CN102248430B - 多轴精密联动进给设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴精密联动进给设备，包括两个固定在固定支架上的独立升降轴，升降轴上由电机通过丝杠驱动可升降滑台沿V型导轨垂直运动，可升降滑台上安装工作台定位工件；在工作台上方设有龙门型十字滑台，由电机带动纵向和横向联动，在十字滑台上安有可沿垂直方向移动的独立小型升降轴，下端固定加工工具。本发明保证了多轴联动设备的运动精度的监测和补偿，提高了加工工件和加工工具之间的定位精度。

Description

多轴精密联动进给设备

技术领域

本发明涉及一种多轴联动精密设备，特别用于先进制造领域的进给设备。

背景技术

多轴精密联动设备先进性程度直接反映了国家制造业的发展现状。目前大多机械制造机械系统中的常见的联动设备，如多轴升降或滑动平台，均采用丝杠直接驱动，运动轴直接套装在导轨上。这种驱动形式下，丝杠作为升降平台的进给部件，虽然能够实现将回转运动转为直线运动，但丝杠的安装固定不易实现；电机驱动和丝杠组成的整体进给系统由于缺少反馈信息而使得定位精度难以保证，尤其对于多轴联动要求的精密制造设备，其制造生产出的产品精度远不能达到预定的要求。

对于精密微电子设备中联动控制升降平台的功能实现也有使用气悬浮技术的(李水进，基于进给伺服电流的铣削力间接测量与恒进给力加工控制技术研究[D].武汉：华中科技大学机械科学与工程学院博士学位论文，2001年)，但是这种技术要求的升降平台制造加工难度大、成本高；并且不能够进行主动的对进给位移的反馈和控制。对于联动升降平台的研究，专利“精密多功能升降平台”(公开号：CN101012048A)提出了一种微电子设备等精密机械用升降平台，通过力传感器监测平台压力情况；但其仅限于监测承载情况，而对升降过程中最重要的位置定位不能进行监测及控制。此外，对于精密的多轴联动设备，有必要对其进行误差分析，以确保整个设备的误差满足设计要求，同时也为误差补偿技术提供必要技术指标。

发明内容

为了克服现有技术精度不高或者加工难度大、成本高的不足，本发明提供一种多轴精密联动设备，解决了产品快速成型，尤其三维打印快速成型中设备中的多轴进给位移精度不高、难以控制的缺点，同时通过光栅尺的参数反馈，进一步保证多轴联动设备的运动精度；通过引入独立的Z轴微动调节，有利于提高在小范围内获得的较高的定位精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括两个独立互不干涉的升降轴，两个升降轴均垂直固定在固定支架上，每个升降轴均包括工作台、工作台支架、丝杠、可升降滑台和V型导轨，伺服电机通过刚性连轴器与丝杠连接，丝杠上安装有可升降滑台，可升降滑台被限定于V型导轨(横截面为V字型)中，可实现其沿垂直方向的联动进给运动，可升降滑台与工作台支架固连，工作台支架顶端安装有工作台，用于加工工件的定位。作为对进给位移的控制和反馈，在两个升降轴的一侧均安装有光栅尺，光栅尺的读数将反馈给运动控制器，由运动控制器发出运动命令控制伺服电机运动动作；从而形成控制程序预设位移量和光栅读数进行对比的闭环控制系统。在工作平台的正上方设置有龙门型X-Y十字滑台，固定在固定支架上，该十字滑台垂直于工作台面，距离工作台面10～20mm，与升降轴形成互相垂直的空间关系。X-Y十字滑台上的纵向和横向运动轴分别通过同步皮带轮和伺服电机相连接，由伺服电机带动，可做纵向和横向联动运动。在X-Y十字滑台的定位块上安装有可沿垂直方向移动的独立小型升降轴，该独立小型升降轴的下端固定加工工具，其运动范围为10～20mm，用来手动调整加工工件和加工工具之间的距离，同时该独立小型升降轴可绕X-Y十字滑台的定位块垂直方向中心线做360°旋转运动，便于调节加工工件和加工工具的空间位置。

在所述的V型导轨与可升降滑台之间配有直线导轨滚珠，滚珠通过保持架安装在V型导轨的凹槽中，装配过程中对滚珠进行预紧处理，以保证可升降滑台的运行平稳和进给精度。

所述两个升降轴的间距为125％的加工工件水平长度，加工工件的截面面积不大于80％的工作台面积。

本发明的有益效果是：克服现有技术精度不高或者加工难度大、成本高的不足，本发明提供一种多轴精密联动设备，解决了精密设备多轴进给位移精度不高、难以控制的缺点，同时通过光栅尺的参数反馈，进一步保证多轴联动设备的运动精度的监测和补偿；通过引入独立的Z轴微动调节，有利于提高加工工件和加工工具之间的定位精度。本发明设备特别用于先进制造领域的进给设备，尤其可用于作为三维打印机、激光打印机等精密设备，将应用于机械产品快速成型、生物制药、模具生产等领域。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明所述的升降轴及工作平台的剖视图；

