CN101982749B - 测量刀架分度运动动态特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种测量刀架分度运动动态特性的方法和装置属于刀架分度运动动态特性测量领域，特别涉及一种以编码器为传感元件的刀架分度运动动态特性测量方法和装置。该方法中采用的装置有编码器、通用PC计数卡和工控机等，由编码器获取刀架换刀过程中刀盘每一时刻的角速度值，并将角速度值转化为电信号，由计数卡发送到工控机，工控机通过测量软件将这些数据绘制成刀盘的角速度变化曲线，通过分析这些曲线可以判定该刀架分度运动中的颤动、扭动、加减速过程以及每一个分度循环的不一致性。并且用两条曲线界定了刀架的合格范围。该测量方法和装置测量范围大，使用寿命长，且该装置的响应速度快，结构简单，牢固可靠。

Description

测量刀架分度运动动态特性的方法和装置

技术领域

本发明属于刀架分度运动动态特性测量领域，特别涉及一种以编码器为传感元件的刀架分度运动动态特性测量方法和装置。

背景技术

近年来，随着装备制造业整体技术水平不断提高，对数控车床及车铣复合加工中心的关键功能部件——刀架的性能要求也越来越高。高速性是刀架未来发展的主要方向，但高速化的同时其定位精度、振动和扭动等性能指标也会受到不同程度地影响，这些性能参数直接关系到刀架的产品质量。目前，刀架分度运动动态特性测试方法的缺失及不完善严重制约了数控车床及车铣复合加工中心行业的发展，因此分析和研究刀架综合测试技术是十分必要的。

在实际加工过程中，刀架的分度运动动态特性对整个加工过程都有很大的影响。较高的换刀速度可有效减少换刀时间，进而提高加工效率；换刀结束时的刀盘定位精度直接影响加工工件的尺寸精度及位置精度，如果定位不精确，不仅增加废品率，还需要花额外的时间进行位置调整，增加了换刀的时间，进而影响加工效率；每个刀盘上安装有多把刀具，这些刀具的重量一般是不相同的，因此，在高速运转的情况下就有可能产生偏心力矩，进而导致刀架在运转过程中发生振动，严重时甚至导致刀架无法正常工作。换刀过程中由于多种因素的影响刀盘会发生颤动；换刀结束时由于定位不精确，刀盘可能没到达或超过了理想的位置，导致刀盘在锁紧的时候发生向前或者向后窜动，也就是所谓的扭动；颤动和扭动都会严重影响刀盘的寿命以及刀架换刀的重复精度，因此换刀过程加减速的平稳性也是一个很重要的运动特性。综上所述，刀架分度运动动态特性主要包括：换刀速度、换刀定位精度、平稳的换刀过程(颤动、扭动)等。目前，数控机床上常用的刀架定位机构是两片式齿盘和三片式齿盘结构，其中，两片式齿盘机构在换刀的时候，由刀架内部的驱动装置驱动，刀架上的齿盘机构的动作为松开、脱齿，然后刀盘进行轴向运动，这种换刀时的轴向运动也就是工程中所谓的抬刀。和两片式齿盘***不同，三片式齿盘在换刀的时候没有轴向的运动。

邓乐等人在《液压仿形刀架动态特性分析》中通过理论分析的手段对液压仿形刀架进行了稳定性分析，利用同样的分析方法进行了伺服阀输入位移和负载力扰动的特性分析；汪世益等人在《活塞车床仿形刀架动态特性研究》中对凸变椭圆活塞型面加工仿形刀架动态特性记行了研究，找到了工作频率与刀架固有频率之间的关系，以及仿形***频率特性与工作频率、动态误差之间的关系。但上述该领域技术文献均没有涉及刀架分度运动动态特性的测量。

