CN105573251B - 圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工中心用圆盘式刀库及自动换刀系统的可靠性试验技术领域，具体的说是一种圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台。该检测平台包括测试系统、试验系统和控制系统；测试系统用来完成对圆盘式刀库及自动换刀系统各参数的测试、采集；试验系统用来完成对同类型多尺寸圆盘式刀库及自动换刀系统的可靠性试验；控制系统用来完成试验过程中相关试验参数设置和对采集到的参数进行处理、分析、图形显示以及测试结果显示，通过控制系统实现对试验系统和测试系统的综合控制。本发明是一种够搭载同类型多尺寸圆盘式刀库及自动换刀系统的测试平台，特别是对圆盘式刀库及自动换刀系统的状态、性能进行检测，给出相应的分析结果的综合性能检测平台。

Description

圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台

技术领域

本发明涉及加工中心用圆盘式刀库及自动换刀系统的可靠性试验技术领域，具体的说是一种圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台。

背景技术

数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础，这个基础是否牢固直接影响到了一个国家的经济发展和综合国力，直接关系到一个国家的战略地位。相比于进口数控机床尤其是高档数控机床，国产数控机床的可靠性水平得不到根本保证，使得国产数控机床迅速发展的同时，其市场竞争力依然偏低。数控机床整机的可靠性水平又受到其关键功能部件可靠性水平的制约，圆盘式刀库及自动换刀系统作为加工中心的一个关键功能部件，其可靠性水平直接制约整机的可靠性。圆盘式刀库及自动换刀系统是长期困扰立式加工中心正常运转的关键功能部件之一，它的功能是快速的自动选刀、换刀，实现立式加工中心一次装夹即可完成多道工序甚至全部工序的加工，减少加工的辅助时间，进而提升立式加工中心本身乃至整个生产线的生产能力，大大降低零部件的制造成本。因此，圆盘式刀库及自动换刀系统这一复杂系统能否确保换刀动作准确可靠、换刀时间短、冲击振动小、使用寿命高等功能，即圆盘式刀库及自动换刀系统的可靠性是当前立式加工中心研究的重点问题之一。

圆盘式刀库及自动换刀系统是加工中心的关键功能部件之一，由刀盘、机械手、气缸等组成。刀盘可以储存刀具，并在数控系统的控制下进行选刀；气缸和机械手协作完成拔刀、换刀、插刀动作。圆盘式刀库及机械手自动换刀系统故障率较高，发生故障时对整机可靠性会产生直接影响。圆盘式刀库及自动换刀系统结构较复杂、换刀时机械手动作速度快、插刀和抓刀时定位准确性要求高，故障率较高，据统计数控机床15％左右的故障都与之有关，可以说圆盘式刀库及自动换刀系统是加工中心的可靠性薄弱环节。因此，有必要展开对圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测的研究，从圆盘式刀库及自动换刀系统的基本结构出发，综合应用传感器技术、数据采集技术和信号分析技术，制定一整套完善、可靠的检测平台。

查阅相关技术文献可知，目前，应用于圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测的试验平台很少、且不完善，主要表现为现有技术只针对某一种或几种圆盘式刀库及自动换刀系统的常见故障进行检测。公告号为CN201755778U，名称为“立式加工中心盘式刀库位置的检测装置”，其主要是通过位置检测元件实现对刀库动作的位置精度检测，但是对圆盘式刀库及自动换刀系统的其他参数并未予以考虑；公告号CN201417204Y，名称为“一种自动换刀机构性能检测平台”，主要是对弧面凸轮机构自动换刀装置的输入输出参数及动力学参数进行测量,也忽略了其他参数，包括温度、振动、噪声等对圆盘式刀库及自动换刀系统性能的影响，系统不完善。另一方面，目前圆盘式刀库及自动换刀系统的参数测试系统，大多是传感器的堆叠，测试方案不完整以及缺乏相应的后期处理。公告号为CN102785126A，名称为“刀库及自动换刀装置综合性能检测系统”，主要采用多种类型和数量的传感器对刀库系统的部分参数进行检测，但是忽略了系统本身是一个典型的机、电、气混合系统的特性，没有对电、气系统进行检测，检测内容不完整，无法完全说明刀库系统的综合状态。公告号为CN102507228A，名称为“盘式刀库可靠性试验装置及其方法”，主要通过各种传感器对系统参数进行测试，缺乏较为全面的性能检测，对刀库系统电机来说，缺少了电压量测量，无法准确的完成对电能质量分析的要求；在振动参数测试方面，可操作性不强；在软件方面，缺乏对系统参数的更加完整分析等。

发明内容

本发明提供了一种够搭载同类型多尺寸圆盘式刀库及自动换刀系统和多种测量仪器及传感器的测试平台，特别是能够对圆盘式刀库及自动换刀系统的各方面状态、性能进行实时检测，并能给出相应的分析结果的综合性能检测平台，解决了现有圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台，其特征在于，该检测平台包括测试系统、试验系统和控制系统；

所述的测试系统包括特制测试组件、第一三轴向加速度传感器5、第一位移传感器9、第一光电开关11、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18、第二光电开关19、第二位移传感器20、噪声监测仪24、角度传感器38、第一压力变送器53、第二压力变送器55以及电能质量分析模块、数据采集模块和下位机；

所述的试验系统包括由刀盘2、第一交流电机3、第二交流电机4、机械手6组成的测试对象即圆盘式刀库及自动换刀系统、支撑组件、与支撑组件连接的模拟主轴组件和由电气控制系统、试验台控制系统和上位机组成的控制柜14；

