高速高精度定位分度工作台的设计

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随着数控技术的不断提高，人们对工件的加工速度、精度也在不停地提出新的要求。分度T作台因其能实现对多个二不同工序同时加T、减少因多次装夹而带来的加工误差 ，能很好地提高加工效率和质量而得到越来越多人的青昧。因此，如何合理地设计工作台，实现工作台的快速、精确定位成了整个数控机床的关键技术。

2工件对工作台的要求与工作台的方案议 计 2.1零件加工的要求与难点研究的工作台是半自动双面钻床的主工作台，用于加工诸如钟表零件这类的细小T件。在进行大批量生产时，要求工作台快速精确定位，满足生产效率是关键。工作台拥有八个工位，每个工位都需要实现特定的功能，-个循环完成对零件的全部钻孔加工。工作台适应的零件尺寸在 lOmm左右，加工孔径在 1mm左右，而最大的深度达 16mm，属于微凶深孔加工。微凶加工是孔加工最为困难的，由于高成本与加工精度等原凶，钻削加工仍是微凶当前常用的加工方法。但因为加工用的钻头直径小，此加丁方法存在着不少问题：(1)钻头刚度低，入钻位置容易偏移；(2)排屑困难、钻头易折断；(3)轴向钻削力相对比较大，出口毛刺较高。除微d.fLJ'l，，深孔加工是孑L加工的另-个难题。随着钻头的深入 ，深孔钻削加工的问题逐步突显出来：①无法直接刀具，只能靠经验通过观察切屑方式等手段来判断刀具的工作情况；②钻杆过长 ，刚度不足容易产生如走偏孔 、中心线弯曲的偏差；③钻头工作条件恶劣，不能确保切屑正常产生，切屑与排屑困难；④散热条件不好，冷却液难进入深孔处进行冷却。本工作台就是为解决微/b-fL和深孑L两方面的加T难题而设计的。

为此，将工作台的回转轴设计为水平卧式布局，便于钻孔主轴排布在工作台的两侧，实施两侧对钻。采用水平进给钻孔有利于排屑和切削液冲洗作业，以此较好的解决深UJIX.问题。根据加工对象的要求，设计工作台定位精度要控制在 (±0.02)mm以内，如图 1所示〖虑到加工效率的因素，工作台每个工位的回转动作时间不能超过 2s。

来稿日期：2012-09-1 l基金项目：国家自然科学基金(50775043)作者简介：许先孟，(1985-)，男，广东广州人，硕士研究生，主要研究方向：机械制造装备研究；李锻能，(1958-)，男，广东广州人，学士，教授，主要研究方向：机械制造装备、高速精密电主轴及轴承 、以及工业机器人系统研究许先孟等：高速高精度定位分度工作台的设计 第7期H哥瓣第二工位第六工位图 1数控工作台Fig.1 Numerical Control Table2.2工作台总体方案的设计根据本次设计的特殊性并结合数控工作台的优点，设计出适合本研究的专用方案，如图 2所示。方案中，用 PLC来控制伺服电机 ，经减速器减速后通过弧形同步带进行转动；利用旋转编码器把工作台转动的角度以脉冲的方式输入到 PLC的高速计数拈，并与程序设定的数据进行对比、计算，将结果反镭伺服电机进行角度补偿 。

- ] 罄饕 - 机驱黎曩口图2总体方案图Fig.2 The Overall Scheme同步带轮图3工作台方案图Fig.3 Scheme of Platform工作台的机械结构大体可以分为三部分，如图3所示。动力部分、传动部分和工作台本身。为减少本身的转动l贯量，工作台镂空去除多余的材料，用三维软件得到它的转动惯量为0.201kg.m ，与传统的工作台比较，它的转动惯量熊多；其次，相比用齿条齿轮传动的工作台，这种结构具有设计简单、质量孝制造容易，成本低等优点，而且运行平稳，容易实现工作台的分度定位控制；最后，在钻：fLJnIn 于采用对钻水平进给的方式，工作台的承载力孝变形量小，零件的加工精度高。

机械结构的设计虽然简单，但由于采用了行星减速器做减速机构，关于如何解决减速器齿轮齿隙非线性带来的问题成为实现工作台精确定位的关键。齿隙非线性存在于所有的采用齿轮传动的伺服系统中，它是正常机械传动中不可缺少的-种非线性，司时也是影响系统动态性能与稳态性能的重要因素。如果不能消除齿隙的影响，系统性能会因极限环或冲击而降低，系统甚至会变得不稳定，齿轮间碰撞也会产生严重的振荡和噪声。为解决线性控制规律难以克服的齿隙非线性系统的种种问题，此处将会采用智能 PID的控制方法，可以很好地提高系统的定位精度，显著地改善系统的跟踪的平稳性。

除减速器外，工作台定位系统中配用的同步带应该选用高刚度同步带，并保证-定的预紧力，减少因传动过程中同步带变形而导致的传动误差；同时，提高连接轴和工作台等的加工和安装精度，严格控制结构部分所带来的误差。

