CN111604710B - 一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法 - Google Patents

一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法，本发明首先搭建了自动换刀装置输出轴运动精度检测装置，进而提出通过两个旋转编码器和一个激光位移传感器对自动换刀装置输出轴运动精度进行测量的方法；同时利用数据采集和上位机所获得的数据，得到自动换刀装置输出轴运动行程曲线，并据此计算得到自动换刀装置输出轴运动精度；本装置及和方法可实现自动换刀装置输出轴运动精度的检测和质量评价。

Description

一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法
技术领域
本发明属于自动换刀装置精度检测领域，特别是一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法。
背景技术
自动换刀装置作为数控加工中心的重要组成部分，主要负责完成刀库和主轴之间刀具自动交换的功能，其自动化程度高且与数控加工中心配套工作，具有启动频繁、工作动作多、传递机构复杂等特点，同时要求换刀时间短、刀具重复定位精度高。自动换刀装置的换刀动作主要包括抓刀、插刀、拔刀、换刀和复位几个动作，其中拔刀和插刀时输出轴带动机械手作直线运动，抓刀、换刀和复位时输出轴带动机械手作旋转运动。所以自动换刀装置输出轴的运动精度测量同时包括直线运动精度测量和旋转运动精度测量两部分。
专利号为CN103551919A的专利公开了一种旋转机械手自动换刀的重复定位精度测量装置；专利号为CN103383315A的专利公开了一种自动换刀装置综合性能检测试验台，实现对输出轴定位精度、弧面分度凸轮机构综合分度精度及动力学特性、机械手振动等性能的测量；专利号为CN110442085A的专利公开了一种刀库及自动换刀装置倒刀位置精度、换刀位置精度的测量装置和方法。上述装置和方法主要针对自动换刀装置的换刀定位精度进行测量，可以实现对自动换刀装置运动精度的间接测量和评价。但由于自动换刀装置的运动复杂、测量空间狭窄，所以对于自动换刀装置运动精度的直接在线测量研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置和方法，以实现自动换刀装置输出轴运动精度的在线检测和质量评价。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置，包括激光位移传感器、旋转编码器、伺服电机编码器、工控机；
所述激光位移传感器用于对自动换刀装置输出轴的直线运动精度进行测量；所述旋转编码器用于对自动换刀装置输出轴的旋转运动精度进行测量；所述伺服电机编码器用于对自动换刀装置主动轴的旋转精度进行测量；所述工控机设有数据采集模块和精度计算模块；
所述数据采集模块用于采集自动换刀装置第i次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度、自动换刀装置输出轴的旋转角度和激光位移传感器到测量板的距离；
所述精度计算模块用于计算自动换刀装置输出轴的运动精度损失随换刀次数的变化，完成对自动换刀装置输出轴的运动精度的测量。
一种自动换刀装置输出轴运动精度检测方法，包括以下步骤：
步骤1、数据测量与采集：测量自动换刀装置第次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度、自动换刀装置输出轴的旋转角度和激光位移传感器到测量板的距离；
步骤2、计算自动换刀装置的运动行程曲线：计算自动换刀装置输出轴直线运动位移，同时利用最小二乘法拟合得到自动换刀装置输出轴运动行程曲线；