所述的第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16、第一贴片式温度传感器17第二贴片式温度传感器18、第一位移传感器9、第二位移传感器20、角度传感器38均设置在圆盘式刀库及自动换刀系统上；所述角度传感器38固定在特制测试组件的连接板35上；所述的第一光电开关11、第二光电开关19与支撑组件螺纹连接；所述的噪声监测仪24固定在支撑组件中的地平铁12上；所述的第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16、第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18、第一位移传感器9、第二位移传感器20、角度传感器38的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；所述的数据采集模块通过自带接口与下位机的PCI总线连接；所述的下位机与试验系统中的上位机通过以太网相连；所述电能质量分析模块由数据采集模块中的电流输入模块和电压测量模块组成，第一、二交流电机3、4的三相电输入线与电流输入模块串联与电压测量模块并联，电压测量模块和电流输入模块分别通过自带接口与下位机连接；圆盘式刀库及自动换刀系统与第一连接板10相连，第二交流电机和机械手6连接在刀盘2上。

所述的控制系统布置于上位机中。

所述的支撑组件还包括第一立柱1、第二立柱8、第一支架22、第二支架46、第一安装座21、第二安装座47和第二连接板23；所述的第二立柱8通过键和第一键槽13与第二连接板23连接并固定在地平铁12上；所述的第一立柱1通过键与第一连接板10连接并固定在地平铁12上；所述的第二支架46通过键和第二键槽45固定在第二立柱8上；所述的第一支架22通过键和键槽固定在所述的第一立柱1上；所述的第一、二光电开关11、12分别与支撑组件中的第二、一支架46、22螺纹连接。

所述的模拟主轴组件包括模拟主轴7、压板50、滑动模块49；所述的模拟主轴7通过压板50安装在滑动模块49上；所述的滑动模块49通过键固定在第二立柱8的第三键槽48上；

所述的电气控制系统包括设置在控制柜14中与上位机和圆盘式刀库及自动换刀系统连接的继电器、交流接触器、空气开关、热过载继电器、24V直流电源、启动按钮、停止按钮、急停按钮，。

所述的试验台控制系统包括用户控制模块和数据管理模块，均布置于上位机中。

所述的控制系统包括用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块；所述的用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块采用并联方式布置于上位机中。

所述的数据采集模块还包括24位IEPE动态信号采集模块、RTD模拟输入模块、电流输入模块、电压测量模块、模拟电流采集模块、数字模块，上述各模块采用并行方式布置于下位机中。

所述的特制测试组件还包括底板42、第一导轨座25、第一滑块26、第一导轨27、第一锁紧环28、第二锁紧环29、套筒30、第二连接件31、连接螺钉32、法兰盘33、滑环34、连接板35、轴承36、双膜片联轴器37、第二滑块39、第二导轨40、第二导轨座41、第一双螺母43、第二双螺母44；

其中所述的底板42放置于第二连接板23上；所述的第一、二导轨座25、41固定在底板42上方的左、右两端；所述的第一、二导轨27、40分别固定在第一、二导轨座25、41的导轨槽中，第一、二滑块26、39分别安装于第一、二导轨27、40上并且在第一、二导轨27、40上滑动；所述的第二连接件31通过连接螺钉32、第一、二双螺母43、44固定在机械手6中心处，并依次穿过法兰盘33、滑环34、轴承36，通过双膜片联轴器37与角度传感器38的输入轴端相连接；所述的法兰盘33与滑环34固定在一起并通过螺钉和4个套筒法兰盘33与第二连接件31连接在一起；所述的第一、二紧锁环28、29紧锁在滑环34的定子端外表面；所述的连接板35连接在第一、二紧锁环28、29和第一、二滑块26、39之间；所述的轴承36安装于连接板35的轴承孔处，角度传感器38固定在连接板35上，所述的第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15的信号输出端与滑环34的输入端相连，滑环34的输出端与下位机相连。

本发明的有益效果为：

1、从机、电、气多方面较为全面的对圆盘式刀库及自动换刀系统的运行电气特性、机械振动特性、机械手转位、刀具位置精度、气压、环境噪声六个方面状态性能进行综合检测，检测项目较为完善，为圆盘式刀库及自动换刀系统的可靠性分析提供了强有力的依据，有利于刀库性能的提升。

2、下位机采用NI CompactRIO可编程自动化控制器完成数据的接收和预处理，采用独立的下位机-上位机数据传输结构，结构更加的集中，各个采集设备集中在一个设备上完成，增加了设备的便携性、可靠性和整体美观性，降低了对操作者的水平要求；

3、机械手振动测试方面，避免了采用无线设备采集带来的设备体积大、数据丢包、数据传输受限等问题，提出特制测试组件方案，有效的解决了传感器供电和信号传输问题，可移植性较强，对其他旋转部件数据传输方案同样适用；

