提高回轉(zhuǎn)體定位精度的方法研究

摘

要：當前，我國生產(chǎn)設備在系統(tǒng)精確定位方面存在諸多不足，常常導致生產(chǎn)加工過程中元件尺寸偏差大、廢品率高、生產(chǎn)效率低等，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求?，F(xiàn)設計了一種回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，介紹其工作原理和控制方法，并以精確定位為切入點進行了深入分析和研究。另外，從設計、加工、裝配以及工藝等角度出發(fā)，著重闡述了提高回轉(zhuǎn)體定位精度的幾種方法，克服了以往的很多弊端，達到了精確定位的目的。關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)體；精確定位；裝配引言在我國制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，生產(chǎn)設備只有具備高定位精度和高可靠性，才能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品來滿足市場需求。以往回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在設計、加工、裝配、工藝、位置檢測等方面普遍存在一些不足，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動過程中常常因為定位精度影響到加工精度，繼而直接影響工件的加工質(zhì)量。同時，回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)效率也大大影響著工件的生產(chǎn)效率，對于一些定位精度要求高的場合很難達到生產(chǎn)要求。因此，需要研究一種行之有效的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的高定位精度和高可靠性。本文從工程實際出發(fā)，對比過去相關(guān)設備的不足，深入分析了影響定位精度的因素，并提出了相應的解決措施，很好地實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體精確定位的目的。1回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)組成及工作原理回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由機架、轉(zhuǎn)臺、三爪卡盤、連接軸、軸套、交流伺服電機、伺服驅(qū)動器、行星減速機、PLC、觸摸屏（HMI）、開關(guān)等組成。

將毛坯件放置在轉(zhuǎn)臺臺面上，系統(tǒng)自動驅(qū)動三爪卡盤夾緊工件，然后反饋信號給主控單元。接收到信號后，西門子PLC控制伺服電機帶動轉(zhuǎn)臺和工件轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度可以在觸摸屏上任意設置。回轉(zhuǎn)體與鏜床、鉆床、銑床和插床或者焊接機器人等外部設備結(jié)合，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，可以加工有角度要求的孔、槽和斜面，或者焊接工件等。加工時轉(zhuǎn)動工作臺，還可加工圓弧面和圓弧槽等。具體工作流程如圖1所示。2回轉(zhuǎn)體定位精度分析主軸回轉(zhuǎn)時，理論上其回轉(zhuǎn)軸線的空間位置應固定不變，但實際上主軸部件中軸承、軸頸、軸承座孔等的制造誤差和配合質(zhì)量，刀具系統(tǒng)和夾具的位置誤差，潤滑條件，伺服系統(tǒng)跟蹤誤差，位置檢測誤差，加工工藝的合理性，操作者的編程水平等都會直接影響到回轉(zhuǎn)體的定位精度，導致主軸實際回轉(zhuǎn)軸線對于其理想回轉(zhuǎn)軸線呈現(xiàn)周期性漂移，即主軸回轉(zhuǎn)誤差，常常表現(xiàn)為徑向圓跳動和軸向竄動。結(jié)合本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式，不難發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中工件的裝夾方式、電機質(zhì)量、機械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、控制電路的性能等都會影響到系統(tǒng)定位的準確性。3提高回轉(zhuǎn)體定位精度相關(guān)措施

3.1

夾具的設計

轉(zhuǎn)臺上夾具的設計直接影響到工件的位置精度。氣動夾具結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，而且對外部環(huán)境也沒有污染，但空氣具有可壓縮性，當載荷變化時，動作穩(wěn)定性差，影響定位精度。液壓夾具雖然平穩(wěn)、反應速度快，但工作性能易受溫度變化的影響，液壓油容易外泄污染環(huán)境，效率較低。設計中采用伺服電機和行星減速機帶動回轉(zhuǎn)體正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)三爪卡盤對工件的夾緊和放松，根據(jù)工件外形尺寸計算出伺服電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)來控制松緊程度。相比之下，機械夾具性能更穩(wěn)定。