步骤3、计算自动换刀装置输出轴运动精度：将拟合得到的输出轴运动行程曲线分别与首次测量得到的输出轴运动行程曲线进行比较，得到自动换刀装置输出轴运动精度损失随换刀次数的变化，实现自动换刀装置输出轴运动精度的测量。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于本装置通过激光位移传感器和旋转编码器测量得到自动换刀装置输出轴完整的运动行程曲线，可以分解得到每个换刀动作，对换刀过程中每个换刀动作的运动精度进行评价，满足实时在线测量的要求。
附图说明
图1为实施例的自动换刀装置整体构成图。
图2为实施例本体箱的内部结构图。
图3为实施例中空间复合凸轮结构示意图。
图4为实施例中刀臂转转动装置的结构示意图。
图5为实施例中摇臂转动装置的结构示意图。
图6为实施例中自动换刀装置输出轴的运动行程曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图5，本发明首先对检测对象自动换刀装置进行介绍，所述自动换刀装置包括机架、空间复合凸轮、刀臂转动装置、摇臂转动装置；
所述机架包括地平铁1-1、底座1-2、转接架1-3、本体箱1-4、本体箱盖1-5；底座1-2垂直固定安装在地平铁1-1上；转接架1-3与底座1-2垂直固定安装；本体箱1-4与转接架1-3垂直固定安装，本体箱盖1-5固接于本体箱1-4上；
所述空间复合凸轮包括驱动电机2-1、固定法兰2-2、主动轴2-3、空间复合凸轮2-4、主动轴固定座2-5；所述驱动电机2-1与固定法兰2-2固接，所述固定法兰2-2与本体箱1-4固接，驱动电机2-1的输出端与主动轴2-3固接，主动轴另一端通过轴承和主动轴固定座2-5旋转连接；所述主动轴固定座2-5与本体箱盖1-5固接；所述空间复合凸轮2-4与主动轴2-3固接。所述驱动电机2-1用于驱动空间复合凸轮2-4旋转。所述空间复合凸轮2-4包括相连的弧面分度凸轮2-41和平面沟槽凸轮2-42。
所述刀臂转动装置包括珠管端盖3-1、从动珠管固定座3-2、从动珠管3-3、分度盘3-4、从动轮3-5、从动轴3-6、从动轴固定座3-7、刀臂3-8；从动轴(3-6)和从动珠管3-3的中心轴线重合，与主动轴2-3满足垂直度要求，它们之间的的距离与空间复合凸轮机构的中心距保持一致，保证分度盘3-4的滚子与空间复合凸轮2-4的弧面分度凸轮2-41正常啮合；所述从动轴固定座3-7与本体箱1-4固接，从动轴3-6与从动轴固定座3-7旋转连接；所述从动珠管固定座3-2与本体箱1-4固接，从动珠管3-3与从动珠管固定座3-2通过轴承旋转连接；所述从动轴3-6与从动珠管3-3移动连接，与从动轮3-5固接；所述珠管端盖3-1与本体箱1-4固接。所述刀臂3-8与从动轴3-6固接。所述空间复合凸轮2-4可以通过分度盘3-4驱动从动珠管3-3旋转，从动珠管3-3驱动从动轴3-6旋转，进而刀臂3-8旋转。
所述摇臂转动装置包括摇臂4-1、摇臂旋转轴4-2、主动滚子4-3、从动滚子4-4；所述摇臂旋转轴4-2与本体箱1-4固接；所述摇臂4-1与摇臂旋转轴4-2转动连接；所述主动滚子4-3一端与摇臂4-1转动连接，另一端与空间复合凸轮2-4的平面沟槽凸轮2-42相配合；所述从动滚子4-4一端与摇臂4-1转动连接，另一端与从动轮3-5相配合。所述空间复合凸轮2-4可以通过主动滚子4-4驱动摇臂4-1绕摇臂旋转轴4-2转动，同时通过从动滚子4-5驱动从动轮3-5，进而驱动从动轴3-6和刀臂3-8作直线运动。
结合图1和图5，本发明的检测装置包括检测单元、数据采集与分析系统；所述检测单元包括激光位移传感器5-1、激光位移传感器固定座5-2、测量板5-3、旋转编码器5-4；所述激光位移传感器5-1通过激光位移传感器固定座5-2与地平铁1-1固接；所述测量板5-3与刀臂3-8固接；所述旋转编码器5-2与珠管端盖3-1固接，旋转编码器输入端与从动珠管3-3固接；所述激光位移传感器5-1用于测量激光位移传感器到测量板之间的距离；所述旋转编码器5-2用于测量自动换刀装置输出轴的转动角度。所述跑合机构包括刀套座6-1、刀套6-2、刀柄6-3；所述刀套座6-1固接于从动轴固定座3-7上；所述刀套6-2固接于刀套座6-1两端。刀柄6-3和刀套6-2可通过标准拉钉连接在一起。两刀套之间的距离与刀臂3-8的规格保持一致，刀臂3-8可在两个刀套之间完成换刀动作。
