毫伏级别的，需经过信号放大电路将信号放大，再进行A/D转换。本发明采用型号为OP07的信号运算放大器，由于型号为OP07的信号运算放大器需要双电源供电，本发明需要一个模块将电池5的单极性电源转变为双极性电源。加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统的电路部分中采用型号为A0505S的DC-DC电源模块来实现这一功能。型号为A0505S的DC-DC电源模块不仅能将电池的0～5V电压输出变换为-5V～+5V输出，而且具有滤波、稳压、隔离噪声、短路保护、过压保护等各种优点。
参阅图5，型号为A0505S的DC-DC电源模块的输入端引脚Vin与电池5正极相连，引脚GND与电池5的负极相连，由电池5给型号为A0505S的DC-DC电源模块供电。型号为A0505S的DC-DC电源模块有三个输出引脚，分别为+5V、地和-5V，+5V和-5V为型号为OP07的信号运算放大器供电。为了使输入输出电压更加稳定，在输入端Vin与GND、+5V与GND、-5V与GND之间都并联一个电容，大小为10uF。
动态测力传感器3可以承受拉压力，输出是双极性的电压信号，而模/数转换器只能识别正电压，因此为了实现拉压力的检测测量，需要在放大后的信号上加上偏置电压，使初级放大器的输出电压整体向上偏移，在加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统的整个量程之内信号放大模块输出电压都为正值。于是本发明采用第二个型号为OP07的信号运算放大器，将初级放大器的输出电压与偏置电压模块的电压进行运算，实现电压整体偏移。
型号为OP07的信号运算放大器在很多场合不需要额外的调零措施，但由于动态测力传感器3的输出电压比较小，微小的失调电压就可能会带来加大误差，为了保证测量的精准度，在初级运算放大器上设置调零电路。在型号为OP07的信号运算放大器的1引脚和8引脚之间连上一个20kΩ的电位器，本发明实施例中的电位器采用型号为3296W203的电位器。电位器的调整脚与+5V引脚相连。通过调整电位器可以调整失调电压。
参阅图5，所述的信号放大电路为反相比例放大电路,其接线方式如图中所示，所述的信号放大电路中的sensor+(动态测力传感器3的信号正极输出)串联一个电阻R1(电阻值为1K欧)与初级运算放大器OP07的引脚2相连，sensor-(动态测力传感器3的信号负极输出)串联一个电阻R3(电阻值为1K欧)与初级运算放大器OP07的引脚3相连，初级运算放大器的引脚4与型号为A0505S的DC-DC电源模块的-5V输出端相连，初级运算放大器OP07的引脚1和8与型号为3296W203的电位器相连，电位器的调整引脚与初级运算放大器OP07的引脚7和+5V引脚相连，初级运算放大器OP07的引脚5悬空，初级运算放大器OP07的引脚6串联一个电阻R5(电阻值为10K欧)与次级运算放大器OP07的引脚2相连，次级运算放大器OP07的引脚1、5和8不用悬空，图中ADinput为信号放大电路的输出引脚。初级运算放大器输出计算式为：
将阻值带入上式，得
Vo1＝100×(V--V+)
次级运算放大器的输出为：
将阻值和Vo1带入上式，得
Vo2＝REF+100×(V+-V-)
取REF＝1V得：
Vo2＝1V+100×(V+-V-)
V-为动态测力传感器3的负极输出，V+为动态测力传感器3的正极输出，V01为动态测力传感器3的输出信号经过初级运算放大器放大后的输出值V02为动态测力传感器3的输出信号经过次级运算放大器放大后的输出电压值，V02作为数字信号可以被后述的型号为C8051F410的单片机识别，V02为图6中ADinput引脚的输出。
所述的下层PCB板的主要核心部分是单片机模块，参阅图6，本发明采用的是型号为C8051F410的单片机。型号为C8051F410的单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型微控制单元，它与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。图6为所述的单片机的引脚使用和电路连接的结构原理图。单片机C2D引脚和C2CK引脚依次与程序下载器接口电路中的C2D和C2CK引线连接；VREF引脚与偏置电压电路的VREF引脚连接，经过所述的偏置电压电路调节后(图8中的引脚REF为调节后的输出电压)作为信号放大电路的参考电压(图5中的输入端引脚REF)；所述的型号为C8051F410的单片机的P0.4(TXD)引脚与上层PCB板中的型号为UC600型串口转SD卡存储电路的RXD引脚相连，用以传输数据；所述的型号为C8051F410的单片机的4、5、9、10、12、13、14、15、16、18、19、20、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31引脚悬空。
