張躍明，黃文杰，牟宏明，楊 宇

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

基于加權(quán)數(shù)據(jù)融合的刀庫(kù)及ATC系統(tǒng)可靠性評(píng)測(cè)研究*

張躍明1，黃文杰1，牟宏明2，楊 宇2

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

刀庫(kù)及ATC（自動(dòng)換刀裝置）的可靠性優(yōu)劣存在多種制約因素，為真實(shí)描述其可靠性狀態(tài)，開(kāi)發(fā)了刀庫(kù)及ATC可靠性檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對(duì)刀庫(kù)的換刀精度、換刀時(shí)間、油壓、油溫、電機(jī)溫度、故障等運(yùn)行信息進(jìn)行智能檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集。綜合考慮刀庫(kù)的功能性和可靠性，并依據(jù)使用者和研究者的意見(jiàn)，確定了各制約因素的比重，進(jìn)而構(gòu)造系統(tǒng)可靠性評(píng)測(cè)模型。編寫(xiě)了基于MFC的評(píng)測(cè)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評(píng)價(jià)，最終給使用者或研究者一個(gè)直觀的刀庫(kù)可靠性評(píng)分。該方法易于理解，彌補(bǔ)了刀庫(kù)及ATC可靠性評(píng)測(cè)的不足。

數(shù)據(jù)融合；ATC系統(tǒng)；可靠性

0 引言

加工中心一個(gè)很關(guān)鍵技術(shù)就是自動(dòng)換刀系統(tǒng)裝置，自動(dòng)換刀系統(tǒng)裝置的可靠性關(guān)系著加工質(zhì)量的優(yōu)劣，本文提出一種加權(quán)數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)影響刀庫(kù)可靠性各項(xiàng)制約因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與融合，制定評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，獲得刀庫(kù)及ATC可靠性狀態(tài)的一致估計(jì)，給使用者或者研究者一個(gè)直觀的刀庫(kù)可靠性評(píng)分。對(duì)刀庫(kù)可靠性研究國(guó)外通過(guò)采集數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)的可靠性信息入手，創(chuàng)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)故障分析和可靠性評(píng)價(jià)軟件。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于刀庫(kù)及ATC系統(tǒng)可靠性分析，大多采用傳統(tǒng)的分析方法，即將ATC系統(tǒng)狀態(tài)分為“正?！焙汀笆А边M(jìn)行二態(tài)分析，這種方法操作簡(jiǎn)單，但忽略了系統(tǒng)的多態(tài)性，使得分析結(jié)果片面或不準(zhǔn)確。因此，對(duì)于刀庫(kù)及ATC可靠性研究需要對(duì)其各項(xiàng)制約因素分別進(jìn)行分析研究，建立一個(gè)相對(duì)完善的可靠性模型，對(duì)各制約因素進(jìn)行檢測(cè)記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，從而提高評(píng)測(cè)分析的準(zhǔn)確性。

通過(guò)在自動(dòng)換刀裝置上硬件檢測(cè)平臺(tái)，安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)，編寫(xiě)軟件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)融合過(guò)程包括數(shù)據(jù)的檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與合并，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量。針對(duì)已記錄的各類數(shù)據(jù)，制定評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則，盡可能為刀庫(kù)可靠性研究提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 刀庫(kù)可靠性制約因素分析

對(duì)于項(xiàng)目的具體研究對(duì)象，即BT50-80LSY鏈?zhǔn)降稁?kù)試驗(yàn)機(jī)，統(tǒng)計(jì)得出，刀庫(kù)及其ATC的可靠性差的主要表現(xiàn)是；機(jī)械手換刀過(guò)程中發(fā)生掉刀、撞刀或插刀不到位，控制系統(tǒng)的功能故障，個(gè)別油路壓力不穩(wěn)定，電機(jī)溫度過(guò)高，另外，刀庫(kù)及ATC內(nèi)部零部件的磨損、松動(dòng)、疲勞等會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，或者引發(fā)其他故障。