4、解决了机械手转位测试不便的问题，采用直接接触法测量方式，测量结果更加真实、可靠，测试方案较为简单，可操作性较强；

5、试验装置模拟主轴处采用了导向键方案，满足模拟主轴的空间三个方向的移动，适用于各种规格刀库结构，机械定位、拧紧，更加可靠；

6、设计了较为全面的信号处理流程，对不同信号专门设计其对应处理、操作流程。

附图说明

图1为本发明中测试系统和试验系统的设计框图；

图2为本发明中控制系统的设计框图；

图3为本发明中测试系统和试验系统结构主试示意图；

图4为本发明中测试系统和试验系统结构后视示意图；

图5为本发明中特制测试组件立体结构示意图；

图6为本发明中特制测试组件主视图示意图；

图7为本发明中模拟主轴结构示意图；

图8为本发明中模拟主轴处传感器结构示意图；

图9为本发明中气缸处传感器安装气路原理图；

图10为本发明中刀柄和刀具结构示意图；

图11为本发明光电开关用于掉刀检测操作流程图；

图12为本发明刀具初始状态分类图；

图13为本发明中位移传感器用于掉刀预警方案操作流程图；

图14为本发明中角度传感器用于机械手转角检测操作流程图；

图15为本发明中贴片式温度传感器用于电机温度检测操作流程图；

图16为本发明中三轴向加速度传感器用于振动检测操作流程图；

图17为本发明中电压测量模块和电流输入模块用于电机电能质量参数检测操作流程图。

图中：1、第一立柱；2、刀盘；3、第一交流电机；4、第二交流电机；5、第一三轴向加速度传感器；6、机械手；7、模拟主轴；8、第二立柱；9、第一位移传感器；10、第一连接板；11、第一光电开关；12、地平铁；13、第一键槽；14、控制柜；15、第二三轴向加速度传感器；16、第三三轴向加速度传感器；17、第一贴片式温度传感器；18、第二贴片式温度传感器；19、第二光电开关；20、第二位移传感器；21、第一安装座；22、第一支架；23、第二连接板；24、噪声监测仪；25、第一导轨座；26、第一滑块；27、第一导轨；28、第一锁紧环；29、第二锁紧环；30、套筒；31、第二连接件；32、连接螺钉；33、法兰盘；34、滑环；35、连接板；36、轴承；37、双膜片联轴器；38、角度传感器；39、第二滑块；40、第二导轨；41、第二导轨座；42、底板；43、第一双螺母；44、第二双螺母；45、第二键槽；46、第二支架；47、第二安装座；48、第三键槽；49、滑动模块；50、压板；51、气缸；52、第一管路；53、第一压力变送器；54、第二管路；55、第二压力变送器；56、电磁换向阀；57、拉钉；58、刀柄

具体实施方式

参阅图1、图2，一种圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台，该检测平台包括测试系统、试验系统和控制系统。

本实施例选取测试对象为呼和浩特众环(集团)有限责任公司生产的圆盘式刀库BT40-24P。

测试项目，根据历史现场试验数据分析，结合圆盘式刀库及自动换刀系统结构本身的特点，确定出综合性能检测的测试项目为振动、温度、电流、电压、气压、噪声、位移、转位以及掉刀判断。其中，振动检测的目标为刀盘和机械手6，振动是机械系统运行过程中不可避免的参数，通过对振动参数的检测、分析可以有效的分析出圆盘式刀库及自动换刀系统的综合性能。圆盘式刀库及自动换刀系统作为一个复杂的机电一体化产品，机械结构复杂，刀盘转动位置精准，换刀过程拔刀、插刀动作迅速。但由于自身过重的负载以及换刀过程产生的插、拔刀力，使得刀盘和机械手6会产生一定量的振动，而且这些振动量会随着负载和刀库运行状态的不同发生变化。此外，换刀机械手6在正常运行时和发生卡刀或者掉刀故障时，其换刀过程机械手6的振动信号趋势也会发生很大的变化。系统的振动不仅会缩短整个换刀装置的疲劳寿命，而且影响整个选刀过程的平稳性，降低换刀位置精度和重复定位精度。因此，作为系统的一个重要参数，振动参数是圆盘式刀库及自动换刀系统在进行综合性能检测时需要重点进行考虑的参数；圆盘式刀库及自动换刀系统在运行过程中刀盘的旋转和机械手6的运动都是通过对应的三相交流异步电机提供动力来实现的，当发生刀盘卡住或机械手6卡死等故障时，相应的电机温度会在短时间内出现急剧升高的现象，严重者会导致电机烧坏等现象的发生。因此，在进行综合性能检测方案设计时，需要把电机的温度变化作为性能参考指标考虑进去；根据上述分析，电机作为主要动力源，其运行状态时刻影响着系统整体状态，对其进行电压、电流质量管理，能够真实、有效的反应出电机的实时工作状态；圆盘式刀库及自动换刀系统中倒刀动作的执行是通过气缸51推拉来实现的，每换一次刀，气缸51来回伸缩一次完成刀具传递的任务。如果气缸51压力太小推不动刀具，实现不了自身的功能，但如果压力太大也会造成负面的影响，因为气缸51伸出时撞击刀库会引起较大振动，缩回时对刀仓的冲击又会造成刀仓局部的弹性变形，加速刀库的老化，气压大了更会加剧这种恶化。因此有必要对气缸的进、出气口压力做出实时检测；噪声信号具有携带信息丰富、测量无接触的特点，是机械零部件和电子元器件可靠性测试中经常使用的一种灵敏无损的表征手段。圆盘式刀库及自动换刀系统在发生故障时，绝大多数情况伴随有异常噪声的产生，对圆盘式刀库及自动换刀系统进行阶段性噪声测试并进行频谱分析，掌握不同阶段噪声的能量分布规律，当实时测试圆盘式刀库及自动换刀系统的某些频率段噪声发生改变时，可以推断故障发生的部位，进而反应出圆盘式刀库及自动换刀系统综合状态性能；在对历史现场试验数据分析中可以明显发现，在立式加工中心中故障频发部件为圆盘式刀库及自动换刀系统，其中，掉刀、机械手6转位故障的发生作为圆盘式刀库及自动换刀系统的主要故障模式。针对掉刀故障，刀柄拉钉57松动是掉刀的主要原因，当拉钉57松动时，刀具整体发生相对下移，同时，刀套和主轴孔处发生故障也会导致刀具整体下移，进而直接导致掉刀现象的发生。因此，对刀柄的位移状态进行检测，对其位移进行实时对比分析，能够对系统的运行状态实时了解。同时，通过对换刀口处和模拟主轴处刀具状态作对比分析可以直接判断是否发生掉刀；对于机械手转位异常故障，主要表现形式为机械手6转位不到位带来的抓刀失败进而掉刀或转位过度带来的打刀现象，因此，机械手6转位稳定、可靠是机械手6主要性能体现之一，对其进行转位测试，掌握机械手多次重复运动后转角变化是具有极高价值的。