所述数据采集与分析系统包括工控机、数据采集板卡、激光位移传感器控制器、伺服电机驱动器、运动控制卡。所述工控机通过运动控制卡和伺服电机驱动器控制驱动电机2-1转动。所述激光位移传感器控制器将激光位移传感器测量得到的数据传到工控机；数据采集板卡将旋转编码器测量得到的数据传到工控机；工控机将采集得到的数据进行处理并显示测量结果。
所述工控机设有数据采集模块和精度计算模块；
所述数据采集模块用于采集自动换刀装置第i次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度、自动换刀装置输出轴的旋转角度和激光位移传感器到测量板的距离。
所述精度计算模块用于计算自动换刀装置输出轴的运动精度损失随换刀次数的变化。
所述精度计算模块包括自动换刀装置输出轴运动行程曲线计算单元、自动换刀装置输出轴运动精度计算单元。
所述自动换刀装置输出轴运动行程曲线计算单元用于对自动换刀装置输出轴运动行程曲线进行拟合，得到自动换刀装置输出轴旋转运动行程曲线和直线运动行程曲线；具体过程如下：
根据采集得到的数据可以得到自动换刀装置输出轴直线运动位移的计算公式为：
Lij＝Dij-Di1(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)
将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置主动轴的旋转角度θij和自动换刀装置输出轴的直线运动位移Lij进行小二乘法拟合，依次得到自动换刀装置第i次换刀时的直线运动行程曲线(L-θ)i。其中，Dij表示自动换刀装置第i,i＝1,2,3…,m次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度为θij,i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n时激光位移传感器到测量板之间的距离。
将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置主动轴的旋转角度θij和自动换刀装置输出轴的旋转角度ψij进行最小二乘法拟合，依次得到自动换刀装置第i次换刀时的旋转运动行程曲线(ψ-θ)i。
所述自动换刀装置输出轴运动精度计算单元用于将拟合得到的输出轴运动行程曲线分别与首次测量得到的输出轴运动行程曲线进行比较，得到自动换刀装置输出轴运动精度损失随换刀次数的变化，实现自动换刀装置输出轴运动精度的测量。具体过程如下：
根据测量得到的自动换刀装置输出轴运动行程曲线，得到在每次换刀过程中，抓刀时输出轴的转角ψiz，换刀时输出轴的转角ψih，复位时输出轴的转角ψif，拔刀时输出轴的位移Lib，插刀时输出轴的位移Lic。将每次测量结果与首次测量结果进行比较，得到：
自动换刀装置输出轴抓刀时的运动精度损失为：Δψiz＝|ψiz-ψ1z|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴换刀时的运动精度损失为：Δψih＝|ψih-ψ1h|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴复位时的运动精度损失为：Δψif＝|ψif-ψ1f|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴拔刀时的运动精度损失为：ΔLib＝|Lib-L1b|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴插刀时的运动精度损失为：ΔLic＝|Lic-L1c|(i＝1,2,3,…n)