綜合考慮刀庫(kù)系統(tǒng)可靠性方面存在的主要問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)及記錄內(nèi)容，并依據(jù)使用者和研究者的意見(jiàn)，確定了刀庫(kù)及ATC可靠性的具體評(píng)測(cè)項(xiàng)目以及各評(píng)測(cè)項(xiàng)目的權(quán)重。其中換刀精度占據(jù)25%、換刀時(shí)間20%、電機(jī)溫升10%、油壓波動(dòng)15%、其他部件可靠性35%。如圖1所示。

圖1 刀庫(kù)可靠性的制約因素餅圖

其中，對(duì)于影響刀庫(kù)系統(tǒng)可靠性的其他功能部件，包括數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、功能零部件等，進(jìn)行人工可靠性記錄，統(tǒng)一劃歸此項(xiàng)。

2 各傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)

對(duì)刀庫(kù)及ATC各項(xiàng)性能的檢測(cè)，需要布置不同類型的傳感器（見(jiàn)表1），宜采用多層次、多目標(biāo)分類評(píng)價(jià)模型。由于傳感器類型不一致，需要針對(duì)各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的處理分析，得到子項(xiàng)的評(píng)測(cè)結(jié)果之后，采用加權(quán)算法計(jì)算父項(xiàng)的結(jié)果，依次遞推，求出最終評(píng)測(cè)分值。如圖2所示。

表1 刀庫(kù)可靠性檢測(cè)使用的部分傳感器

圖2 刀庫(kù)可靠性的評(píng)分模型

設(shè)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分類處理，提取出各類特征數(shù)據(jù)，建立子項(xiàng)數(shù)據(jù)矩陣為根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)的各自指標(biāo)，確定子項(xiàng)評(píng)價(jià)權(quán)重矩陣W=其中，另外，子項(xiàng)相對(duì)于系統(tǒng)的權(quán)重向量為P=（pi1）v×1，亦有，則理論評(píng)分為s=A·W·P。

2.1 特征數(shù)據(jù)的提取

依據(jù)搭建在刀庫(kù)系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行刀庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的長(zhǎng)期記錄，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分為以下幾類數(shù)據(jù)子項(xiàng)；精度數(shù)據(jù)，時(shí)間數(shù)據(jù)，油壓數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)，以及其他未測(cè)部件的故障記錄。

經(jīng)分析，各數(shù)據(jù)子項(xiàng)具有不同的數(shù)據(jù)特征。以某日刀庫(kù)運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)為例，各類數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出以下?tīng)顟B(tài)；

（1）換刀精度方面，在刀庫(kù)換刀位置和主軸插刀位置，刀柄的軸心位置點(diǎn)基本滿足正態(tài)分布。如圖3a所示，刀柄軸心位置相對(duì)集中。

（2）油缸油溫、電機(jī)溫度隨著換刀次數(shù)增多，呈現(xiàn)出指數(shù)遞增規(guī)律。如圖3b所示，換刀次數(shù)越多，電機(jī)溫度和油缸溫度也越來(lái)越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度遞增速度減慢，趨于平穩(wěn)。

（3）油壓峰均比波動(dòng)隨著換刀次數(shù)的增多較為緩和，其中機(jī)械手旋轉(zhuǎn)壓波動(dòng)較劇烈，如圖3c所示。

（4）換刀時(shí)間方面，無(wú)論ATC刀對(duì)刀換刀時(shí)間，還是刀庫(kù)位對(duì)位換刀時(shí)間，都依指數(shù)規(guī)律逐漸變短。換刀時(shí)間初期變化大，表示換刀過(guò)程時(shí)間不穩(wěn)定。中后期時(shí)間遞減速率趨于平緩。如圖3d所示。

將不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取、獨(dú)立分析，得到分布規(guī)律之后，可以進(jìn)一步確定針對(duì)性的評(píng)測(cè)方法以及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)評(píng)測(cè)的科學(xué)性和可靠性。

圖3 刀庫(kù)系統(tǒng)其他功能部件的特征數(shù)據(jù)

2.2 評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確立

2.2.1 精度評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于刀庫(kù)刀柄的位置精度，其位置中心的分布滿足正態(tài)分布，設(shè)位置坐標(biāo)隨機(jī)變量x的密度函數(shù)為；