参阅图3、图4、图7、图8、图9、图10，所述的测试系统包括特制测试组件、第一三轴向加速度传感器5、第一位移传感器9、第一光电开关11、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16、第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18、第二光电开关19、第二位移传感器20、噪声监测仪24、角度传感器38、第一压力变送器53、第二压力变送器55以及电能质量分析模块、数据采集模块和下位机；

其中第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16用于对检测点的三个方向振动作出检测；所述的第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18用于检测温度；所述的数据采集模块用于对电极的电流等参数进行数据采集；所述的第一压力变送器53、第二压力变送器55用来对气压进行测量；所述的噪声监测仪24用于对噪声进行测量；所述的第一位移传感器9、第二位移传感器20用于对位移进行测量；所述的角度传感器38用于对机械手6转位进行测量；第一光电开关11、第二光电开关19用于对掉刀进行判断；

所述的试验系统主要用来完成对所述检测对象完成加速试验控制，包括由刀盘2、第一交流电机3、第二交流电机4、机械手6组成的测试对象即圆盘式刀库及自动换刀系统、支撑组件、与支撑组件连接的模拟主轴组件和由电气控制系统、试验台控制系统和上位机组成的控制柜14；所述电气控制系统结合PLC主要用来完成对圆盘式刀库及自动换刀系统的时序动作控制，通过相关硬件完成换刀动作的执行；所述控制系统指通过Lab VIEW完成对圆盘式刀库及自动换刀系统的时序控制及其他操作指令的完成；所述上位机用来执行所述试验台控制控制系统完成人机交互的作用。

参阅图3、图4、图7、图8，所述的第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16、第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18、第一位移传感器9、第二位移传感器20、角度传感器38均设置在圆盘式刀库及自动换刀系统上；所述角度传感器38固定在特制测试组件的连接板35上；所述的第一光电开关11、第二光电开关19与支撑组件螺纹连接；所述的噪声监测仪24固定在支撑组件中的地平铁12上；所述的第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16、第一贴片式温度传感器17、第二贴片式温度传感器18、第一位移传感器9、第二位移传感器20、角度传感器38的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；所述的数据采集模块通过自带接口与下位机的PCI总线连接；所述的下位机与试验系统中的上位机通过以太网相连；所述电能质量分析模块由数据采集模块中的电流输入模块和电压测量模块组成，第一、二交流电机3、4的三相电输入线与电流输入模块串联与电压测量模块并联，电压测量模块和电流输入模块分别通过自带接口与下位机连接；圆盘式刀库及自动换刀系统与第一连接板10相连，第二交流电机和机械手6连接在刀盘2上；所述第一压力变送器53、第二压力变送器55通过快插式三通接头分别连接于第一管路52和第二管路54中，用来完成对气缸51进气口和出气口气压的检测，5位3通电磁换向阀56用来完成对气缸51动作的控制。

所述的支撑组件还包括第一立柱1、第二立柱8、第一支架22、第二支架46、第一安装座21、第二安装座47和第二连接板23；所述的第二立柱8通过键和第一键槽13与第二连接板23定位，进而通过螺栓锁紧后固定在地平铁12上；所述的第一立柱1通过键与第一连接板10连接并固定在地平铁12上；所述的第二支架46通过键和第二键槽45实现定位，通过内六角螺栓锁紧固定在第二立柱8上；所述的第一支架22通过键和键槽定位在所述的第一立柱1上，并通过内六角螺栓实现紧锁；所述的第一、二光电开关11、19分别与支撑组件中的第二、一支架46、22螺纹连接。

所述的第二支架46和第一支架22设计时保证了支架与对应模拟主轴7孔中心和倒刀后刀具中心同轴，即保证了第一位移传感器9、第一光电开关11与模拟主轴7的中心在同一个圆上，第二光电开关19、第二位移传感器20与倒刀后刀具中心在同一个圆上。第一、二光电开关11、19为外螺纹连接型，通过螺纹孔连接在对应第二支架46和第一支架22上，通过螺纹调整对应传感器与被测对象的中心距离，达到检测功能。第一、二位移传感器9、20通过第二、一安装座47、21连接在对应第二支架46和第一支架22上。

所述的模拟主轴组件包括模拟主轴7、压板50、滑动模块49；所述的模拟主轴7通过压板50安装在滑动模块49上；所述的滑动模块49通过键固定在第二立柱8的第三键槽48上，实现定位和Z方向滑动，在满足模拟主轴位置要求的情况下通过内六角螺栓实现锁紧。

所述模拟主轴7与加工中心用真实主轴相比，质量、体积较小，安装方便，去除了对圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测没有参考价值的旋转功能，鉴于在换刀过程中对圆盘式刀库及自动换刀系统插刀、拔刀功能的检测需求保留了拉刀、松刀的功能。