参阅图7，所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中程序下载器接口电路是为型号为C8051F410的单片机下载程序提供下载通道。C8051F系列的程序下载器采用JTAG/C2接口，程序下载器接口电路则按照JTAG/C2接口的标准设计，检测系统中单片机程序下载接口电路结构如图中所示。其中：所述的程序下载器接口电路的GND引脚与上下层PCB板6的GND引脚相连，所述的程序下载器接口电路的C2CK引脚与单片机的C2CK引脚相连，所述的程序下载器接口电路的C2D引脚与单片机的C2D引脚相连，所述的程序下载器接口电路的1、6、8、10引脚悬空。
参阅图8，所述的偏置电压电路的实施方案如下：
本发明采用高输入阻抗信号运算放大器(实施例中采用型号为CA3140的信号运算放大器)作为偏置电压电路的运算放大器，型号为CA3140的信号运算放大器的引脚2为反相输入端，直接与输出端引脚6相连，从而构成电压跟随器。所述的信号放大电路的REF引脚需要偏置电压电路提供参考电压，偏置电压电路从单片机的P1.2(VREF)引脚获得2.2V电压，然后经过电阻分压获得需要的电压，再经过一个电压跟随器输送至型号为OP07的信号运算放大器(相当于输入到图5中的输入端引脚REF)。如果将电阻分压得到的电压直接输送至信号放大电路，那么输出阻抗比较大，不能得到准确的参考电压。而运放的输入阻抗可高达109Ω，输出阻抗比输入阻抗小很多数量级，采用电压跟随器电路则可以分离高输出阻抗电路与低输入阻抗电路。防止由于温度或其他因素导致的偏置电压电路的输出参考电压不准确，本发明采用型号为3296W203(图8中VR2)的电位器，用于调整分压后得到的电压大小。图8中VREF引脚与地之间连接电容，用于滤波，使输出电压稳定。
加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统包含的动态测力传感器3、电池5和上下层电路板6，为了组装和拆卸方便，采用插头接口连接。本发明采用标准的XH2.54插头2PIN，电池5的输出端、动态测力传感器3的输出端都采用的是标准的XH2.54插头2PIN的公头，上下层PCB板6的下层PCB板上设置有对应与之连接的2PIN的XH2.54母头。
为了不使电池插头连接到电路板上时整个检测系统就开始工作，本发明设置一个电源开关。当组装好检测系统、检查无误后，打开电源开关，整个电路才开始工作。并且在开关旁安装一个3mmLED电源指示灯。
参阅图9，将信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路和各种串口等整合到一个电路板上：图5到图8中的VCC引脚都与电源的正极相连，图5到图8中的GND都与电源的负极相连，图5中的sensor+和sensor-分别与动态测力传感器3的正负信号输出端相连，图5中的REF引脚与图8中的引脚REF相连，图5中的ADinput引脚与图6中的ADinput引脚相连，图6中的C2D引脚与图7中的C2D引脚相连，图6中的C2CK引脚与图7中的C2CK相连，图6中的引脚21与上下层PCB板中的上层PCB板的RXD引脚相连，图6中的VREF引脚与图7中的VREF引脚相连。利用绘制PCB板软件绘制电子版PCB板，即上下层PCB板中的下层PCB板,如图中所示。
所述的上下层PCB板6中的上层PCB板为型号为UC600型串口转SD卡存储电路，能够实现与单片机的串口通讯，并将数据存储于SD卡之中，实现大容量数据的存储。该型号为UC600型串口转SD卡存储电路与单片机通讯速度高，最高支持115200波特率，数据存储速度高而且稳定。该电路带有USB接口，可以直接用USB接口读取SD卡的数据。模块使用简单，体积很小，可以直接插接到电路板上使用。型号为UC600型串口转SD卡存储电路的引脚9与单片机电路的引脚21相连进行数据的传送存储,所述的存储电路的引脚8与电源正极相连,所述的存储电路的引脚10与电源的负极(GND)相连,所述的型号为UC600型串口转SD卡存储电路的其他引脚不用悬空。
所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统中的软件设计是检测系统能正常可靠工作的重要一部分，它控制着电压偏置模块电压的设置，控制着测量系统的工作频率，控制着模/数转换的进行，还控制着有用数据信息的存储。软件设计包括单片机程序设计和UC600串口存储模块配置信息设计。
所述的单片机程序设计的程序可分为几大部分，首先，单片机供电后先进行系统配置，这包括系统时钟配置、电压配置、端口配置、定时器配置等，系统配置好之后才能进入主循环；单片机按照一定频率工作，每1ms进行一次数据采集，然后进行模/数转换；每次采集到的数据有若干组，需要经过单片机处理，对其过滤并求出平均值，再计算出对应的力值；如果一次采集的力值是有效的力值信息，则通过单片机串口将该次采集的数据信息传送至UC600串口存储模块。程序流程图如图10所示。