精确的检测手段及完善的试验平台是进一步研究产品性能和保证产品质量的前提，而目前，国内外刀架的实验只能进行换刀速度、定位精度等的检测，上述检测指标对刀架整体动态特性的影响仅仅通过经验主观判定。尚未有能在刀架工作过程中动态检测刀架分度运动动态特性的测量装置的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有测量刀架分度运动动态特性技术不足的问题，设计一种以编码器7为传感元件，计数卡14接收编码器转化后的数据，并将数据发送到工控机15。工控机15将编码器测得的数据绘制成曲线图，对曲线图进行分析即可得出刀架分度运动动态特性的检测装置，解决刀架分度运动动态特性难以测量的难题。

本发明采用的技术方案是：采用编码器7、通用PC计数卡14和工控机15测量，由编码器7获取刀架换刀过程中刀盘每一时刻的角速度值，并将角速度值转化为电信号，由计数卡14发送到工控机15，工控机15通过测量软件将这些数据绘制成刀盘的角速度变化曲线，工控机15依据这些信号计算出刀盘在工作过程中每一时刻的角速度，通过分析角速度变化得出刀盘的颤动及扭动情况。而刀架的分度精度可以直观地从编码器7测得的角位移变化量中得到；

方法的具体步骤如下：

(1)测量装置在实验平台的安装

先将带有驱动装置、变速装置的刀架箱体11安装到实验平台上，在刀盘10上装上转轴9，再将编码器7的内圈装在转轴9上，把磁力表座1装在刀架箱体11上，将竖杆13装在磁力表座1上，横杆12夹持在竖杆13上，在磁力表座1的横杆12上装上L形支架板5，把装好的编码器7的外圈和L形支架板5用螺钉6通过弓形弹簧片8固定在一起，使编码器7的外圈不能随刀盘10转动，调节磁力表座1的横杆12在竖杆13上的高度以及和刀盘10表面的夹角，使之与刀盘10表面垂直，把计数卡14和编码器7相连，最后把工控机15和计数卡14连接起来，把打印机16连接在工控机15上。

(2)测试软件的设定

设定测试软件的分辨率，分辨率是指计数卡读取两个数据之间间隔的时间，间隔的时间短，测量精度就高，间隔时间长，精度就低。

(3)测量

首先定义刀架合格范围，用两条曲线来界定，一条曲线表示换刀时所允许达到的最高速度，另一条曲线表示换刀时允许的最低速度，这两条曲线之间的区域就是合格区，当速度曲线为修正正弦曲线时，刀架分度运动的各项动态特性处于最佳的状态。

这种测量刀架分度运动动态特性的方法，其所采用装置的特征是，刀盘10装在刀架箱体11的中心轴上，转轴9装在被测刀盘10的中心孔上，把编码器7的内圈装在转轴9上，编码器7的外圈用两个螺钉6通过弓形弹簧片8固定在L形支架板5上，L形支架板5的横截面形状为槽形，在L形支架板5的上平面上有两个小孔3，在两个小孔3中分别装有小轴2，在两个小轴2上分别安装有轴承4；磁力表座1安装在刀架箱体11上端，将磁力表座1的横杆12夹在L形支架板5上平面的两个轴承4中，通过限制L形支架板5的转动来限制限制编码器7外圈的转动，将编码器7和计数卡14相连，计数卡14连接到工控机15上。

本发明的显著效果是以编码器7为传感元件，编码器7将测得的角位移转化为电信号，计数卡14把编码器7转换后的电信号发送给工控机15，工控机15将这些电信号通过测试软件绘制成曲线图，由打印机16打印出时间与刀盘转动角速度之间的关系曲线，通过分析这些曲线可以判定该刀架分度运动中的颤动、扭动、加减速过程以及每一个分度循环的不一致性。编码器具有测量范围大，使用寿命长等特点，且该装置的响应速度快，结构简单，牢固可靠。

附图说明

图1-测量***示意图，图2为图1中I的局部放大图，图3为图1中J的局部放大图，图4为测量装置装配图的轴测图。其中：1-磁力表座，2-小轴，3-小孔，4-轴承，5-L形支架板，6-螺钉，7-编码器，8-弓形弹簧片，9-转轴，10-刀盘，11-刀架箱体，12-横杆，13-竖杆，14计数卡，15-工控机，16-打印机，A-轴向移动方向，B-正、反向回转。