测试传感器的安装位置对检测结果有着很重要的影响，对于每个传感器的安装要保证传感器能够准确的反应出被检测对象的特征参数。在刀盘振动方面，刀盘在旋转过程中振动较为稳定、均匀，当发生撞刀、打刀等故障现象时，在换刀口处会发生明显的振动变化，换刀口处振动较为强烈，因此，对于刀盘振动的检测，第三三轴向加速度传感器16选择安装于刀盘换刀口处，同时，由于刀盘正面会发生旋转以及刀具的影响不利于传感器安装，因此第三三轴向加速度传感器16安装于刀盘2背面，不仅有效的反应出刀盘振动状况，同时又有效避免了刀具和刀盘内部的旋转对传感器线路布置带来的不利影响；对于机械手6的振动，综合圆盘式刀库及自动换刀系统的故障特点，机械手6常见故障为打刀、掉刀、撞刀，在机械手6发生故障时，机械手6抓刀处会发生剧烈的振动变化，因此，第一三轴向加速度传感器5和第二三轴向加速度传感器15选择安装于机械手6的刀爪处，同时，因为机械手6两端刀具的重量、体积等都不一定相同，且可能会出现只有一个刀爪有刀的情况，机械手6两端的振动明显不同，因此有必要对机械手6两端的振动同时做出检测才能有效的反应出机械手6的状态信息。因为机械手6在换刀运动中会发生旋转运动和Z方向的往返运动,且每次换刀动作完成之后机械手6会前进一周,若第一三轴向加速度传感器5和第二三轴向加速度传感器15的电源线和信号线直接连接在数据采集卡NI 9234和传感器之间，长期换刀之后会造成线路缠绕现象，严重者会导致线路发生断裂、短路等现象。针对上述原因，设计了滑环34用来解决信号和电源的线路连接问题。通过滑环34作为传感器和数据采集卡NI 9234之间的过度装置，利用滑环34的定子、转子之间的相对运动保证了与数据采集卡NI 9234连接的线路不会发生旋转运动，且与第一三轴向加速度传感器5和第二三轴向加速度传感器15端连接的线路也会保持相对稳定。在机械手6转位方面，因为机械手6不仅有旋转运动还有Z方向的往返运动，运动形式较为复杂，为了保证能够通过直接接触式方法测量机械手6的转位变化，通过所述滑环34及相应结构安装角度传感器38，同时角度传感器38与机械手6的连接螺钉32之间采用双膜片弹性联轴器37弹性软连接，以避免因连接螺钉32的串动、跳动而造成角度传感器38的损坏。在贴片式温度传感器17和贴片式温度传感器18的安装方面，所述贴片式温度传感器主要用来测量第一交流电机3和第二交流电机4的温度作为综合性能判断的参考参数，考虑到第一交流电机3和第二交流电机4不允许拆卸的前提，直接将第一贴片式温度传感器17粘贴于第二交流4的外表面，第二贴片式温度传感器18粘贴于第一交流电机3的外表面即可。所选噪声监测仪24用来完成对试验环境和试验过程中产生的噪声进行测量，噪声监测仪24通过T型螺栓固定在地平铁12上，距离圆盘式刀库及自动换刀系统约1.5米。所选光电开关为漫反射型光电开关，距离检测对象300mm以内，根据刀柄的结构特点，选择光电开关检测点为刀柄58的下边缘轴肩圆柱面，这样可以有效地检测到是否有刀柄。对于位移传感器，为反射型激光位移传感器，检测距离为450mm以内，同所述光电开关，检测点选为刀柄58的下边缘轴肩圆柱面，检测该圆柱面在Z方向的位移变化，进而判断拉钉57的松动状况。即，刀柄58与拉钉57的螺纹联接松动处在可导致圆盘式机械手刀库卡刀或者掉刀故障发生的最小程度时，刀柄58产生位移远小于下边缘的轴肩圆柱面的长度h。所以，可将刀柄58的环槽下边缘的轴肩圆柱面作为被检测物体，而不会导致激光位移传感器误测，同时也便于传感器安装、调试。在安装光电开关和位移传感器时，因所选检测点均为刀柄58的下边缘轴肩圆柱面，所以设计弧形第二支架46，用来保证第一光电开关11和第一位移传感器9均处于同一个圆周上，即处于同一个高度。第二支架46的弧形部分以模拟主轴7的中心为圆心，半径为300mmm，满足第一光电开关11和第一位移传感器9的测量要求，同时又不会对换刀动作造成干扰。第一支架22的设计同第二支架46设计，以换刀口处倒刀动作完成后刀套中心为圆心，半径为300mm。

所述第一三轴向加速度传感器5和第二三轴向加速度传感器15为美国PCB提供的三轴IEPE加速度传感器356A15，最大测量范围±50g，灵敏度100mv/g；所述第三三轴向加速度传感器16为美国PCB提供的三轴IEPE加速度传感器356A17，最大测量范围±10g，灵敏度500mv/g；所述第一贴片式温度传感器17和贴片式温度传感器18为北京昆仑中大生产的KZW/P-201S，三线制，量程：-50℃～200℃，精度A级；所述第一光电开关11和第二光电开关19为欧姆龙(上海)有限公司提供的E3FA-DP12，检测距离为300mm以内；所述第一位移传感器9和第二位移传感器20为基恩士提供的GV-H450，检测距离450mm；噪声监测仪24为四川瞭望工业自动化控制技术有限公司提供的BR-ZSⅡ型，是一款工业标准输出(4～20mA)的积分式噪声监测仪；角度传感器38为北京飞博尔电子有限公司提供的BL50-V系列单圈绝对式角度传感器，测角范围：0～360°，无机械限位，最大转速：6750rpm。

所述的电气控制系统包括设置在控制柜14中与上位机和圆盘式刀库及自动换刀系统连接的继电器、交流接触器、空气开关、热过载继电器、24V直流电源、启动按钮、停止按钮、急停按钮。

所述的试验台控制系统包括用户控制模块和数据管理模块，均布置于上位机中。

所述的数据采集模块还包括型号为NI9234的24位IEPE动态信号采集模块、型号为NI9216的RTD模拟输入模块、型号为NI9246的电流输入模块、型号为NI9244电压测量模块、型号为NI9203的模拟电流采集模块、型号为NI9375的数字模块，上述各模块采用并行方式布置于下位机中。