所述的存储模块信息配置如下：
BPS(波特率)＝115200；
FrameCharNumber(每帧字节数)＝1000；
FileTime(字节延时时间)＝1000；
FileName(文件名)＝data0001.dat；
WorkMode(工作模式)＝AUTO；
FileMaxLen(自动模式下最大文件尺寸)＝0。
参阅图11，本发明还提供的一种加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测方法，所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测方法的步骤如下：
1.搭建加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统并对其进行加载实验：
用动态测力传感器3将改装刀柄即前端刀柄2与后端刀柄4进行连接，并把动态测力传感器3的信号输出端与电路部分的输入端接口电线连接，将之前调试好的程序下载到单片机中，电池5和上下层PCB板6依次地安装到后端刀柄4右端的半圆柱上，最后将保护外壳7安装到上下层PCB板6的上方；
2.将加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统手工插入加工中心ATC系统刀库的某一个空刀套中、打开加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统的电源开关及记录刀套编号；
3.运行数控程序使加工中心ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄(检测系统)在刀库与主轴之间完成拔刀(加工中心ATC系统机械手在刀库中的刀套或者主轴中的刀套中拿出刀柄的过程称拔刀，反之称插刀)、旋转和插刀的循环换刀动作，并通过型号为UC600型串口转SD卡存储电路的存储卡(SD卡)存储检测数据；；
4.对每个刀套都进行多次循环换刀，检测并记录拔刀力和插刀力的值，换刀结束之后，停止换刀，关掉测试刀柄电源，并取出存储卡；
5.利用编制好的MATLAB程序读取存储卡中的数据，绘制ATC系统在不同刀套进行多次循环中拔刀力和插刀力变化的曲线；
6.对检测的拔刀力和插刀力进行分析，得到相同刀套内的多次测量拔刀力与插刀力的峰值，对其峰值的数学期望和方差(期望和方差是数学统计学中的参数)参数进行分析；对不同刀套拔刀力和插刀力峰值的数学期望和方差参数进行对比分析，绘制不同刀套的拔刀力与插刀力大小曲线；
7.在不同的时间阶段，可以对加工中心ATC系统重复进行上述3到6的步骤，测量在不同服役时间阶段时ATC系统拔刀力和插刀力大小的变化。
参阅图12，在进行上述检测方法实施步骤之前，为了验证加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统测量的准确性，本发明首先对该检测系统进行了逐渐添加标准重量物体(本发明以2KG、5KG、10KG、20KG、30KG、40KG、50KG、60KG、70KG、80KG、90KG、100KG为例)加载实验，并对实验采集的数据结果进行分析，试验结果表明本发明的检测系统精度要求合格。图12为该检测系统在10KG标准重量物体下Matlab读取存储卡内数据并绘制图像后的直观结果。
参阅图13，图中为加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统在一次换刀循环中2次拔刀力和2次插刀力曲线。图中a段是ATC系统机械手从刀套上拔刀过程中拔刀力的曲线；图中b是ATC系统机械手将测试刀柄(检测系统)插入主轴过程时测量的插刀力的曲线；图中c是ATC系统机械手将测试刀柄查入主轴之后停顿1.3～1.6S，图中受力为负，表明ATC系统机械手与主轴之间的测试刀柄处于受压状态；图中d是ATC系统机械手另一端手臂取主轴上的测试刀柄停顿的过程，它的作用力与图中3不一样大，表明了本发明中试验的ATC系统机械手两臂不在一个水平面上；图中e是ATC系统机械手将测试刀柄插入刀库刀套中的过程。
参阅图14，加工中心ATC系统机械手从刀库拔刀时的短时间范围图象进行放大观察，作用力随时间变化如图中所示。
参阅图15，加工中心ATC系统中机械手向刀库插刀时的短时间范围图象进行放大观察，作用力随时间变化如图中所示。
参阅图16，本发明还提供了一种加工中心ATC系统装配过程中刀套锁紧钢球松紧程度的检测方法，以DJ-Ⅲ型链式刀库为例检测方法的步骤如下：
1.将本发明的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统插入要检测的目标刀套中、打开检测系统的电源开关及记录刀套编号；