图5为刀架换一个刀位的实验结果，其中，横坐标t-时间，纵坐标ω-刀盘在每一时刻的转动角速度，a-允许的角速度速度波动最大范围，b-允许的角速度速度波动最小范围，c1-换第一个刀位实际测得的刀架分度运动动态特性曲线，c2-换第二个刀位实际测得的刀架分度运动动态特性曲线。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：本实施例中角度编码器选用德国HEIDENHAIN RON785无内置轴承编码器，配合成套的IK220通用PC计数卡，可实现高的测试精度。编码器的尺寸为Ф48×27mm，刀盘选用型号为大连高金数控集团的DTS-63.刀盘主要尺寸为：Ф312×51mm，共有8个刀位，可安装8把刀具。采用的工控机为研华工控机IPC-610CPU2.4G，内存512M，硬盘80G 17’液晶(4∶3)2×RS232，2×USB，1×EPP，1×RJ45。

刀架分度运动动态特性测量装置以编码器7为传感元件，采集刀盘的角位移变化量，将角位移变化量转化为电信号输出。该测量装置依据的基本原理是：编码器7将测得的角位移变化量转化为电信号，计数卡14接收这些电信号，并发送给工控机15，工控机15依据这些信号计算出刀盘在工作过程中每一时刻的角速度，通过分析角速度变化得出刀架的颤动及扭动情况。而刀架的分度精度可以直观地从编码器测得的角位移变化量中得到。测试步骤如下：

(1)测试装置的安装

可以采用两种类型的刀架箱体：一种是装有液压马达、变速装置、液压油缸的刀架箱体，另一种是装有伺服电机、变速装置的刀架箱体。

测量平台的安装过程：本实施例采用的是装有液压马达、变速装置、液压油缸的刀架箱体11安装到测量平台上，被测刀盘10装在刀架箱体11的中心轴上，转轴9装在被测刀盘10的中心孔中，把编码器7的内圈装在转轴9上，编码器7的外圈用两个螺钉6通过弓形弹簧片8固定在L形支架板5上，L形支架板5的横截面形状为槽形，在L形支架板5的上平面上有两个小孔3，在两个小孔3中分别装有小轴2，在两个小轴2上分别安装有轴承4，这两个轴承能使L形支架板5以及编码器7在刀盘的轴向灵活的运动，磁力表座1安装在刀架箱体11上端，将磁力表座1的横杆12夹在L形支架板5上平面的两个轴承4中，通过限制L形支架板5的转动来限制编码器7的外圈转动，调节磁力表座1的横杆12在竖杆13上的高度以及和刀盘10表面的夹角，使之与刀盘10表面垂直，把计数卡14和编码器7相连，最后把工控机15和计数卡14连接起来，把打印机16连接在工控机15上。

(2)测量软件的设定

由于该测试方法可以对各种型号的刀架进行测量，不同的刀架其所需的精度是不一样的，因此在对某一型号的刀架测试前，先要设定测试软件的测量分辨率，分辨率是指计数卡读取两个数据之间间隔的时间，间隔的时间短，测量精度就高，间隔时间长，精度就低，这样可以根据不同的情况设定不同的分辨率；本次测量所选取的是液压驱动的刀架***，液压驱动的刀架***各种精度都比较高，因此在进行数据采集时的分辨率高，本测量采用的分辨率为1ms。

(3)测量及结果的评定

正常工作的时候，为了防止刀盘带动刀具旋转，刀盘是通过两片式齿盘机构锁紧在刀架上的。本实施例采用的两片式齿盘机构安装在刀架箱体11内，两片式齿盘机构在换刀的时候，由刀架内部的驱动装置驱动，齿盘机构松开、脱齿，打开锁紧状态进行换刀，刀盘10才能进行轴向移动方向A的移动。由于刀盘10的轴向移动，使安装在刀盘10上的编码器7以及L形支架板5也做轴向移动。为了使轴向移动灵敏，L形支架板5和磁力表座1的横杆12的连接必须是可动的，L形支架板5通过上平面的两个小轴承4与磁力表座1的横杆12连接，这两个轴承能使支架板5以及编码器7在刀盘10的轴向灵活的运动，同时带动编码器7的外圈移动。