其中μ、σ＞0為常數(shù)，則稱隨機(jī)變量X服從參數(shù)為μ、σ的正態(tài)分布，記為X～N（μ，σ2）。

為評(píng)價(jià)正態(tài)分布的分散程度，一般采用最大似然估計(jì)或大數(shù)定律進(jìn)行估計(jì)，針對(duì)刀柄位置精度的評(píng)價(jià)，本文使用大數(shù)定律進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)于某刀號(hào)的其中一個(gè)位置的位移數(shù)據(jù)，先確定某個(gè)ε區(qū)域，由大數(shù)定律估計(jì)得出其概率a［i］，繼續(xù)細(xì)分，進(jìn)行不同領(lǐng)域的概率估算。求解估算的期望作為評(píng)測(cè)結(jié)果。

2.2.2 換刀時(shí)間及溫度、壓力評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于換刀時(shí)間、油溫、油壓、電機(jī)溫度等的波動(dòng)變化，都可以采用最小二乘法等數(shù)學(xué)方法來(lái)擬合各評(píng)測(cè)項(xiàng)與換刀次數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，所以可以借用表征曲線增長(zhǎng)（或降低）的相關(guān)參數(shù)，以0和1作為比率標(biāo)準(zhǔn)，給出變化率，進(jìn)而得到評(píng)測(cè)結(jié)果。

2.2.3 其他部件可用度評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的其他功能部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的可用度計(jì)算，即；

（1）讀出數(shù)據(jù)庫(kù)中最近一年的故障數(shù)據(jù)；

（2）計(jì)算相鄰的故障時(shí)間間隔并求出平均故障間隔MTBF；

（3）求出平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR；

（4）求解可用度；

（5）以0和1作為比率標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)可用度得到評(píng)測(cè)分值。

2.3 評(píng)測(cè)項(xiàng)目權(quán)重分配

刀庫(kù)可靠性的評(píng)測(cè)項(xiàng)目及權(quán)重分配見(jiàn)表2。

評(píng)測(cè)項(xiàng)目的確定是基于對(duì)刀庫(kù)及ATC裝置的實(shí)際功能性、效率性和可靠性的綜合研究而確立的，綜合考慮了以下因素；

（1）自動(dòng)換刀裝置的功能實(shí)現(xiàn)，即是否能準(zhǔn)確地將刀具從刀庫(kù)換刀位置拔下，并準(zhǔn)確地將刀具插到主軸上；

（2）自動(dòng)換刀裝置的工作效率，即主軸端刀對(duì)刀換刀效率和刀庫(kù)端位對(duì)位換刀效率；

（3）刀庫(kù)及ATC運(yùn)行的穩(wěn)定性，即故障的頻次及可用度的高低；

（4）刀庫(kù)輔助裝置的性能狀況，主要基于對(duì)眾環(huán)刀庫(kù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)的調(diào)研，將主要輔助部件包括油缸、鏈條電機(jī)的性能加入可靠性評(píng)測(cè)之中；

（5）另外，對(duì)于具體刀庫(kù)（眾環(huán)BT50-80LSY）的可靠性可能關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)測(cè)研究。

表2 刀庫(kù)可靠性的評(píng)測(cè)項(xiàng)目及權(quán)重分配

3 可靠性評(píng)測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)

為直觀顯示鏈?zhǔn)降稁?kù)及自動(dòng)換刀裝置（ATC）的可靠性評(píng)測(cè)結(jié)果，編寫(xiě)了基于MFC的評(píng)測(cè)軟件。軟件具有友好的視覺(jué)界面，通過(guò)檢索存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類數(shù)據(jù)，并依據(jù)以上方法進(jìn)行分析計(jì)算，可以對(duì)刀庫(kù)及ATC性能進(jìn)行一鍵評(píng)測(cè)，給使用者一個(gè)直觀的刀庫(kù)性能評(píng)分，見(jiàn)圖4。

圖4 刀庫(kù)可靠性評(píng)測(cè)軟件主界面

將評(píng)測(cè)詳單導(dǎo)成文本文件，以便以后對(duì)不同日期的可靠性狀況進(jìn)行比較。由評(píng)測(cè)詳單可以得知；

1）刀庫(kù)定位夾處刀柄位置精度較差，而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的主軸刀套處刀柄的位置精度較好；