所述下位机中，采用的是NI CompactRIO嵌入式测控平台作为基本系统构架，根据所述检测项目内容配置相应的C系列模块用来完成数据采集、传输等功能。所述C系列模块包括：NI 9234为4通道24位IEPE动态信号采集模块，能针对配备NI CompactRIO系统的集成电路压电式(IEPE)传感器进行高精度测量。NI 9234具有102dB动态范围，并能对加速度传感器进行软件可选式集成电路压电式(IEPE)信号调理。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2kHz的速率对信号进行数字化；NI 9216为8通道24位100ΩRTD模拟输入模块，与3线和4线RTD测量兼容；NI 9246为3通道C系列电流输入模块适合测量20Arms标称和最高30A的每通道峰值电流且配有通道间隔离；NI 9244C系列模拟输入模块具有400Vrms L-N和800Vrms L-L，以实现高压测量应用，具有每通道高达50kS/s的高速同步采样速率，NI 9246和NI 9244搭配使用可用于功率、能耗监测以及电器电子设备测试等应用。借助每通道高达50kS/s的同步采样速率，不仅能够测量和计量电流和功率，还能查看噪声、频率和谐波等质量因素；NI 9203是一款C系列数据采集模块，包括用于高性能控制和监控应用的8条模拟电流输入通道。NI 9203具有可编程的±20mA或0-20mA输入范围，16位分辨率和200kS/s最大采样率。为了防止信号瞬变，NI 9203具有通道至地面的接地双重隔离屏障(250Vrms隔离)，实现了良好的安全性和抗扰性；NI 9375是一款搭配NI CompactRIO的数字输入数字输出混合模块。16条专用数字输入线均可兼容12V和24V逻辑电平。所有16条专用数字输出线均可兼容6V和30V信号，取决于外部电源。尽管所有数字输入和数字输出线共享同一个定时引擎，但是数字输出线的最大传输延迟可达500μs。NI 9375的输入组和输出组之间具有60V隔离电压，且模块具有1000Vrms通道到地面接地耐压隔离。该模块结合工业逻辑电平和信号，可直接连接至各种工业开关、传感器和其他设备。所述NI CompactRIO嵌入式测控平台为NI cRIO9035，所述C系列模块安装于NI cRIO9035中，完成对所述检测传感器传输过来信号的采集、传输，对传输的模拟信号进行A/D转换，进而传输到下位机NI cRIO 9035中，完成对信号的滤波等基本操作。

所述试验系统主要用来完成对所述检测对象完成加速试验控制。主要包括电气控制系统、试验台控制系统和上位机。所述电气控制系统结合PLC主要用来完成对圆盘式刀库及自动换刀系统的时序动作控制，通过相关硬件完成换刀动作的执行；所述控制系统指通过Lab VIEW完成对圆盘式刀库及自动换刀系统的时序控制及其他操作指令的完成；所述上位机用来执行所述试验台控制控制系统完成人机交互的作用。

所述的控制系统用来完成用户信息管理、环境参数设置、数据采集与处理、信号处理与图形显示功能，包括用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块；所述的用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块采用并联方式布置于上位机中。所述的用户信息管理模块包括密码登录、用户信息、试验台信息和状态信息。所述的密码登录用来保障试验数据的安全性；所述的用户信息用来帮助试验管理人员完成对试验人员的权限设置以及用户基本信息的查询，所述的权限设置包括管理员权限、测试员权限，所述管理员权限拥有最高权限可以完成所有操作，所述测试员权限只能进行试验操作不能对其他用户进行管理；所述试验台信息包括试验台基本参数和历史故障信息；所述状态信息指正在进行试验的受试对象的实时状态。所述的环境参数设置模块用来完成对试验过程中试验时间、采样参数、试验流程的设置。所述的数据采集与处理模块用来完成对所述下位机传输过来的数据进行采集、数据存储、数据检索和报表打印功能。所述的信号处理与图形显示模块指对所述数据采集与处理完成后的数据进行信号提取、信号处理和图形显示功能。所述的信号处理指对所述采集到的数据进行滤波操作以达到抑制和防止干扰的作用。

参阅图5、图6，所述的特制测试组件还包括底板42、第一导轨座25、第一滑块26、第一导轨27、第一锁紧环28、第二锁紧环29、套筒30、第二连接件31、连接螺钉32、法兰盘33、滑环34、连接板35、轴承36、双膜片联轴器37、第二滑块39、第二导轨(40)、第二导轨座41、第一双螺母43、第二双螺母44；