图4为测量装置的轴测图，测量时，把测量装置的磁力表座1装在刀架箱体11上；刀盘10由刀架箱体内的驱动装置带动进行正、反向回转B。编码器7的内圈通过转轴9带动旋转，而编码器7的外圈则通过弓形弹簧片8固定在L形支架板5上不动，在L形支架板5上开孔，以减轻L形支架板5的重量。L形支架板5的横截面形状为槽形，这样能提高支架板的刚度。内、外圈之间的相对运动就是刀盘的角位移量，编码器7将角位移量转化为电信号，由计数卡14接收编码器7转化出来的电信号，并发送给工控机15，通过工控机15分析，打印机16打印出时间和刀盘转动角速度的关系曲线，先测量刀盘10上的第一刀位，编码器(7)把测得的数据通过计数卡(14)发送到工控机(15)，工控机(15)绘制出时间与刀盘转动角速度之间的关系曲线，由打印机(16)打印出来；然后进行换刀，再测量第二刀位，把测得的数据通过计数卡(14)发送到工控机(15)，工控机(15)绘制出时间与刀盘转动角速度之间的关系曲线，由打印机(16)打印出来，如图5所示。在实际测量中，刀架换刀时，由于各种加工误差以及装配误差会导致刀架的颤动以及刀盘的扭动，使换刀过程速度不均匀。一台刀架是否合格，就要看它的在每一时刻的速度是否超出了允许的范围。本发明中标定刀架合格范围是一个有两条曲线界定的一个区域，这两条a、b曲线中，a曲线表示换刀时所允许达到的最高的速度，b曲线表示允许的最低换刀速度。这两条曲线之间的区域就是产品的合格区。换刀速度低会严重影响工作效率；速度太高，惯性就大，刀架在换刀过程中的震动、颤动等就会更剧烈，而且最高速度要受到驱动电机驱动能力的限制。综合多次实验结果，加上工人师傅的工作经验，发现当速度曲线为修正正弦曲线时刀架分度运动的各项动态特性处于最佳的状态。

(4)分析实验结果

本实施例中用的刀盘上共有8把刀具，每换一把刀，刀盘要旋转45°，图5记录了连续两次换刀过程中刀架分度运动动态特性的曲线。c1曲线是第一个刀位换刀时实际测得的刀架分度运动动态特性曲线，c2曲线是第二个刀位换刀时实际测得的刀架分度运动动态特性曲线。第一次换刀用时0.3秒，第二次换刀有时0.4秒，中间有0.1秒的停顿。两次换刀时间不一致，主要原因是由于刀具重量不一，产生偏重使换刀速度受到影响的结果，当刀盘带动刀具往下运动的时候速度会稍微的快些，加工以及装配误差也是导致换到时间不一致的原因。从整个图来看，整条曲线很接近修正正弦曲线，但是曲线右边下降速度比左边块，刀盘的角速度下降快，这是因为驱动装置的升速时间比制动装置的制动时间要长。曲线图中，在一开始刀盘还没有旋转的时候，前端有一个小的因为震动产生的波动，这点波动是因为刀盘在换刀之前刀盘先要从锁紧状态脱开，然后才能进行后面的动作，刀盘在脱开的时候会有轻微的震动。在曲线的最顶端，刀盘旋转速度最快，这个时候曲线的波动最为剧烈。换刀结束后，由于定位误差，刀盘或者超过了要求的位置，或者没有到要求的位置，在锁紧的时候就会向后或者向前猛的窜动，刀盘在锁紧时的扭动反映在曲线图上就是曲线c1、c2的最后部分。

本发明所述的刀盘分度运动动态特性测量装置具有结构简单，灵敏度高，结果直观，测量准确等特点，具有实际应用价值。

Claims (2)