3.2

旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臺的固定方式

為了保證同軸度，設計時，轉(zhuǎn)臺中心車出凸臺，連接軸加工出凹槽，回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)臺連接軸分別如圖2和圖3所示。通常普通機床加工精度較差，一般誤差會超過0.01mm，嚴重影響定位精度。加工過程中，要求轉(zhuǎn)臺和連接部件均在加工中心進行，加工精度可以達到0.002～0.005mm，重復精度較高，保證了定位的準確性。

連接軸與轉(zhuǎn)臺在對角采用螺釘安裝，由于運動副間存在間隙，所以另外兩個孔安裝定位銷，確保旋轉(zhuǎn)時無間隙，大大消除了回轉(zhuǎn)偏差。設計和裝配時，連接軸與伺服電機軸通過軸套對接，孔、軸配合間隙不能過大，鍵連接不能太松，加注銷釘，并用力擰緊。

3.3

伺服機構(gòu)的應用

設計時選用精度高、有制動且大慣量的全數(shù)字式交流伺服結(jié)構(gòu)取代分度器，達到經(jīng)濟適用的效果。帶制動的伺服電機保證了無論在旋轉(zhuǎn)中還是靜止中都有準確的定位自鎖，不需要其他鎖緊組件。在伺服系統(tǒng)選取過程中應注意慣量匹配及力矩匹配，增加機械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，縮短機械傳動部位的響應時間等。本文選用松下全數(shù)字式交流伺服電機和伺服驅(qū)動器，具體參數(shù)如表1和表2所示。由于齒輪與齒輪、鏈與鏈輪、渦輪與蝸桿、同步帶與帶輪之間嚙合難免存在間隙，客觀上會影響旋轉(zhuǎn)精度，為此設計時去除多余傳動副，采用電機與連接軸直連的方式，保證旋轉(zhuǎn)精度。

3.4

伺服電機尾部編碼器的使用

如圖4所示，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信息給PLC，通過程序內(nèi)部運算，與PLC通信的觸摸屏上可以實時顯示回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的位置。常規(guī)外部增量式編碼器通過聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)體輸出軸連接，回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)過程中，外部增量式編碼器電纜易拉斷。長時間工作后，會出現(xiàn)連接部位打滑及聯(lián)軸器本身斷裂等現(xiàn)象，這嚴重影響了系統(tǒng)的定位精度和可靠性。鑒于此，設計時應用伺服電機尾部編碼器取代常用的外部增量編碼器，形成閉環(huán)控制，這樣就克服了外部增量編碼器安裝難度大、連接部位滑動及損壞的弊端。3.5

控制方式的改進

選用西門子PLC作為主控制單元，HMI、斷路器、開關(guān)電源、繼電器等為輔助元件，除了對系統(tǒng)的開關(guān)量控制外，程序內(nèi)部還采用了高速計數(shù)器計數(shù)和高速脈沖串輸出（PTO）中斷方式。通過控制所發(fā)出的脈沖個數(shù)，控制旋轉(zhuǎn)角度的大小，且脈沖當量小，精度高。設計時將旋轉(zhuǎn)角度定義成可變量，通過觸摸屏設置角度，實現(xiàn)對任意角度的控制。

在對速度的控制方面，應用PTO發(fā)生器的多段管線功能，利用帶有脈沖包絡的PTO控制伺服電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺加速啟動和降速停止的功能，如圖5所示，其中H表示頻率，C為脈沖數(shù)（時間）。降速過程還可分成更多段，低速趨近定位點（圖5中，C1段為加速過程，C2段為勻速過程，C3～C7段為減速過程），保證轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)停下，同時又節(jié)省了時間，提高了效率。這樣就克服了停機瞬間慣性過大，轉(zhuǎn)臺定位出現(xiàn)偏差的問題。設計時將速度定義成可變量，具體方法同旋轉(zhuǎn)角度。4結(jié)語本文從機械和控制兩個方面提出了提高回轉(zhuǎn)體