其中所述的底板42放置于第二连接板23上；所述的第一、二导轨座25、41通过内六角螺钉连接在底板42上保证导轨座平面与Z方向平行。所述的第一、二导轨27、40通过螺钉连接在第一、二导轨座25、41上，并通过第一、二双螺母43、44以及连接螺钉32将第二连接件31固定在机械手6中心处，保证第二连接件31随机械手6同步旋转，并且保证滑环34及相应结构的中心与机械手6同轴，从而实现机械手6转位测量和加速度传感器供电以及加速度传感器的信号传输功能；所述的法兰盘33与滑环34的转子固定在一起，通过螺钉和套筒30将法兰盘33与第二连接件31连接在一起，套筒30保证了法兰盘33与第二连接件31之间有足够的间隙允许第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15的电源线和信号线通过；通过螺栓提供的张力把第一、二紧锁环28、29紧锁在滑环34的定子端外表面，保证了第一、二紧锁环28、29与滑环34的定子之间的相对静止；所述的连接板35连接在第一、二紧锁环28、29和第一、二滑块26、39之间，保证了第一、二紧锁环28、29与第一、二滑块26、39之间相对位置不变，所述的第一、二滑块26、39分别在第一、二导轨27、40上滑动；所述的连接螺钉32通过第一、二双螺母43、44固定在机械手6中心处后，依次穿过法兰盘33、滑环34、轴承36，通过双膜片联轴器37与角度传感器38的输入轴端相连接，轴承36安装于连接板35的轴承孔处起支撑连接螺钉32的作用，角度传感器38通过螺钉固定在连接板35上，当机械手6发生旋转时，第二连接件31、连接螺钉32、法兰盘33、滑环34的转子会随着机械手6同步旋转，滑环34的定子、第一、二紧锁环28、29、连接板35则不会随机械手6发现旋转运动，当机械手6发生Z方向运动时，连接件35会在第一、二滑块26、39的作用下沿着第一、二导轨27、40在Z方向发生同步运动，保证了连接板35在Z方向上的运动要求。在完成上述所有部件的连接后，将底板42放置于第二连接板23上，通过底板42及其上其他零部件的重量作用同第二连接板23的表面直接接触，因为其重量足够，带来的摩擦力已经能够保证底板在连接板23上可以保持不动，故不需要额外设计底板42与第二连接板23之间的连接、定位方式，这样充分保证了所述滑环及相应结构安装的方便性。

在完成上述对检测平台设计情况下，设计如下各项目检测方法流程。

参阅图11、图12，在掉刀检测方面，综合应用光电开关和位移传感器进行相关参数检测。由于换刀过程掉刀故障可能发生在拔插刀以及机械手旋转过程中，通过对换刀前后的刀具信号进行采集并作对比判断才能发现是否有掉刀故障，因此，在首次进行换刀动作时，要先给定刀具的状态。根据换刀前刀具状态，对刀具初始状态做了4类分类，在进行综合性能检测前，先选定刀具初始状态，方可执行后续的操作。每次采集的信号通过信号对比判断后要赋值给信号初始状态，以便于下一次采集信号的对比判断。当信号变化时，系统会提示掉刀，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。参阅图5，在进行刀具位移检测时，需要记录刀具安全状态时所处位移作为初始参考位移。其后，根据采集到的刀具位移信息与初始位移作对比，当刀具位移超出安全阈值后作出对应报警提示，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。

参阅图14，在机械手转位检测方面，采用单圈绝对式角度传感器进行相关参数检测。在运行综合性能检测平台前，设置机械手静止状态角度作为初始角度，并保持该角度不变。在每进行一次换刀动作后，采集对应的角度传感器反馈过来的角度值，因为采用的角度传感器为单圈绝对式，故需要对其角度值作相应的角度换算以便于与初始角度做对比，当机械手转角变化超出安全阈值后作出对应报警提示，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。若机械手转角变化在安全阈值内，则保持初始参考角度值不变继续进行试验。

参阅图15，在电机温度检测方面，采用的贴片式温度传感器作为检测元件配合NI9216实现温度数据检测。因为刀盘电机和机械手电机处于交替运行状态，当其中某一个电机处于运转状态时另一个电机是处于失电状态的，因此在进行温度检测时，若同时对两个电机的温度进行监测不仅增加系统运算负担、减缓系统运算速度而且没有任何参考价值，所以，根据机械手电机得电状态做出比较，在某一个时刻只对一个电机做出温度数据的检测。所述贴片式温度传感器以PT100铂电阻作为温度敏感元件，配合NI 9216对其进行相应的数据转换才能够转换为对应电机的温度参数，在对采集到的温度信号进行滤波操作后，因为温度属于连续型参数，不会发生跃变，故只需要设置合适的采样长度，对部分参数进行信号分析即可对电机温度状态做出即时判断。当电机温度超出安全阈值后作出对应报警提示，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。

参阅图16，在振动参数检测方面，采用的三轴向加速度传感器作为检测元件配合NI9234实现振动数据检测。所述加速度传感器主要用来反应刀盘振动和机械手振动状态，在刀盘旋转过程中，机械手不会发生运动，第三三轴向加速度传感器16的数据即可满足对圆盘式刀库及自动换刀系统振动性能的判断，因此时数据量相对较少，可以对所采集到的3个通道数据进行完全分析，对其特征参数进行分析，得出圆盘式刀库及自动换刀系统的振动状态；当机械手运动时，因为机械手需要与刀盘进行刀具交接，此时，需要对第一三轴向加速度传感器5、第二三轴向加速度传感器15、第三三轴向加速度传感器16三个传感器的数据进行采集，通过三个传感器的数据综合判断圆盘式刀库及自动换刀系统的振动性能。此时，因数据量较大，且传感器每个通道采集到的数据不一定完全有用，需要利用信号融合技术和主成分分析法确定出敏感通道数据对其做特征分析，从而判断出圆盘式刀库及自动换刀系统的振动是否超出安全阈值。当振动超出安全阈值后系统作出报警提示，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。

参阅图17，在电机电能质量参数检测方面，通过NI 9244和NI 9246进行电机的电流、电压采集。基于圆盘式刀库及自动换刀系统运行特点，机械手电机和刀盘电机处于交替运行状态，因此采用一套NI 9244和NI 9246对刀盘电机和机械手电机同时进行电能参数检测。对采集到的电流、电压做电能质量分析和特制分析，通过电能质量参数反应出对于刀盘电机和机械手电机的实时状态，当电能质量参数出安全阈值后系统作出报警提示，并发出中断信号中断综合性能检测平台的执行。

Claims (1)

