CN114425720B - 具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法，涉及机器人加工技术以及切削力和振动监测技术领域。本发明包括主轴系统，阻尼合金板，控制装置，动态信号采集装置，末端执行机构；所述主轴系统、所述阻尼合金板和所述末端执行机构依次连接；所述控制装置用于控制所述末端执行机构，还用于控制所述主轴系统的启停、转速以及切削过程物理信号监测；所述物理信号传输给动态信号采集装置进行放大、解调与采集后，反馈给所述控制装置。本发明通过将力和振动传感器集成于主轴结构中，建立起传感器和切削工具间的统一坐标系，以应用于不同位姿下机器人铣、钻加工过程，灵敏、准确地实现对切削力和振动信号的同步测量。

Description

具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法

技术领域

本发明涉及机器人加工技术以及切削力和振动监测技术领域，更具体的说是涉及一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法。

背景技术

在智能制造的背景下，工业机器人性能的稳步提升，使其应用场景得以由喷涂、焊接、搬运等领域扩展到了复杂的加工制造行业。相较于数控机床，工业机器人在加工制造方面具有成本低、运动灵活性高、工作空间广、并行协调作业能力强等优势。

然而，作为一种弱刚性系统，工业机器人在加工过程中通常会发生受力变形、颤振等现象，使得零件加工精度较差、表面质量不足，严重影响制造效率，甚至会带来一定的生产安全隐患。为确保机器人系统在良好加工状态下进行自动化和智能化生产、有效提升加工精度和效率，将切削过程监测技术引入机器人加工系统是极其必要的。利用传感器对加工过程的相关信号进行采集，既可以实现对系统切削状态的实时在线监控，也可以根据信号特征优化切削工艺参数，降低受力影响，抑制颤振的发生。

切削力和振动信号与系统切削状态最为相关，故而采用切削力和振动监测技术来对系统状态进行表征识别是最为常见且有效的方法。在对相关信号采集的过程中，传感器的安装位置会对信号采集结果造成极大的影响。传统的安装方式，一般将传感器固定于机器人末端执行机构、切削工作台或被加工零件等位置上，这存在明显的弊端：(1)传感器与切削点间的距离较大，易受到现场噪声的干扰，降低信号的精确性和稳定性；(2)传感器的安装位置以及布线模式会在一定程度上损失机器人的运动灵活性；(3)多个传感器的测量坐标系难以统一，导致不同信号物理特征的方向对应性较差。

如何解决上述技术问题，是本领域技术人员亟需解决的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法，其目的在于提供一种集旋转主轴功能、切削功能以及力和振动信号监测功能于一体的主轴系统，通过将力和振动传感器集成于主轴结构中，建立起传感器和切削工具间的统一坐标系，以应用于不同位姿下机器人铣、钻加工过程，灵敏、准确地实现对切削力和振动信号的同步测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，包括主轴系统，阻尼合金板，控制装置，动态信号采集装置，末端执行机构；所述主轴系统、所述阻尼合金板和所述末端执行机构依次连接；所述控制装置用于控制所述末端执行机构，还用于控制所述主轴系统的启停、转速以及切削过程物理信号监测；所述物理信号传输给动态信号采集装置进行放大、解调与采集后，反馈给所述控制装置。

采用上述技术方案的有益效果：阻尼合金板可以利用自身特有的阻尼性质吸收主轴系统在切削过程中由切削力和切削振动产生的能量，并将该能量迅速转化为热能，从而阻碍了能量在主轴系统、末端执行机构和机器人1间的传递过程，既有效避免了机器人加工系统颤振现象的发生，也降低了机器人振动噪声对切削振动信号的影响。

可选的，所述主轴系统包括阶梯轴，所述阶梯轴分别与角接触球轴承组、深沟球轴承配合，所述角接触球轴承组和所述深沟球轴承用于支撑阶梯轴。

可选的，所述角接触球轴承组中包括两个角接触球轴承，两个角接触球轴承以背对背方式进行安装。

可选的，轴承内配合挡圈和轴承外配合挡圈分别用于固定所述角接触球轴承的内圈和外圈。

采用上述技术方案的有益效果：两个角接触球轴承以背对背方式进行安装，可以提升轴承的支撑刚性。浮动端轴承不受轴向力作用，仅承受径向力，用于调节阶梯轴在切削过程中因切削热温升而产生的伸长量。