进而可以得到自动换刀装置输出轴运动精度的损失随换刀次数的变换规律，实现对自动换刀装置输出轴运动精度的评价。其中，ψiz表示自动换刀装置第i次换刀过程抓刀时输出轴的转角；ψih表示自动换刀装置第i次换刀过程换刀时输出轴的转角；ψif表示自动换刀装置第i次换刀过程复位时输出轴的转角；Lib表示自动换刀装置第i次换刀过程拔刀时输出轴的位移；Lic表示自动换刀装置第i次换刀过程插刀时输出轴的位移；Δψiz表示自动换刀装置输出轴抓刀时的运动精度的损失；Δψih表示自动换刀装置输出轴换刀时的运动精度的损失；Δψif表示自动换刀装置输出轴复位时的运动精度的损失；ΔLib表示自动换刀装置输出轴拔刀时的运动精度的损失；ΔLic表示自动换刀装置输出轴插刀时的运动精度的损失。
本发明提出一种基于上述装置实现自动换刀装置运动精度检测方法，包括以下步骤：
步骤1、数据测量与采集：
自动换刀装置第i(i＝1,2,3…,m)次换刀时，在自动换刀装置主动轴旋转一周的过程中，测量得到自动换刀装置主动轴的旋转角度为θij(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)时，激光位移传感器到测量板之间的距离为Dij(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)，输出轴的转动角度为ψij(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)。利用数据采集板卡和激光位移传感器控制器将测量得到的数据Dij、θij、ψij传递给工控机。
步骤2、计算自动换刀装置的运动行程曲线
根据采集得到的数据可以得到自动换刀装置输出轴直线运动位移的计算公式为：
Lij＝Dij-Di1(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)
将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置主动轴的旋转角度θij和自动换刀装置输出轴的直线运动位移Lij进行小二乘法拟合，依次得到自动换刀装置第i次换刀时的直线运动行程曲线(L-θ)i。
将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置主动轴的旋转角度θij和自动换刀装置输出轴的旋转角度ψij进行最小二乘法拟合，依次得到自动换刀装置第i次换刀时的旋转运动行程曲线(ψ-θ)i。
步骤3、计算自动换刀装置输出轴运动精度：
自动换刀装置输出轴运动行程曲线如图6所示，根据测量得到的自动换刀装置输出轴运动行程曲线，可以得到在每次换刀过程中，抓刀时输出轴的转角ψiz，换刀时输出轴的转角ψih，复位时输出轴的转角ψif，拔刀时输出轴的位移Lib，插刀时输出轴的位移Lic。将每次测量结果与首次测量结果进行比较，得到：
自动换刀装置输出轴抓刀时的运动精度损失为：Δψiz＝|ψiz-ψ1z|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴换刀时的运动精度损失为：Δψih＝|ψih-ψ1h|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴复位时的运动精度损失为：Δψif＝|ψif-ψ1f|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴拔刀时的运动精度损失为：ΔLib＝|Lib-L1b|(i＝1,2,3…,n)
自动换刀装置输出轴插刀时的运动精度损失为：ΔLic＝|Lic-L1c|(i＝1,2,3…,n)
进而可以得到自动换刀装置输出轴运动精度的损失随换刀次数的变换规律，实现对自动换刀装置输出轴运动精度的评价。