3定位系统的控制方案设计3.1 PLG与旋转编码器的应用机械传动机构产生的间隙和回程误差等外界因素导致的工作台旋转误差是机床在制造、安装过程中难以避免，而数控机床就是借其强大的驱动性能和位置控制性能，从控制上人手，大大地降低了机械系统的误差[21。由此，设计中用旋转编码器与工作台连接，将它随工作台转动过的角度以脉冲的形式输送给作为控制单元的 PLC，并与编写好的程序进行逻辑运算，再把运算结果反馈到伺服电机，实时、快速地实现位置控制。其控制流程，如图4所示。

图4控制方案流程图Fig.4 The Flow Chart of Control Scheme旋转编码器是-种产生脉冲的装置，它的输出信号为A和口两个脉冲，A和曰的相位相差90。，计数器的是加计数还是减计数就由两者的信号来决定的。当 PLC的高速计数器 C254的控制No.7July.201 3 机 械 设计 与 制造 55开关 ，和启动开关接通时，C254对输入的 。(A相)、 .( 相)的ONOFF过程计数。当，4相为ON状态时，曰相输入由OFF变成ON时，为递加计数，而 曰相输入由ON变成 OFF时，为递减计数。也就是说，它能将] 作台转过的角度值转化成编码器输出的脉冲个数，能够快速地实现角度和距离的测量。

为了能准确反映出工作台转动角度的情况，本设计将旋转编码器安装在工作台的转动轴上，它随着工作台的工作台而旋转，这样编码器输出端可获得正比于角度的脉冲个数。同时，把脉冲的输出端接到 PLC的X000和 XO01的输入端 ，用高速计数器C254进行计数，并实时地储存到 PLC的数据寄存器里[6t，I/O分配图，如图 5所示。

公共端输出脉冲电机方向图5 PLC I/O分配图Fig.5 1/O Distribution Diagram of PLC3.2 PLC控制程序图6 PLC控制程序Fig.6 The PLC Program程序中先根据要转动的角度计算出PLC需要发出的脉冲当量，存入到寄存器 中，同时用D0的值对C254进行设定。程序匀速段的进给脉冲频率此处设置为 8000Hz，加减速时间设置为150ms。核心梯形图主要分为两部分 ，如图 6所示。第-部分为(O～37)步，主要是进行对 D。的赋值和高速计数器 C254设定 ，由指令 PLSRrt吗区动电机转动，并通过旋转编码器实时地把工作台转过的角度以脉冲的形式输入到PLC中；第二部分是补偿部分，当第-部分的脉冲数输出结束之后，PLC根据接收到的反馈脉冲数与D。中设定的脉冲数进行对比，如果两者之前存在差值，则进行逻辑运算，并将运算结果再次以脉冲形式发送到伺服驱动器驱动电机做补偿转动，若结果符合条件时则对相应计数器和辅助继电器等复位，以便进行下次程序的工作。

3.3工作台的工程应用工作台共有个八工位，每个工位转动角度为 45。，其中第-工位用于工件的上下料 ，第二和第三工位不做加工，第四工位钻四个中心孔 ，剩下的四个工位分别钻四个通孔，如此-个循环完成后零件加工完成。

结合设计的要求，选择合适的旋转编码器做反馈元件，计算出工作台转动-个工位 PLC所需的脉冲数，并根据实际的加工要求确定梯形图里相关的参数，可以很好地实现工作台的控制1741。根据零件的加工要求，T作台的定位精度要求在±O.02ram以内。本工作台的有效工作半径为 20cm，将位置精度换算成角度精度：- ，± 2 x lJ x3600.0057。

2叮T，(此处选用 I6位增量式编码器 ，它的分辨率为 65536p/r，最小分辨角度 0.0055。，完全能够满足零件对工作台定位精度的要求。电机选择松下MSMA系列额定转速为3000r/min，功率为400W，脉冲数为2500p/r的小惯量伺服电机。

设计传动部分的总减速比为 1：400，即工作台每转动-个工位(1，8圈)，伺服电机需转动50圈，所需脉冲数为 125000。它远远超出PLC能够发出脉冲的频率，为此，通过设置伺服驱动器中电子齿轮的倍频为 12.5，PLC的驱动指令 PLSR中的脉冲的发送频率(D )为 8000Hz，脉冲数(D。)为 8192，加减速时间(D )为150ms，可以实现 1.024s伺服电机转动50圈的目标。根据零件的位置精度，高速计数器区间比较指令 DHSZ的两个操作数 D 、D数值分别设置为 8191和 8193。在 PLSR指令输出完成后只需要几十个毫秒的时间DHSZ指令就能完成比较，并进行逻辑运算后PLC将差值反馈给伺服电机做补偿。最终能够实现工作台工位转动用时在 1.5s左右，位置精度在(±0.02)mm之内的控制。

4结束语阐述的是-种课题相关的数控分度工作台，分别从机械设计到控制设计进行了论述。相比-般的分度工作台的机械定位，本设计突出了如何利用 PLC与旋转编码器实现工作台定位，从控制上来实现工作台的高速、精确的角度定位。同时，这种设计方法对机械结构上的要求相比-般的分度工作台小，能够很好地控制工作台的加工成本，而且通过编程的方式来补偿因制造、安装误差而带来的问题。