1.一种圆盘式刀库及自动换刀系统综合性能检测平台，其特征在于，该检测平台包括测试系统、试验系统和控制系统；

所述的测试系统包括特制测试组件、第一三轴向加速度传感器(5)、第一位移传感器(9)、第一光电开关(11)、第二三轴向加速度传感器(15)、第三三轴向加速度传感器(16)、第一贴片式温度传感器(17)、第二贴片式温度传感器(18)、第二光电开关(19)、第二位移传感器(20)、噪声监测仪(24)、角度传感器(38)、第一压力变送器(53)、第二压力变送器(55)以及电能质量分析模块、数据采集模块和下位机；

所述的试验系统包括由刀盘(2)、第一交流电机(3)、第二交流电机(4)、机械手(6)组成的测试对象即圆盘式刀库及自动换刀系统、支撑组件、与支撑组件连接的模拟主轴组件和由电气控制系统、试验台控制系统和上位机组成的控制柜(14)；

所述的第一三轴向加速度传感器(5)、第二三轴向加速度传感器(15)、第三三轴向加速度传感器(16)、第一贴片式温度传感器(17)、第二贴片式温度传感器(18)、第一位移传感器(9)、第二位移传感器(20)、角度传感器(38)均设置在圆盘式刀库及自动换刀系统上；所述角度传感器(38)固定在特制测试组件的连接板(35)上；所述的第一光电开关(11)、第二光电开关(19)与支撑组件螺纹连接；所述的噪声监测仪(24)固定在支撑组件中的地平铁(12)上；所述的第一三轴向加速度传感器(5)、第二三轴向加速度传感器(15)、第三三轴向加速度传感器(16)、第一贴片式温度传感器(17)、第二贴片式温度传感器(18)、第一位移传感器(9)、第二位移传感器(20)、角度传感器(38)的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；所述的数据采集模块通过自带接口与下位机的PCI总线连接；所述的下位机与试验系统中的上位机通过以太网相连；所述电能质量分析模块由数据采集模块中的电流输入模块和电压测量模块组成，第一、二交流电机(3、4)的三相电输入线与电流输入模块串联与电压测量模块并联，电压测量模块和电流输入模块分别通过自带接口与下位机连接；圆盘式刀库及自动换刀系统与第一连接板(10)相连，第二交流电机和机械手(6)连接在刀盘(2)上；

所述的控制系统布置于上位机中；

所述的支撑组件还包括第一立柱(1)、第二立柱(8)、第一支架(22)、第二支架(46)、第一安装座(21)、第二安装座(47)和第二连接板(23)；所述的第二立柱(8)通过键和第一键槽(13)与第二连接板(23)连接并固定在地平铁(12)上；所述的第一立柱(1)通过键与第一连接板(10)连接并固定在地平铁(12)上；所述的第二支架(46)通过键和第二键槽(45)固定在第二立柱(8)上；所述的第一支架(22)通过键和键槽固定在所述的第一立柱(1)上；所述的第一、二光电开关(11、12)分别与支撑组件中的第二、一支架(46、22)螺纹连接；

所述的模拟主轴组件包括模拟主轴(7)、压板(50)、滑动模块(49)；所述的模拟主轴(7)通过压板(50)安装在滑动模块(49)上；所述的滑动模块(49)通过键固定在第二立柱(8)的第三键槽(48)上；

所述的电气控制系统包括设置在控制柜(14)中与上位机和圆盘式刀库及自动换刀系统连接的继电器、交流接触器、空气开关、热过载继电器、24V直流电源、启动按钮、停止按钮、急停按钮；

所述的试验台控制系统包括用户控制模块和数据管理模块，均布置于上位机中；

所述的控制系统包括用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块；所述的用户信息管理模块、环境参数设置模块、数据采集与处理模块、信号处理与图形显示模块采用并联方式布置于上位机中；

所述的数据采集模块还包括24位IEPE动态信号采集模块、RTD模拟输入模块、电流输入模块、电压测量模块、模拟电流采集模块、数字模块，上述各模块采用并行方式布置于下位机中；

所述的特制测试组件还包括底板(42)、第一导轨座(25)、第一滑块(26)、第一导轨(27)、第一锁紧环(28)、第二锁紧环(29)、套筒(30)、第二连接件(31)、连接螺钉(32)、法兰盘(33)、滑环(34)、连接板(35)、轴承(36)、双膜片联轴器(37)、第二滑块(39)、第二导轨(40)、第二导轨座(41)、第一双螺母(43)、第二双螺母(44)；

其中所述的底板(42)放置于第二连接板(23)上；所述的第一、二导轨座(25、41)固定在底板(42)上方的左、右两端；所述的第一、二导轨(27、40)分别固定在第一、二导轨座(25、41)的导轨槽中，第一、二滑块(26、39)分别安装于第一、二导轨(27、40)上并且在第一、二导轨(27、40)上滑动；所述的第二连接件(31)通过连接螺钉(32)、第一、二双螺母(43、44)固定在机械手(6)中心处，并依次穿过法兰盘(33)、滑环(34)、轴承(36)，通过双膜片联轴器(37)与角度传感器(38)的输入轴端相连接；所述的法兰盘(33)与滑环(34)固定在一起并通过螺钉和4个套筒法兰盘(33)与第二连接件(31)连接在一起；所述的第一、二紧锁环(28、29)紧锁在滑环(34)的定子端外表面；所述的连接板(35)连接在第一、二紧锁环(28、29)和第一、二滑块(26、39)之间；所述的轴承(36)安装于连接板(35)的轴承孔处，角度传感器(38)固定在连接板(35)上，所述的第一三轴向加速度传感器(5)、第二三轴向加速度传感器(15)的信号输出端与滑环(34)的输入端相连，滑环(34)的输出端与下位机相连。