Claims (4)

1.一种自动换刀装置输出轴运动精度检测装置，其特征在于，包括激光位移传感器、旋转编码器、伺服电机编码器、工控机；
所述激光位移传感器用于对自动换刀装置输出轴的直线运动精度进行测量；所述旋转编码器用于对自动换刀装置输出轴的旋转运动精度进行测量；所述伺服电机编码器用于对自动换刀装置主动轴的旋转精度进行测量；所述工控机设有数据采集模块和精度计算模块；
所述数据采集模块用于采集自动换刀装置主动轴的旋转角度、自动换刀装置输出轴的旋转角度和激光位移传感器到测量板的距离；
所述精度计算模块用于计算自动换刀装置输出轴的运动精度损失随换刀次数的变化规律；
所述精度计算模块包括自动换刀装置输出轴运动行程曲线计算单元、自动换刀装置输出轴运动精度计算单元；
所述自动换刀装置输出轴运动行程曲线计算单元用于对自动换刀装置输出轴运动行程曲线进行拟合，得到自动换刀装置输出轴旋转运动行程曲线和直线运动行程曲线；
所述自动换刀装置输出轴运动精度计算单元用于将拟合得到的输出轴运动行程曲线分别与首次测量得到的输出轴运动行程曲线进行比较，得到自动换刀装置输出轴运动精度损失随换刀次数的变化规律，实现自动换刀装置输出轴运动精度的测量；
所述自动换刀装置输出轴运动行程曲线计算单元，将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置输出轴的旋转角度αij进行最小二乘法拟合，得到自动换刀装置第i次换刀时的旋转运动行程曲线；将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置输出轴的直线运动位移Lij进行最小二乘法拟合，得到自动换刀装置第i次换刀时的直线运动行程曲线；直线运动位移Lij的计算公式为：
Lij＝Dij-Di1 (i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)
其中，Dij表示自动换刀装置第i(i＝1,2,3…,m)次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度为θij(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)时，激光位移传感器与测量板之间的距离。
2.根据权利要求1所述的自动换刀装置输出轴运动精度检测装置，其特征在于，所述自动换刀装置输出轴运动精度计算单元，计算结果为：
Figure FDA0003528430070000011
其中，ψiz表示自动换刀装置第i次换刀过程抓刀时输出轴的转角；ψih表示自动换刀装置第i次换刀过程换刀时输出轴的转角；ψif表示自动换刀装置第i次换刀过程复位时输出轴的转角；Lib表示自动换刀装置第i次换刀过程拔刀时输出轴的位移；Lic表示自动换刀装置第i次换刀过程插刀时输出轴的位移；Δψiz表示自动换刀装置输出轴抓刀时的运动精度的损失；Δψih表示自动换刀装置输出轴换刀时的运动精度的损失；Δψif表示自动换刀装置输出轴复位时的运动精度的损失；ΔLib表示自动换刀装置输出轴拔刀时的运动精度的损失；ΔLic表示自动换刀装置输出轴插刀时的运动精度的损失。
3.一种自动换刀装置输出轴运动精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数据测量与采集：测量自动换刀装置第i次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度、自动换刀装置输出轴的旋转角度和激光位移传感器到测量板的距离；
步骤2、计算自动换刀装置的运动行程曲线：计算自动换刀装置输出轴直线运动位移，同时利用最小二乘法拟合得到自动换刀装置输出轴运动行程曲线；
步骤3、计算自动换刀装置输出轴运动精度：将拟合得到的输出轴运动行程曲线分别与首次测量得到的输出轴运动行程曲线进行比较，得到自动换刀装置输出轴运动精度损失随换刀次数的变化规律，实现自动换刀装置输出轴运动精度的测量；
步骤2计算自动换刀装置的运动行程曲线，将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置输出轴的旋转角度αij进行最小二乘法拟合，得到自动换刀装置第i次换刀时的旋转运动行程曲线；将自动换刀装置第i次换刀时自动换刀装置输出轴的直线运动位移Lij进行最小二乘法拟合，得到自动换刀装置第i次换刀时的直线运动行程曲线；直线运动位移Lij的计算公式为：
Lij＝Dij-Di1(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)
其中，Dij表示自动换刀装置第i(i＝1,2,3…,m)次换刀时，自动换刀装置主动轴的旋转角度为θij(i＝1,2,3…,m；j＝1,2,3,…,n)时，激光位移传感器到测量板的距离。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，步骤3计算自动换刀装置输出轴运动精度，计算结果为：
Figure FDA0003528430070000031
其中，ψiz表示自动换刀装置第i次换刀过程抓刀时输出轴的转角；ψih表示自动换刀装置第i次换刀过程换刀时输出轴的转角；ψif表示自动换刀装置第i次换刀过程复位时输出轴的转角；Lib表示自动换刀装置第i次换刀过程拔刀时输出轴的位移；Lic表示自动换刀装置第i次换刀过程插刀时输出轴的位移；Δψiz表示自动换刀装置输出轴抓刀时的运动精度的损失；Δψih表示自动换刀装置输出轴换刀时的运动精度的损失；Δψif表示自动换刀装置输出轴复位时的运动精度的损失；ΔLib表示自动换刀装置输出轴拔刀时的运动精度的损失；ΔLic表示自动换刀装置输出轴插刀时的运动精度的损失。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Wang Manxin

Inventor after: Zhao Xinshuang

Inventor after: Han Jun

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Inventor before: Zhao Xinshuang

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GR01 Patent grant
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