CN101177199B - 谐振式多工位转台 - Google Patents

Abstract

谐振式多工位转台是一种应用于工业自动化，特别是对速度和精度有高要求场合下的多工位转台，该多工位转台包括：基座(1)、电机(2)、金属轴(3)、弹簧(4)、安装孔(5)、主动轮(6)、从动轮左刹车(7)、从动轮右刹车(8)、第一光栅尺(9)、机械手的定位孔(10)、轴承(11)、从动轮(12)定连接、操作装置(13)、控制器(14)、支架(15)、金属轴(16)、主动轮左刹车(17)、主动轮右刹车(18)、第二光栅尺(19)，该多工位转台实现高速、高精度多工位转台，无需使用大功率、高精度电机作为驱动。能耗小、速度快、精度高，且仅使用常见元件与技术。成本相对与传统方案大大降低。

Description

谐振式多工位转台

技术领域

本发明是一种应用于工业自动化，特别是对速度和精度有高要求场合下的多工位转台。 

背景技术

多工位转台是一种广泛应用于工业自动化中的装置。其原理是通过转台的旋转，将产品依次送往每一道工位，接受加工，从而实现自动化生产。 

在许多精密产品的生产中，往往要求多工位转台拥有极高的工位转换速度(工位转换次数≥10次/秒)，以及十分精确的定位精度(工位定位误差≤10um)。这种高速、高精度多工位转台的制造十分困难。传统的方法是通过使用大功率、高精度的步进电机或伺服电机驱动转台转动来实现。这种高性能的电机目前主要依靠进口，价格昂贵。并且由于转台转动的加速和减速是在很短的时间内频繁完成的，需要电机具有极大的启动和制动力矩。同时电机的功耗巨大，造成了设备和电能的大量浪费。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种实现高速、高精度多工位转台，无需使用大功率、高精度电机作为驱动。能耗小、速度快、精度高，且仅使用常见元件与技术。成本相对与传统方案大大降低。 

技术方案：本发明为一种实现高速、高精度多工位转台的新设计方案。转台主体由主动轮和从动轮组成。两者通过弹簧连接。主动轮通过轴连接在电机上。与传统方案不同，电机在速度和精度上没有太高的要求，只需要能够提供主动轮转矩即可。 

谐振式高速高精度多工位转台包括：基座、电机、金属轴、弹簧、安装孔、主动轮、从动轮左刹车、从动轮右刹车、光栅尺、机械手的定位孔、轴承、从动轮、操作装置、控制器、支架、金属轴、主动轮左刹车、主动轮右刹车、光栅尺； 电机的外壳固定在基座上，电机的转轴通过金属轴与主动轮固定连接，主动轮与从动轮通过弹簧连接，弹簧的安装孔、固定从动轮的轴承、第一光栅尺、机械手的定位孔安装在从动轮上，从动轮通过轴承与金属轴相连，第二光栅尺安装在主动轮上，支架上固定有从动轮左刹车、从动轮右刹车、主动轮左刹车、主动轮右刹车；操作装置为对工件进行操作的装置，控制器的数据输入端接第一光栅尺、第二光栅尺，接受来自光栅尺的数据，计算出主动轮和从动轮的运动状态，做出相应控制决策，控制器的控制信号输出端接从动轮左刹车、从动轮右刹车、主动轮左刹车、主动轮右刹车，控制其的工作。 

有益效果：本发明拥有以下优点。 

1、驱动装置由普通的电机构成，对电机的速度、精度没有过于苛刻的要求，增加了电机选择的自由度。 

2、由于刹车的开合速度很快，工位切换速度可以轻松做到很快。 

3、对工位的定位精度由刹车保证，并且在本质上由测速装置决定。而测速装置的精度可以容易做到1um以下，从而使本发明的工位定位误差≤10um。 

4、将传统方案中消耗在电机减速上的一部分能量以弹性势能的形式存储在弹簧中，从而降低了电能的消耗，也降低了对电机功率的要求。 

附图说明

图1为为谐振式高速、高精度多工位转台结构图。 

图2为从动轮12上表面结构图。 

图3为为从动轮12下表面结构图。 

其中有：基座1、电机2、金属轴3、弹簧4、安装孔5、主动轮6、从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、第一光栅尺9、机械手的定位孔10、轴承11、从动轮12、操作装置13、控制器14、支架15、金属轴16、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18、第二光栅尺19。 

具体实施方式

从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的开合，控制了从动轮12的转动，当从动轮左刹车7、从动轮右刹车8闭合时，从动轮12由于受到切向的阻力而迅速停止运动。通过从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的加力和开合时间，可以将从动轮 12精确定位在某一转角位置。此时，从动轮12上抓取产品的机械手定位孔10处在相应的工位上，从而使得产品正好对准了实施加工的操作装置13。当从动轮12完全静止后，操作装置13对处于静止的产品做相应的操作。此时，主动轮6在电机2的驱动和弹簧的恢复力下做变加速转动，由于从动轮完全静止，连接主、从轮的弹簧4将发生形变，释放储存的弹性势能。主动轮超出平衡位置之后，到达下一预定位置之前这段时间内，主动轮6仍在电机2的驱动下转动，但受弹簧4拉伸的影响，转动速度越来越慢，弹簧4则通过拉伸储存弹性势能。当加工装置13完成当前工位的操作且主动轮达到下一预定位置，从动轮左刹车7、从动轮右刹车8打开，从动轮12受弹簧4释放弹性势能的作用，做变加速转动，迅速追上主动轮6，并在惯性的作用下，最终超过平衡位置，达到下一工位。此时刹车7、8再次闭合，通过与前面所述相同的原理，将从动轮准确制动在下一工位上。如此反复，就实现了转台在各个工位间的快速转动。 