图4是本发明所述X-Y十字滑台主视图。

图中，1、15、17均为伺服电机；2为精密丝杠；3为刚性连轴器；4为滑台；5为V型导轨，6为工作台支架；7为工作台；8为X-Y十字滑台X方向导轨；9为X-Y十字滑台定位块；10为独立小型升降轴；11为固定支架；12为光栅尺；13为升降台导轨固定支架；14为X-Y十字滑台Y方向导轨；16、18均为同步齿型皮带轮；19为直线导轨滚珠。

具体实施方式

该设备包括伺服电机(1，15，17)、控制器、精密丝杠2与滑台导轨(4，5，6)组成的可升降工作平台、龙门型X-Y工作平台(8，9，14)、固定支架11，设备包括了五轴以上的联动控制，所有控制轴都与伺服电机相连，通过多轴控制器协调动作。升降工作平台7连接滑台固定于导轨上可沿Z方向运行，导轨为V型直线导轨5；滑台外壁安装光栅尺12；伺服电机1通过刚性连轴器3直接与精密丝杠2连接；龙门型X-Y工作平台定位于升降平台的正上方；X-Y方向的运动通过同步皮带轮(16，18)和伺服电机(15，17)相连接；X-Y工作平台上配备可沿Z轴方向移动的独立小型升降轴10。

两个独立互不干涉的垂直方向运动轴(也称为升降轴)，两个升降轴平行固定在固定支架11上，根据加工工件水平长度设定其间距大小，间距为125％的加工工件水平长度；两个升降轴可实现其沿垂直方向的联动进给运动，两个升降轴的末端均分别通过工作台支架连接工作平台，便于加工工件的定位。伺服电机通过刚性联轴器与丝杠连接，丝杠上安装有可升降滑台，它被固定于V型导轨(横截面为V字型)上，在V型导轨上，配有直线导轨滚珠，滚珠通过其保持架安装在导轨凹槽中，装配过程中对其进行预紧处理，以保证可升降滑台的运行平稳和进给精度。作为对进给位移的控制和反馈，在两个升降轴的一侧均安装有光栅尺，从而形成控制程序预设位移量和光栅读数的闭环控制系统。在工作平台的正上方设置龙门型的XY十字滑台，该十字滑台垂直于工作台面，距离工作台面10～20mm，螺钉固定在固定支架11上，与升降轴形成互相垂直的空间关系。XY十字滑台上的纵向和横向运动轴分别通过同步皮带轮和伺服电机相连接，由伺服电机带动，可做纵向和横向联动运动。在XY平台上配备可沿垂直方向移动的独立小型升降轴，其运动范围为10～20mm，用来手动调整加工件和加工工具之间的距离，同时该独立升降轴可绕垂直Z轴旋转，便于调节加工件和加工工具的空间位置。

本发明采用多轴控制器实现对多轴联动的控制，在机械加工过程中，首先进行垂直方向升降轴的进给量控制，控制器发出指令控制升降轴执行运动，通过光栅尺保证其在要求的位置精密定位；随后控制XY十字滑台，通过安置在XY滑台上的可沿垂直方向独立运行小型升降轴10末端的加工工具进行加工动作，根据加工程序完成在XY工作面内的各类加工活动；如需要对加工工具的位置调整，可通过手动调节小型升降轴10在垂直方向上升或下降或者使该轴沿垂直方向旋转；当完成了一个平面内的多轴联动加工过程后，重新设定垂直升降轴的进给位置，重复下一次操作，直到整个工件都被加工制作完成。下面结合具体的实施方式来分析设备的精度及其运行误差。

本发明具有作为一种多轴联动控制设备，设定其运行精度如下：垂直方向升降平台的定位精度≤5μm；重复定位精度≤3μm；水平龙门型十字滑台在XY方向的位精度≤5μm；重复定位精度≤3μm；承载负荷大于500N。整个系统的运动误差分析如下：

1)精密丝杠精度2和工作平台7负荷分析；

采用按照滚珠丝杠预期的工作时间计算：

$C_0=\sqrt[3]{60n\·T}\·\frac{F_m\·f_w}{100\·f_a\·f_c}$

其中，n为转速，初定20mm/s(约24转/分)；T为预期工作时间，初选T＝5Year×270Day×8Hours＝8100h，该时间范围符合精密测试机械的时间要求；F_m为当量的载荷，初定为360N；f_a为精度系数，精度等级为1-3级时，精度等级选C 0级(定位误差≤3μm/300mm行程)，f_a＝1；f_c为可靠性系数，一般情况下f_c＝1，在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90％以上时选；f_w为负荷系数，根据负荷性质选，这里取f_w＝1，属于无冲击平稳载荷下的系数。

综上，有：

$C_0=\sqrt[3]{60n\·T}\·\frac{F_m\·f_w}{100\·f_a\·f_c}=\sqrt[3]{60\×24\×8100}\×\frac{360\×1}{100\×1\×1}=816.43\left(N\right)$