可选的，所述主轴系统包括轴承座和主轴外壳，将定位销置入所述轴承座和所述主轴外壳上设置的定位销通孔中。

采用上述技术方案的有益效果：由于轴承座后端的短销结构与主轴外壳间的紧配合关系会使得轴承座与主轴外壳间产生无规律的受力作用点，无利于构建切削力与监测力间的数学关系。而通过二次装配并将定位销置入轴承座和主轴外壳上设置的定位销通孔中，可以在对阶梯轴精准定心的前提下，确保轴承座的受力只能通过压电测力晶组所在的四个点位传递到主轴外壳上，有利于构建监测力与切削力间的精准数学模型。一次装配完成后，对轴承座的先车削后磨削，是为了有效保证压电测力晶组的安装对于结构表面平整度的需求，从而提升测量精度。

可选的，所述主轴系统包括压电测力晶组，所述置于轴承座与主轴外壳间的连接点。

采用上述技术方案的有益效果：切削力是在刀具与工件的接触面上作用产生的，直接监测切削力作用点处的切削力和切削力矩是极其困难的。对于主轴系统，切削过程经刀具作用于阶梯轴上的切削力与角接触球轴承组施加于阶梯轴上的作用力间存在一定的数学规律，切削力作用点与主轴轴线间的偏移量始终同角接触球轴承组处作用点与主轴轴线间的偏移量保持一致。因此，通过间接监测角接触球轴承组对阶梯轴的作用力，将复杂的切削力监测问题转化为相对容易的轴承作用力问题，可以有效实现对切削力和切削扭矩的表征。切削力矩的产生是由于切削力作用点与主轴轴线存在一定的偏移量，是切削力对主轴轴线作用产生的。因此，通用平板测力计在力矩监测方面呈现出：仅当切削刀具轴线与晶组中心点重合时，力矩测量值才是准确的；而当在切削刀具轴线偏离中心点时，力矩监测是无效的。相较于此，本发明中主轴系统的四个压电测力晶组的中心点始终与主轴轴线相重合，这使得力矩监测在任意时刻都是针对于主轴轴线展开的，即任意时刻的力矩监测均是有效可靠的。将晶组测量坐标系与主轴工具坐标系相统一，是为了便于确定晶组测量坐标系在机器人不同位姿加工下的空间位置，也便于与三向振动传感器的测量坐标系相统一，使得各传感器测量得到的物理特征信号具有良好的方向对应性。

可选的，所述主轴系统包括三向振动传感器，所述三向振动传感器置于轴承座外套与轴承座间形成的凹槽中，将所述三向振动传感器相交的三个垂直面分别与凹槽内相交的三个垂直面进行胶固。

采用上述技术方案的有益效果：采用压电式加速度传感器，既可以满足振动测量的频率范围要求，也可以凭借自身体积小的优势满足集成操作的需求。同时，相交三个垂直面间胶固的安装方式使得三向振动传感器的测量坐标系能够准确地与主轴系统工具坐标系实现统一，从而精准保证了力和振动监测方向的一致性。