2.运行数控程序使ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄(检测系统)完成拔刀和插刀动作，并通过存储卡存储检测数据；
3.多次对选择的刀套号进行检测，读取数据并求其插刀力与拔刀力峰值的平均值；若测量值不在允工业制造装配许范围之内，则调整刀套里的四个锁紧钢球，然后再次测其拔刀力与插刀力，直至调整到锁紧钢球的松紧程度达到其插刀力与拔刀力允许的70至80千克力值范围之内(这个范围与不同的刀柄型号和刀柄结构有关,刀柄型号和刀柄结构不一样,其允许的插刀力与拔刀力范围也不一样)；若测量的峰值平均值在允许的范围内，则停止检测该刀套，选择其他刀套继续检测，直至整个刀库的所有刀套的拔刀力与插刀力都在允许范围之内。
4.检测结束，关掉电源，退出加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，并将采集到的数据保存备以后使用。
加工中心ATC系统拔刀力与插刀力检测系统及方法还可以用于加工中心ATC系统的故障预警，通过本发明的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统检测加工中心ATC系统的拔刀力与插刀力的变化来为ATC系统的故障作出预警，给加工中心ATC系统的故障诊断、故障监控和预警及性能评估提供重要的参考资料，为加工中心可靠性分析提供了重要的数据来源。
Claims (7)
1.一种加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统,其特征在于，所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统由刀柄部分和电路部分组成；
所述的刀柄部分包括有拉钉(1)、前端刀柄(2)与后端刀柄(4)；
所述的电路部分包括有动态测力传感器(3)、电池(5)与上下层PCB板(6)；
拉钉(1)的右端与前端刀柄(2)的左端螺纹连接，前端刀柄(2)右端的圆环体凸缘装入后端刀柄(4)左端的圆形盲孔中为间隙配合，动态测力传感器(3)位于前端刀柄(2)与后端刀柄(4)之间，动态测力传感器(3)的左端与前端刀柄(2)的右端螺纹连接，动态测力传感器(3)的右端与后端刀柄(4)的左端螺纹连接，动态测力传感器(3)的输出端与上下层PCB板(6)的输入端电线连接，电池(5)的输出端与上下层PCB板(6)的电源输入端电线连接。
2.按照权利要求1所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，其特征在于，所述的电池(5)安装在后端刀柄(4)上的凹槽内，上下层PCB板(6)安装在电池(5)的上面并固定在后端刀柄(4)上，上下层PCB板(6)的上方安装一个保护外壳(7)，并采用螺钉将保护外壳(7)固定在后端刀柄(4)上的凹槽的四角处。
3.按照权利要求1所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，其特征在于，所述的前端刀柄(2)左端面的中心处沿轴向设置有安装拉钉(1)的拉钉螺纹盲孔，前端刀柄(2)圆台锥面的右端设置有一个径向的圆形盲孔，前端刀柄(2)的右端设置有一个圆环体凸缘，圆环体凸缘左侧的圆台中心处水平地设置有用于安装动态测力传感器(3)的左螺纹盲孔，拉钉螺纹盲孔、左螺纹盲孔、圆环体凸缘与圆台的回转中心线共线。
4.按照权利要求1所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，其特征在于，所述的后端刀柄(4)为2段圆柱体组成的结构件，左端圆柱体的直径大于右端圆柱体的直径，左端圆柱体的外圆柱面上设置有V形环槽，后端刀柄(4)左端即左端圆柱体的中心处水平地设置有圆形盲孔，圆形盲孔的右侧壁的中心处水平地设置有右螺纹盲孔，右螺纹盲孔的上方设置有导线孔，后端刀柄(4)右端圆柱体的右端为半圆柱体结构，半圆柱体的平面上设置有安装电池(5)的凹槽，凹槽左右两侧与四角处分别设置有4个结构相同的用于安装上下层PCB板(6)的2号螺纹盲孔与安装保护外壳(7)的3号螺纹盲孔。
5.按照权利要求1所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，其特征在于，所述的上下层PCB板(6)包括上层PCB板和下层PCB板；
所述的下层PCB板包含有信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路和程序下载器接口电路；
