提高回轉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)設計了一種回轉體結構，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。關鍵詞：回轉體；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。以往回轉體結構在設計、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，回轉體的回轉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)了回轉體精確定位的目的。1回轉體結構組成及工作原理回轉體系統(tǒng)由機架、轉臺、三爪卡盤、連接軸、軸套、交流伺服電機、伺服驅動器、行星減速機、PLC、觸摸屏（HMI）、開關等組成。

將毛坯件放置在轉臺臺面上，系統(tǒng)自動驅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臺和工件轉動，轉動角度可以在觸摸屏上任意設置?；剞D體與鏜床、鉆床、銑床和插床或者焊接機器人等外部設備結合，構成完整的系統(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回轉體定位精度分析主軸回轉時，理論上其回轉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體的定位精度，導致主軸實際回轉軸線對于其理想回轉軸線呈現(xiàn)周期性漂移，即主軸回轉誤差，常常表現(xiàn)為徑向圓跳動和軸向竄動。結合本系統(tǒng)結構和控制方式，不難發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中工件的裝夾方式、電機質(zhì)量、機械傳動部分的結構和質(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提高回轉體定位精度相關措施

3.1

夾具的設計

轉臺上夾具的設計直接影響到工件的位置精度。氣動夾具結構簡單，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體正反轉實現(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

旋轉軸與轉臺的固定方式

為了保證同軸度，設計時，轉臺中心車出凸臺，連接軸加工出凹槽，回轉體轉臺和轉臺連接軸分別如圖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，確保旋轉時無間隙，大大消除了回轉偏差。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)字式交流伺服結構取代分度器，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，保證旋轉精度。

3.4

伺服電機尾部編碼器的使用

如圖4所示，轉臺旋轉過程中，旋轉編碼器反饋信息給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體轉動的位置。常規(guī)外部增量式編碼器通過聯(lián)軸器與回轉體輸出軸連接，回轉體在旋轉過程中，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、開關電源、繼電器等為輔助元件，除了對系統(tǒng)的開關量控制外，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)，控制旋轉角度的大小，且脈沖當量小，精度高。設計時將旋轉角度定義成可變量，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，具體方法同旋轉角度。4結語本文從機械和控制兩個方面提出了提高回轉體