1.一种测量刀架分度运动动态特性的方法，其特征是，方法中采用编码器(7)、通用PC计数卡(14)和工控机(15)测量，由编码器(7)获取刀架换刀过程中每一时刻的角速度值，并将角速度值转化为电信号，由计数卡(14)发送到工控机(15)，工控机(15)通过测量软件将这些数据绘制成刀盘的角速度变化曲线，工控机(15)依据这些信号计算出刀盘在工作过程中每一时刻的角速度，通过分析角速度变化得出刀架的颤动及扭动情况；而刀架的分度精度可以直观地从编码器测得的角位移变化量中得到；方法的具体步骤如下：

(1)在测量平台上安装测量装置

先将带有驱动装置、变速装置的刀架箱体(11)安装到测量平台上，把磁力表座(1)装在刀架箱体上；在刀盘(10)上装上转轴(9)，再将编码器(7)的内圈装在转轴(9)上，在磁力表座(1)的横杆上装上L形支架板(5)，把装好的编码器(7)的外圈和L形支架板(5)用螺钉(6)通过弓形弹簧片(8)固定在一起，使编码器7的外圈不能随刀盘(10)转动，调节磁力表座(1)横杆(12)的高度以及和刀盘(10)表面的夹角，使之与刀盘(10)表面垂直，把计数卡(14)和编码器(7)相连，最后把工控机(15)和计数卡(14)连接起来，把打印机(16)连接在工控机上(15)；

(2)设定测试软件的分辨率，分辨率是指计数卡读取两个数据之间间隔的时间，间隔的时间短，测量精度就高，间隔时间长，精度就低；

(3)测量

先定义刀架合格范围，用两条曲线来界定，一条曲线(a)表示换刀时所允许达到的最高的速度，另一条曲线(b)表示允许的最低换刀速度，这两条曲线之间的区域就是产品的合格区，当速度曲线为修正正弦曲线时，刀架分度运动的各项动态特性处于最佳的状态；先测量刀盘10上的第一刀位，编码器(7)把测得的数据通过计数卡(14)发送到工控机(15)，工控机(15)绘制出时间与刀盘转动角速度之间的关系曲线，由打印机(16)打印出来；然后进行换刀，再测量第二刀位，把测得的数据通过计数卡(14)发送到工控机(15)，工控机(15)绘制出时间与刀盘转动角速度之间的关系曲线，由打印机(16)打印出来；刀盘10进行轴向移动方向A的移动才能进行换刀，在换刀前刀盘是通过定位机构锁紧在刀架上的，刀盘定位机构是采用装在刀架箱体内的两片式齿盘机构；两片式齿盘机构在换刀的时候，由刀架内部的驱动装置驱动，两片式齿盘机构松开、脱齿，打开锁紧状态进行换刀。

2.如权利要求1所述的一种测量刀架分度运动动态特性方法所采用的装置，其特征是，采用带有驱动装置、变速装置的刀架箱体，刀架箱体有两种类型：一种是装有液压马达、变速装置、液压油缸的刀架箱体，另一种是装有伺服电机、变速装置的刀架箱体；刀盘定位机构是采用装在刀架箱体内的两片式齿盘结构，刀盘是通过两片式齿盘机构锁紧在刀架上的；被测的刀盘(10)装在带有驱动装置、变速装置的刀架箱体(11)的中心轴上，在刀盘(10)上装上编码器(7)的内圈，转轴9装在刀盘10的中心孔上，编码器(7)的内圈装在转轴(9)上，编码器(7)的外圈用两个螺钉(6)通过弓形弹簧片(8)固定在L形支架板(5)上，L形支架板(5)的横截面形状为槽形，在L形支架板(5)的上平面上有两个小孔(3)，在两个小孔(3)中分别装有小轴(2)，在两个小轴(2)上分别安装有轴承(4)；磁力表座(1)安装在刀架箱体(11)上端，竖杆(13)装在磁力表座(1)上，横杆(12)夹持在竖杆(13)上，L形支架板(5)通过上平面的轴承(4)夹持在磁力表座1的横杆(12)上，限制编码器(7)外圈的转动，编码器(7)和计数卡(14)相连，计数卡(14)与工控机(15)连接，打印机(16)连接在工控机(15)上。

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