所述的信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路中的VCC引脚都与电源的正极相连，所述的信号放大电路、单片机电路、偏置电压电路、程序下载器接口电路中的GND都与电源的负极相连，所述的信号放大电路中的sensor+和sensor-分别与动态测力传感器(3)的正负级信号输出端相连，所述的信号放大电路中的REF引脚与所述的偏置电压电路中的引脚REF相连，所述的信号放大电路中的ADinput引脚与所述的单片机电路中的ADinput引脚相连，所述的单片机电路中的C2D引脚与所述的程序下载器接口电路中的C2D引脚相连，所述的单片机电路中的C2CK引脚与所述的程序下载器接口电路中的C2CK相连，所述的单片机电路中的引脚21与上下层PCB板中的上层PCB板的RXD引脚相连，所述的单片机电路中的VREF引脚与所述的单片机电路中的VREF引脚相连；
所述的上层PCB板是型号为UC600串口转SD卡存储模块电路，所述的型号为UC600型串口转SD卡存储电路的引脚9与单片机电路的引脚21相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的引脚8与电源正极相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的引脚10与电源的负极相连,所述的型号为UC600串口转SD卡存储模块电路的其他引脚不用悬空。
6.一种采用加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统检测加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的方法，其特征在于，所述的加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测方法的步骤如下：
1)搭建加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统并进行加载实验：
用动态测力传感器(3)将改装刀柄即前端刀柄(2)与后端刀柄(4)进行连接，并把动态测力传感器(3)的信号输出端与电路部分的输入端接口电线连接，将调试好的程序下载到单片机中，电池(5)和上下层PCB板(6)依次地安装到后端刀柄(4)右端的半圆柱上，最后将保护外壳(7)安装到上下层PCB板(6)的上方；
2)将加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统手工插入加工中心ATC系统刀库的某一个空刀套中、打开加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统的电源开关及记录刀套编号；
3)运行数控程序使加工中心ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄在刀库与主轴之间完成拔刀、旋转和插刀的循环换刀动作，并通过串口转SD卡存储模块电路中的存储卡SD存储检测数据；
4)对每个刀套都进行多次循环换刀，检测并记录拔刀力和插刀力的值，换刀结束之后，停止换刀，关掉测试刀柄电源，并取出存储卡；
5)利用编制好的MATLAB程序读取存储卡中的数据，绘制ATC系统在不同刀套进行多次循环中拔刀力和插刀力变化的曲线；
6)对检测的拔刀力和插刀力进行分析，得到相同刀套内的多次测量拔刀力与插刀力的峰值，对其峰值的数学期望和方差参数进行分析；对不同刀套拔刀力和插刀力峰值的数学期望和方差等参数进行对比分析，绘制不同刀套的拔刀力与插刀力大小曲线；
7)在不同的时间阶段，可以对在工作的加工中心ATC系统重复进行上述3)到6)的步骤，测量在不同服役时间阶段时ATC系统拔刀力和插刀力大小的变化。
7.一种采用加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统检测加工中心ATC系统装配过程中刀套锁紧钢球松紧程度的方法，其特征在于，所述的加工中心ATC系统装配过程中刀套锁紧钢球松紧程度的检测方法的步骤如下：
1)将加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统插入要检测的目标刀套中、打开检测系统的电源开关及记录刀套编号；
2)运行数控程序使ATC系统在数控指令下运行，使测试刀柄完成拔刀和插刀动作，并通过存储卡存储检测数据；
3)多次对选择的刀套号进行检测，读取数据并求其插刀力与拔刀力峰值的平均值；若测量值不在工业制造装备允许范围之内，则调整刀套里的四个锁紧钢球，然后再次测其拔刀力与插刀力，直至调整到锁紧钢球的松紧程度达到其插刀力与拔刀力允许的70至80千克力值范围之内；则停止检测该刀套，选择其他刀套继续检测，直至整个刀库的所有刀套的拔刀力与插刀力都在允许范围之内；
4)检测结束，关掉电源，退出加工中心ATC系统拔刀力与插刀力的检测系统，并将采集到的数据保存备用。
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