提高回转体定位精度的方法研究

摘

要：当前，我国生产设备在系统精确定位方面存在诸多不足，常常导致生产加工过程中元件尺寸偏差大、废品率高、生产效率低等，难以满足工业生产要求。现设计了一种回转体结构，介绍其工作原理和控制方法，并以精确定位为切入点进行了深入分析和研究。另外，从设计、加工、装配以及工艺等角度出发，着重阐述了提高回转体定位精度的几种方法，克服了以往的很多弊端，达到了精确定位的目的。关键词：回转体；精确定位；装配引言在我国制造业飞速发展的今天，生产设备只有具备高定位精度和高可靠性，才能加工出高质量的产品来满足市场需求。以往回转体结构在设计、加工、装配、工艺、位置检测等方面普遍存在一些不足，系统转动过程中常常因为定位精度影响到加工精度，继而直接影响工件的加工质量。同时，回转体的回转效率也大大影响着工件的生产效率，对于一些定位精度要求高的场合很难达到生产要求。因此，需要研究一种行之有效的方法来实现系统的高定位精度和高可靠性。本文从工程实际出发，对比过去相关设备的不足，深入分析了影响定位精度的因素，并提出了相应的解决措施，很好地实现了回转体精确定位的目的。1回转体结构组成及工作原理回转体系统由机架、转台、三爪卡盘、连接轴、轴套、交流伺服电机、伺服驱动器、行星减速机、PLC、触摸屏（HMI）、开关等组成。

将毛坯件放置在转台台面上，系统自动驱动三爪卡盘夹紧工件，然后反馈信号给主控单元。接收到信号后，西门子PLC控制伺服电机带动转台和工件转动，转动角度可以在触摸屏上任意设置。回转体与镗床、钻床、铣床和插床或者焊接机器人等外部设备结合，构成完整的系统，实现自动化生产，可以加工有角度要求的孔、槽和斜面，或者焊接工件等。加工时转动工作台，还可加工圆弧面和圆弧槽等。具体工作流程如图1所示。2回转体定位精度分析主轴回转时，理论上其回转轴线的空间位置应固定不变，但实际上主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，刀具系统和夹具的位置误差，润滑条件，伺服系统跟踪误差，位置检测误差，加工工艺的合理性，操作者的编程水平等都会直接影响到回转体的定位精度，导致主轴实际回转轴线对于其理想回转轴线呈现周期性漂移，即主轴回转误差，常常表现为径向圆跳动和轴向窜动。结合本系统结构和控制方式，不难发现系统中工件的装夹方式、电机质量、机械传动部分的结构和质量、控制电路的性能等都会影响到系统定位的准确性。3提高回转体定位精度相关措施

3.1

夹具的设计

转台上夹具的设计直接影响到工件的位置精度。气动夹具结构简单，易于操作，而且对外部环境也没有污染，但空气具有可压缩性，当载荷变化时，动作稳定性差，影响定位精度。液压夹具虽然平稳、反应速度快，但工作性能易受温度变化的影响，液压油容易外泄污染环境，效率较低。设计中采用伺服电机和行星减速机带动回转体正反转实现三爪卡盘对工件的夹紧和放松，根据工件外形尺寸计算出伺服电机的转动圈数来控制松紧程度。相比之下，机械夹具性能更稳定。

3.2

旋转轴与转台的固定方式

为了保证同轴度，设计时，转台中心车出凸台，连接轴加工出凹槽，回转体转台和转台连接轴分别如图2和图3所示。通常普通机床加工精度较差，一般误差会超过0.01mm，严重影响定位精度。加工过程中，要求转台和连接部件均在加工中心进行，加工精度可以达到0.002～0.005mm，重复精度较高，保证了定位的准确性。

连接轴与转台在对角采用螺钉安装，由于运动副间存在间隙，所以另外两个孔安装定位销，确保旋转时无间隙，大大消除了回转偏差。设计和装配时，连接轴与伺服电机轴通过轴套对接，孔、轴配合间隙不能过大，键连接不能太松，加注销钉，并用力拧紧。

3.3

伺服机构的应用

设计时选用精度高、有制动且大惯量的全数字式交流伺服结构取代分度器，达到经济适用的效果。带制动的伺服电机保证了无论在旋转中还是静止中都有准确的定位自锁，不需要其他锁紧组件。在伺服系统选取过程中应注意惯量匹配及力矩匹配，增加机械刚性和降低系统的惯性，缩短机械传动部位的响应时间等。本文选用松下全数字式交流伺服电机和伺服驱动器，具体参数如表1和表2所示。由于齿轮与齿轮、链与链轮、涡轮与蜗杆、同步带与带轮之间啮合难免存在间隙，客观上会影响旋转精度，为此设计时去除多余传动副，采用电机与连接轴直连的方式，保证旋转精度。

3.4

伺服电机尾部编码器的使用

如图4所示，转台旋转过程中，旋转编码器反馈信息给PLC，通过程序内部运算，与PLC通信的触摸屏上可以实时显示回转体转动的位置。常规外部增量式编码器通过联轴器与回转体输出轴连接，回转体在旋转过程中，外部增量式编码器电缆易拉断。长时间工作后，会出现连接部位打滑及联轴器本身断裂等现象，这严重影响了系统的定位精度和可靠性。鉴于此，设计时应用伺服电机尾部编码器取代常用的外部增量编码器，形成闭环控制，这样就克服了外部增量编码器安装难度大、连接部位滑动及损坏的弊端。3.5

控制方式的改进

选用西门子PLC作为主控制单元，HMI、断路器、开关电源、继电器等为辅助元件，除了对系统的开关量控制外，程序内部还采用了高速计数器计数和高速脉冲串输出（PTO）中断方式。通过控制所发出的脉冲个数，控制旋转角度的大小，且脉冲当量小，精度高。设计时将旋转角度定义成可变量，通过触摸屏设置角度，实现对任意角度的控制。

在对速度的控制方面，应用PTO发生器的多段管线功能，利用带有脉冲包络的PTO控制伺服电机，实现转台加速启动和降速停止的功能，如图5所示，其中H表示频率，C为脉冲数（时间）。降速过程还可分成更多段，低速趋近定位点（图5中，C1段为加速过程，C2段为匀速过程，C3～C7段为减速过程），保证转台平稳停下，同时又节省了时间，提高了效率。这样就克服了停机瞬间惯性过大，转台定位出现偏差的问题。设计时将速度定义成可变量，具体方法同旋转角度。4结语本文从机械和控制两个方面提出了提高回转体