一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统实现方法，包括以下步骤：

获取切削力信号以及切削震动信号；

通过对主轴系统二次装配，得到切削力信号、切削震动信号与刀具切削力之间的数学模型。

可选的，所述二次装配具体为：

将与主轴外壳存在紧配合关系的轴承座用于装配；

装配完成后，沿主轴系统的轴向，在轴承座的端面加工四个定位销通孔，通孔贯穿轴承座并进入主轴外壳中；

将轴承座拆离，对所述轴承座后端的短销结构做车削处理；

对轴承座作进一步磨削处理，形成最终的轴承座；

利用定位销和定位销通孔进行阶梯轴的定心；

装配完成后，去除定位销。

可选的，还包括对所述切削力信号、所述切削震动信号放大并数字化。

采用上述技术方案的有益效果：通过放大处理将微弱的电压信号进行有效增强，A/D转换处理将模拟信号转换为数字信号，这些处理操作使得信号的通信性和抗干扰能力显著提升。力和振动信号接入同一台采集设备，可以同时实现采集过程的启停，有效解决了多传感器监测信号在时间上不同步的问题。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法，将复杂的切削力监测问题转化为了相对容易的轴承作用力监测问题。将压电测力晶组和三向振动传感器有机集成于电主轴结构体上，建立起了各传感器测量坐标系与主轴系统工具坐标系间的统一关系，解决了多传感器监测信号方向不一致的问题，形成了具有力和振动监测功能的铣、钻主轴系统。同时，依托三位姿预置法，对不同机器人位姿下由重力因素产生的不同的力传感器相对零位测量值进行了有效清除，以适应机器人加工多位姿灵活性的特点。并配合使用电源系统、准静态电荷放大器和多通道动态数据采集仪等设备，高精度、高灵敏度、高稳定性地实现了对加工过程中切削力和振动信号的同步采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的具有切削力和振动监测功能的机器人铣、钻主轴系统的工作模式示意图；

图2附图为本发明提供的主轴系统总体结构以及传感器测量坐标系和主轴系统坐标系间的相互关系示意图；

图3附图为本发明提供的主轴系统结构沿A-A向的剖面示意图；

图4附图为本发明提供的主轴系统结构沿B-B向的剖面示意图；

图5附图为本发明提供的仅重力作用下的主轴系统内部的静力平衡示意图；

图6附图为本发明提供的切削力作用下的主轴系统内部的静力平衡示意图；

图7附图为本发明提供的力传感器的测量原理示意图；

图8附图为本发明提供的切削力和振动信号的采集、处理、传输模式示意图；

其中，1-机器人，2-末端执行机构，3-阻尼合金板，4-PC端，5-动态信号采集仪，6-主轴系统，7-压电测力晶组，8-定位销通孔，9-三向振动传感器，10-电源接线模块，11-阶梯轴，12-线圈，13-主轴外壳，14-深沟球轴承，15-后端盖，16-后端塑料盘，17-轴用挡圈，18-垫片组，19-轴承外配合挡圈，20-角接触球轴承组，21-轴承座外套，22-轴承座，23-轴承内配合挡圈，24-筒夹，25-ER锁紧螺母，26-刀具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统及实现方法。

如图1所示，主轴系统6、阻尼合金板3和末端执行机构2三者间依托螺栓实现连接，并通过末端执行机构2上的法兰盘固定于机器人1的末端。阻尼合金板3利用自身特有的阻尼性质吸收主轴系统6在切削过程中由切削力和切削振动产生的能量，并将该能量迅速转化为热能。PC端4既可以控制末端执行机构2和机器人1在加工空间中的移动，以满足处于不同位置的零件的加工需求；也可以控制主轴系统的启停状态、转速大小以及切削过程物理特征信号的监测。监测信号经动态信号采集仪5进行放大、解调与采集，并以无线WIFI的方式传输给PC端4进行后续的分析过程，实现对机器人切削加工过程的实时在线监测。

如图图2-4所示，主轴系统6是基于OLIspeed公司的SME103电主轴结构进行改造设计的。阶梯轴11的中间部分置于线圈12的内腔中，位于线圈12外部的主轴外壳13起封装保护作用。外部电源经主轴外壳13上的电源接线模块10接入主轴系统6，使线圈产生交变磁场，从而控制其转速和转向。阶梯轴11由前固定端的角接触球轴承组20和后浮动端的深沟球轴承14进行支撑，深沟球轴承14通过垫片组18、轴用挡圈17和阶梯轴11的阶梯实现轴向定位；角接触球轴承组20中的两个角接触球轴承以背对背方式进行安装，通过轴承座22、轴承内配合挡圈23、轴承外配合挡圈19和阶梯轴11的阶梯实现轴向定位，轴承内配合挡圈23和轴承外配合挡圈19分别用于固定角接触球轴承的内圈和外圈。刀具26置入筒夹24的中心孔，依托ER锁紧螺母25固定于阶梯轴11前端。后端塑料盘16和后端盖15置于主轴系统6后侧，主要起保护作用。