2）ATC刀對(duì)刀平均換刀時(shí)間比刀庫(kù)位置對(duì)位置平均換刀時(shí)間更穩(wěn)定；

3）對(duì)于各油路油壓，可以得到各油缸油壓的波動(dòng)狀況，單次換刀過(guò)程中油壓波動(dòng)普遍較大，尤其是定位夾位置；每天工作的油壓均值波動(dòng)很??；

4）對(duì)于鏈傳動(dòng)電機(jī)和ATC電機(jī)，其溫升情況基本是每進(jìn)行一個(gè)換刀過(guò)程溫度升高1°，并最終趨于穩(wěn)定。

對(duì)比評(píng)測(cè)分值與評(píng)測(cè)詳單，可以獲取較為全面的刀庫(kù)及ATC可靠性信息，分析優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，進(jìn)而有針對(duì)性的研究和改進(jìn)。

4 總結(jié)

為盡量準(zhǔn)確地描述刀庫(kù)及ATC（自動(dòng)換刀裝置）的可靠性優(yōu)劣，開(kāi)發(fā)了刀庫(kù)及ATC可靠性評(píng)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對(duì)刀庫(kù)的各類運(yùn)行信息進(jìn)行了智能檢測(cè)和數(shù)據(jù)累積。并依據(jù)使用者和研究者的意見(jiàn)，確定了各制約因素的比重分配，進(jìn)而構(gòu)造系統(tǒng)可靠性評(píng)測(cè)模型。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析評(píng)價(jià)，最終給使用者或研究者一個(gè)直觀的刀庫(kù)可靠性評(píng)分。

但對(duì)于刀庫(kù)系統(tǒng)可靠性的研究，需要進(jìn)一步完善的是；

（1）對(duì)于可靠性評(píng)測(cè)，需要廣泛調(diào)研評(píng)價(jià)方法，收集專家意見(jiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化評(píng)測(cè)方案；

（2）延長(zhǎng)可靠性試驗(yàn)時(shí)間，深入研究可靠性增長(zhǎng)技術(shù)；

（3）對(duì)于評(píng)測(cè)軟件，需要增強(qiáng)其普適性，讓沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的刀庫(kù)也能進(jìn)行評(píng)價(jià)和記錄。

［1］董鋒，徐驥，汪地，等.加工中心盤(pán)式刀庫(kù)自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）；137-139.

［2］李加明，陶衛(wèi)軍，馮虎田.自動(dòng)換刀裝置發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（5）；174-160.

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（編輯 李秀敏）

The Research on Tool Change Precision of Knife Library and Automatic Tool Changer

ZHANG Yue-ming1，HUANGWen-jie1，MU Hong-ming2，YANG Yu2
（1.The College of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Huhhot Zhong Huan（Group）CO.，LTD.，Huhhot010051，China）

；There are many restricting factors about the reliability of knife library and ATC（automatic tool changer），to describe the status of reliability，testing system of knife library and ATC reliability is developed.The system can detect intelligently，and record the data of precision，tool change time，oil pressure，oil temperature，motor temperature，breakdown，etc.comprehensive Considering the functionality and reliability of the knife library，and according to the users and the researchers′opinion，the proportion of the various constraints is determined，and the reliability evaluation model was established.The evaluation software isw rote based on the MFC，data integration，analysis and evaluation is carried out，and a performance score of knife library is gave to the user or the researchers finally.This method is easy to understand and make up for the deficiency of the knife library and the manipulator reliability evaluation.

；data fusion；automatic tool change system；reliability

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）05-0152-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.043

2014-07-23；

2014-09-09

國(guó)家重大專項(xiàng)；刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置規(guī)模化制造關(guān)鍵技術(shù)與裝置的研發(fā)（2012ZX04002051）

張躍明（1956—），男，北京人，北京工業(yè)大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)锳TC的設(shè)計(jì)與檢測(cè)；通訊作者；黃文杰（1989—），男，福建漳州人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和檢測(cè)，（E-mail）540508094@qq.com。