值得注意的是，当从动轮左刹车7、从动轮右刹车8打开，从动轮12在弹簧4释放弹性势能作用下追赶主动轮这一过程中，主动轮受到来自弹簧4、安装孔5的一个巨大的反作用力。对于一些小功率电机，这有可能造成电机的反转。解决的方法是在主动轮6的两侧也加装主动轮左刹车17、主动轮右刹车18。在从动轮12追赶主动轮这一过程中，主动轮左刹车17、主动轮右刹车18闭合，将主动轮6固定住，防止电机反转的发生。 

可见，通过这样一个结构，多工位转台的定位精度就变得与电机2无关了，电机2只需要在转动速度上能够满足工位切换的平均速度，在功率上拥有能够抵消刹车摩擦所损耗的能量，就可以达到设计的需求。而转台的定位精度实际上完全由从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的控制精度来决定。由于从动轮左刹车7、从动轮右刹车8对从动轮12的控制是通过切向的摩擦力实现的，而该摩擦力与从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的加力大小以及从动轮12的速度有关。因此，即使从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的加力恒定，从动轮12的减速过程也是一个变减速运动。为了提高从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的控制精度，有必要实时测量主动轮6、从动轮12的运动速度和加速度。测速装置19安装在主动轮6上，将主动轮6的运动信息传给控制器14。测速装置9安装在从动轮12上，将从动轮12的运动信息传给控制器14。控制器14处理主动轮6和从动轮12的运动信息，做出控制决策，调节从动轮左刹车7、从动轮右刹车8的状态。 

从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18，加工装置13以及控制器14均固定在支架15上，从动轮12通过轴承11与金属轴16相连，轴16通过螺栓固定在支架15上。主动轮6通过金属轴3固定在电机2上。支架15连同电机2直接安装在基座1上。 

结合图1、2、3介绍具体实施。这里我们实现了一个高速半导体元件测试台。使用铸铁配重块构成平台的基座1。电机2选用小功率伺服电机。电机2通过金属轴3和主动轮6做固定连接。主动轮6由钢铸造，从动轮12由铝合金通过切削得到，两者的质量基本相当。主动轮6和从动轮12通过弹簧4连接。弹簧的安装孔分别加工在主动轮6的上表面和从动轮12的下表面，可以保证主动轮6和从动轮12做同轴运动。从动轮6的下表面结构图如图3所示，其中为从动轮12，安装孔5为弹簧4的安装孔，11为固定从动轮的轴承。第一光栅尺9、第二19光栅尺，可以测量从动轮12和主动轮6转动的速度，其角度分辨率为1秒。从动轮6的上表面结构图如图2所示，其中10为机械手的定位孔，用来固定抓取元件的夹具。当从动轮静止时，定位孔10的中心正对操作装置13，从而保证工位定位的精度。 

支架15使用铝合金加工得到。其上固定有从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18，操作装置13，金属轴16以及控制器14。从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18选用电磁刹车，速度快、加力大。并且加力大小与驱动电流近似成正比，方便了控制。操作装置为一组镀金的探针，当从动轮12静止时，探针搭在下方半导体工件的引脚上，进行测试，筛选出不合格的产品。控制器14接受来自第一光栅尺9、第二19光栅尺的数据，计算出主动轮6和从动轮12的运动状态，做出相应控制决策，控制从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18的工作。为了保证控制精度，要求控制器的运算速度越快越好。这样的控制器可以是通用的高速处理器、也可以由设计者通过高速FPGA或CPLD来实现。这里使用了TI的TMS320VC5470，该处理器为16位，100M主频的高速DSP，拥有基于ARM7的精简指令集内核。由于该处理器性能强大，不仅从动轮左刹车7、从动轮右刹车8、主动轮左刹车17、主动轮右刹车18受其控制，操作装置13也由其一并控制，完成整个测试流程。 

实测显示，该装置的检测速度可以达到每秒8只工件，并且还有进一步提升的空间。 

Claims (1)

1.一种谐振式多工位转台，其特征在于该多工位转台包括：基座(1)、电机(2)、金属轴(3)、弹簧(4)、安装孔(5)、主动轮(6)、从动轮左刹车(7)、从动轮右刹车(8)、第一光栅尺(9)、机械手的定位孔(10)、轴承(11)、从动轮(12)、操作装置(13)、控制器(14)、支架(15)、金属轴(16)、主动轮左刹车(17)、主动轮右刹车(18)和第二光栅尺(19)；电机(2)的外壳固定在基座(1)上，电机(2)的转轴通过金属轴(3)与主动轮(6)固定连接，主动轮(6)与从动轮(12)通过弹簧(4)连接，弹簧(4)的安装孔(5)、固定从动轮(12)的轴承(11)、第一光栅尺(9)和机械手的定位孔(10)安装在从动轮(12)上，从动轮(12)通过轴承(11)与金属轴(16)相连，第二光栅尺(19)安装在主动轮(6)上，支架(15)上固定有从动轮左刹车(7)、从动轮右刹车(8)、主动轮左刹车(17)和主动轮右刹车(18)；操作装置(13)为对工件进行操作的装置，控制器(14)的数据输入端接第一光栅尺(9)和第二光栅尺(19)，接受来自光栅尺的数据，计算出主动轮(6)和从动轮(12)的运动状态，做出相应控制决策，控制器(14)的控制信号输出端接从动轮左刹车(7)、从动轮右刹车(8)、主动轮左刹车(17)和主动轮右刹车(18)，控制该多工位转台的工作。

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