通常来讲，阶梯轴11的精准定心是通过构建轴承座后端的短销结构与主轴外壳13间的紧配合关系实现的。然而，这种紧配合关系会使得轴承座与主轴外壳13间产生无规律的受力作用点，无利于构建切削力与监测力间的数学关系。为此，在主轴系统6的装配过程中，首先，将与主轴外壳13存在紧配合关系的轴承座用于装配；装配完成后，沿主轴系统的轴向，在轴承座的端面加工四个定位销通孔8，通孔贯穿轴承座并进入主轴外壳中；然后，将轴承座拆离，对其后端的短销结构做车削处理，以减小短销外径，确保再次装配时与主轴外壳间存在足够的间隙；再然后，对轴承座作进一步磨削处理，形成最终的轴承座22，以满足力传感器的安装条件，并加工出轴承座外套21，其与轴承座22间依托螺栓进行紧固，对压电测力晶组7和主轴系统6起到一定的保护作用；二次装配时，利用定位销和定位销通孔8进行阶梯轴11的定心，四个压电测力晶组7置于轴承座22与主轴外壳13间的四个螺栓连接点，并通过螺栓进行连接使得四个晶组的中心点落在主轴轴线上，再通过调节晶组刻线，使得晶组的x1、y1和z1向测量坐标轴分别与主轴系统6的x、y和z向工具坐标轴相对应；装配完成后，去除定位销，此时轴承座外套21与主轴外壳13间存在一定的间隙，以保证轴承座22的受力只能通过压电测力晶组7所在的四个点位传递到主轴外壳13上。因此，压电测力晶组7直接测量得到的是轴承座22与主轴外壳13间的作用力，该力用以平衡角接触球轴承组20施加给轴承座22的作用力。以角接触球轴承组20作为受力分析对象，轴承座22施加在角接触球轴承组20上的作用力与阶梯轴11施加在角接触球轴承组20上的作用力时刻保持静力平衡。也就是说，压电测力晶组7可以间接反映出角接触球轴承组20对阶梯轴11的作用力，其与刀具切削力间存在有规律的数学关系。

三向振动传感器9的类型为压电加速度式，通过内部的质量块和压电晶体感知外界的振动变化，测量范围为±50g。其尺寸精小，质量轻巧，置于轴承座外套21与轴承座22间形成的凹槽中。为使其x2、y2和z2向测量坐标轴分别与主轴系统6的x、y和z向工具坐标轴相对应，将三向振动传感器9相交的三个垂直面分别与凹槽内相交的三个垂直面进行胶固，实现测量坐标系的全局统一。

如图5所示，由于力传感器结构自身重力的影响，传感器在没有外力作用时就会记录到一定大小的测量值，这被称作力传感器的相对零位。对于主轴系统6中的力传感器，其相对零位取决于阶梯轴11、筒夹24、ER锁紧螺母25和刀具26的总重力

在不同的机器人位姿下，总重力/>

作用在主轴系统6中力传感器上的各向重力分量/>

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是完全不同的，它们同主轴系统6的工具坐标系与机器人的基座标系间的位置关系息息相关，可以按下式进行计算：

其中，γ、θ和α分别为对应位姿下主轴系统6的工具坐标系的x、y和z坐标轴与机器人基坐标系的z0坐标轴间的夹角。据此，不同机器人位姿下的主轴系统6中力传感器的相对零位值

和/>

可以按下式计算：/>

其中，δ₁为总重力

作用点与深沟球轴承14受力作用点间的轴向距离，δ₂为角接触球轴承组受力作用点与深沟球轴承14受力作用点间的轴向距离。在面向不同加工需求时，需要更换筒夹、ER锁紧螺母和刀具，这导致/>

δ₁和δ₂均是未知物理量。为此，在测量开始前，将机器人预置三个位姿，记录对应位姿下主轴系统6的工具坐标系与机器人基坐标系间的位置关系以及力传感器的相对零位记录值，即可求解出未知量。将其输入软件平台，即可获得任意位姿下的力传感器的相对零位数值，并对其作归零处理。

如图6所示，当刀具26前端产生切削力

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时，切削力作用点o、角接触球轴承组20受力作用点o′与深沟球轴承14受力作用点o″始终三者共线且与主轴系统6轴线保持平行。以深沟球轴承14受力作用点o″作为支点，切削力/>