垂直方向升降平台7作为工作承载平台，其负荷可满足大于500N的设计要求。

2)垂直升降轴联接的伺服电机1精度及力矩分析

精密滚珠丝杠副受轴向载荷F作用时，滚珠丝杠中径d₀(即滚珠中心圆直径)处产生螺纹力矩若采用双螺母预紧，将使摩擦力增加，结果会产生附加摩擦力矩M_p。

1.无预紧情况下的驱动力矩

(1)正传动时的驱动力矩

F-轴向工作载荷，N；L-螺纹导程，mm；ψ-螺纹升角；ρ_a-当量摩擦角，一般，正传动时ρ_a＝8.6′，逆传动时ρ_a＝12′；η-无预紧时的正传动效率，

(2)逆传动时的驱动力矩

η′-无预紧时的逆传动效率， ${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ρ}}_a)}{\mathrm{tg\ψ}}.$

2.有预紧力F_p情况下的驱动力矩

(1)正传动时的驱动力矩

η_p-预紧后的传动效率，

(2)逆传动时的驱动力矩

η_p′-预紧后的逆传动效率，η_p′≈η_p。

3.支承轴承产生的摩擦力矩M_b，查阅轴承手册。

4.加速所产生的负载扭矩：

当电机转速从n₁升至n₂时，

当电机转速从0升至n_max时，

式中，J为加在电机上的惯性矩(kgf·mm·sec²)，n电机转速(转/分)，T_a加速时间(秒)。其中，

其中，W_s为滚珠丝杠的重量(kg)，D为丝杠的公称直径(mm)，g为重力加速度，l导程(mm)，W为床台重+工作物重(Kg)，J_M为马达惯性矩，J_G为传动装置的惯性矩(如齿轮、皮带轮等)。

5.电机的总的扭矩

M_m＝T_d+M_p(或T_p)+M_b+M_j(T_d为预紧力产生的摩擦力矩，T_p为外部载荷产生的摩擦力矩)

通常将T_d+T_p限制在电机输出功率的10～30％，尤其是选用小电机更要注意。

6.进给系统的刚度计算

$\frac{1}{K}=\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_2}+\frac{1}{K_3}+\frac{1}{K_4}$

式中：K---进给系统的轴向刚性(N/μm)；K₁---滚珠丝杠的轴向刚性(N/μm)；K₂---螺母的轴向刚性(N/μm)；K₃---支承轴承的轴向刚性(N/μm)；K₄---螺母座、轴承座的轴向刚性(N/μm)；

K₁---滚珠丝杠的轴向刚性：

固定-固定

固定-自由

d_r丝杠的直径，L₁丝杠的长度；

K₂---螺母的轴向刚性：

$K_2=0.8\×K\left(\frac{P}{0.1C}\right)$

式中，K为规格表中的选定值，P为预紧力，C为动载荷。

3)为保证精度实现，本发明设备中的多轴控制器满足每轴伺服更新率≤60μs、分辨率≤4nm、编码输入数据速率≥10MHz、程序执行速率≥1KHz；每轴的伺服单元(伺服电机)运动往复定位精度≤2μm，并且具有有效消除谐振阶式滤波功能。

4)本发明中采用的光栅尺，测量精度±1μm；测量的最大长度为420mm。

Claims (3)

1.一种多轴精密联动进给设备，包括两个独立互不干涉的升降轴，其特征在于：两个升降轴均垂直固定在固定支架上，每个升降轴均包括工作台、工作台支架、丝杠、可升降滑台和V型导轨，一号和二号伺服电机分别通过刚性连轴器与丝杠连接，丝杠上安装有可升降滑台，可升降滑台被限定于V型导轨中，可实现其沿垂直方向的联动进给运动，可升降滑台与工作台支架固连，工作台支架顶端安装有工作台，用于加工工件的定位；在两个升降轴的一侧均安装有光栅尺，光栅尺的读数反馈给运动控制器，由运动控制器发出运动命令控制伺服电机运动动作；在工作平台的正上方设置有龙门型X-Y十字滑台，固定在固定支架上，该十字滑台垂直于工作台面，距离工作台面10～20mm，与升降轴形成互相垂直的空间关系，X-Y十字滑台上的纵向和横向运动轴分别通过同步皮带轮与三号和四号伺服电机相连接，由伺服电机带动，可做纵向和横向联动运动，在X-Y十字滑台的定位块上安装有可沿垂直方向移动的独立小型升降轴，该独立小型升降轴的下端固定加工工具，其运动范围为10～20mm，用来手动调整加工工件和加工工具之间的距离，同时该独立小型升降轴可绕X-Y十字滑台的定位块垂直方向中心线做360°旋转运动，便于调节加工工件和加工工具的空间位置。

2.根据权利要求1所述的多轴精密联动进给设备，其特征在于：在所述的V型导轨与可升降滑台之间配有直线导轨滚珠，滚珠通过保持架安装在V型导轨的凹槽中，装配过程中对滚珠进行预紧处理。

3.根据权利要求1所述的多轴精密联动进给设备，其特征在于：所述两个升降轴的间距为125％的加工工件水平长度，加工工件的截面面积不大于80％的工作台面积。

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