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与角接触球轴承组施加于阶梯轴11上的作用力/>

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间存在如下的数学关系，以使主轴系统保持静力平衡：

其中，L为切削力作用点o与深沟球轴承14受力作用点o″的轴向距离，L₁为角接触球轴承组20受力作用点o′与深沟球轴承14受力作用点o″间的轴向距离。切削力作用点o与主轴轴线间在x和y向分别存在一定的偏移量a_x和a_y，使得切削力会对主轴轴线产生作用力矩

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相应地，角接触球轴承组20施加于阶梯轴11上的作用力/>

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也会对主轴轴线产生作用力矩/>

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各力矩可按下式进行计算：

因此，力矩

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与力矩/>

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间存在有规律的数学关系：

如图7所示，四个压电测力晶组7分置于轴承座22与主轴外壳13间的四个螺栓连接点，并作防潮处理，四点支撑布局完成对三向力和三向力矩的测量。每个压电测力晶组由2组Y0°切型晶片和1组X0°切型晶片构成，Y0°切型晶片通过调整极化方向用于对x和y向作用力的测量，X0°切型晶片用于对z向作用力的测量。三向力和三向力矩的测量原理如下：以四个测力点的三向监测值的合力分别作为

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的测量值，再以“力×力臂”的方式解算三向力矩。具体的计算方式如下：

其中，b_x和b_y分别表示压电测力晶组7与四个晶组中心点间在x和y向上的距离值，k_x、k_y和k_z为x、y和z向力矩的标定系数。

如图8所示，由压电测力晶组7得到的力信号经准静态电荷放大器进行放大处理，而三向振动传感器9属于IEPE型传感器，其内部自带灵敏度极高的放大器。动态数据分析仪对放大后的信号进行采集，通过A/D转换将模拟信号处理转换为抗干扰能力更强的数字信号，并以WIFI的形式无线传输至PC端。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，包括主轴系统，阻尼合金板，控制装置，动态信号采集装置，末端执行机构；所述主轴系统、所述阻尼合金板和所述末端执行机构依次连接；所述控制装置用于控制所述末端执行机构，还用于控制所述主轴系统的启停、转速以及切削过程物理信号监测；所述物理信号传输给动态信号采集装置进行放大、解调与采集后，反馈给所述控制装置；所述主轴系统包括压电测力晶组，所述压电测力晶组置于轴承座与主轴外壳间的连接点，所述轴承座设置于所述主轴外壳开口一侧；切削刀具轴线与所述压电测力晶组重合。

2.根据权利要求1所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，所述主轴系统包括阶梯轴，所述阶梯轴分别与角接触球轴承组、深沟球轴承配合，所述角接触球轴承组和所述深沟球轴承用于支撑阶梯轴。

3.根据权利要求2所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，所述角接触球轴承组中包括两个角接触球轴承，两个角接触球轴承以背对背方式进行安装。

4.根据权利要求3所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，轴承内配合挡圈和轴承外配合挡圈分别用于固定所述角接触球轴承的内圈和外圈。

5.根据权利要求1所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，所述主轴系统包括轴承座和主轴外壳，将定位销置入所述轴承座和所述主轴外壳上设置的定位销通孔中。

6.根据权利要求1所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统，其特征在于，所述主轴系统包括三向振动传感器，所述三向振动传感器置于轴承座外套与轴承座间形成的凹槽中，将所述三向振动传感器相交的三个垂直面分别与凹槽内相交的三个垂直面进行胶固。

7.一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取切削力信号以及切削振动信号；

通过对主轴系统二次装配，得到切削力信号、切削振动信号与刀具切削力之间的数学模型。

8.根据权利要求7所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统实现方法，其特征在于，所述二次装配具体为：

将与主轴外壳存在紧配合关系的轴承座用于装配；

装配完成后，沿主轴系统的轴向，在轴承座的端面加工四个定位销通孔，通孔贯穿轴承座并进入主轴外壳中；

将轴承座拆离，对所述轴承座后端的短销结构做车削处理；

对轴承座作进一步磨削处理，形成最终的轴承座；

利用定位销和定位销通孔进行阶梯轴的定心；

装配完成后，去除定位销。

9.根据权利要求7所述的一种具有切削力和振动监测功能的机器人主轴系统实现方法，其特征在于，还包括对所述切削力信号、所述切削振动信号放大并数字化。

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