CN104148976A - 一种精密数控转轴系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密数控转轴系统，包括机架、输出轴和驱动系统，输出轴通过主轴承可转动地安装在机架上，驱动系统包括两套驱动装置，驱动装置包括曲柄滑块机构和丝杆螺母机构；曲柄滑块机构滑块的导轨固定在机架上，曲柄与机架的铰接端与输出轴固定，相对于输出轴的旋转角度，两套曲柄滑块机构的死点相互错开；丝杆螺母机构的丝杆通过丝杆轴承安装在机架上，螺母与曲柄滑块机构的滑块连接；两套驱动装置的丝杆同时转动，螺母带动滑块平移，两套曲柄滑块机构的曲柄共同带动输出轴旋转。本发明通过两套驱动装置共同驱动输出轴做旋转运动，可以有效避免一套曲柄滑块机构可能出现的死点问题，可以实现360度旋转定位。

Description

一种精密数控转轴系统

[技术领域]

本发明涉及精密定位系统，尤其涉及一种精密数控转轴系统。

[背景技术]

在旋转运动控制的应用场合，驱动电动机直接连接执行机构的组合方式固然具有间隙小，重复精度高的特点，但其缺点也是显而易见的，即由于驱动电动机的技术限制，用于定位的驱动电动机的输出扭矩往往比较低，难以满足实际需要。

在电动机与执行机构的各种组合方式中，一般会以各种减速比的减速机连接，通过减速机增大输出扭矩，以满足实际需求。由于减速机通常由几组齿轮相互配合组成，而齿轮机构属于运动高副，配合公差一般比较大，难以满足精密定位的需要。

而且，目前市场上高精度低间隙的减速机往往价格不菲，不适合工业现场大范围推广。

采用一套曲柄滑块机构控制输出轴旋转会有死点，无法实现360度旋转定位。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、输出轴旋转不会出现死点，可以实现360度旋转定位的精密数控转轴系统。

本发明要解决的技术问题是提供一种通过预紧能够做到零间隙、输出精度高的精密数控转轴系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种精密数控转轴系统，包括机架、输出轴和驱动系统，所述的输出轴通过主轴承可转动地安装在机架上，所述的驱动系统包括两套驱动装置，所述的驱动装置包括曲柄滑块机构和丝杆螺母机构；曲柄滑块机构滑块的导轨固定在机架上，曲柄与机架的铰接端与输出轴固定，相对于输出轴的旋转角度，两套曲柄滑块机构的死点相互错开；丝杆螺母机构的丝杆通过丝杆轴承安装在机架上，螺母与曲柄滑块机构的滑块连接；两套驱动装置的丝杆同时转动，螺母带动滑块平移，两套曲柄滑块机构的曲柄共同带动输出轴旋转。

以上所述的精密数控转轴系统，驱动装置的丝杆与导轨平行安装，所述的螺母固定在滑块上或与滑块为一体。

以上所述的精密数控转轴系统，两套曲柄滑块机构共用同一个曲柄和同一个曲柄销，两套曲柄滑块机构的连杆长度相等，导轨平行。

以上所述的精密数控转轴系统，所述的主轴承、曲柄滑块机构的连杆轴承和连杆滑块轴承是经过预紧的滚珠轴承；丝杆螺母机构是经过预紧的滚珠丝杆螺母机构，导轨和滑块组合是经过预紧的直线滚珠导轨总成。

以上所述的精密数控转轴系统，驱动装置包括电动机，丝杆螺母机构的丝杆由电动机带动，电动机是伺服电动机或步进电动机。

以上所述的精密数控转轴系统，包括控制器，所述的电动机由控制器驱动；控制器中存储有输出轴转角与两套驱动装置滑块行程与输出轴转角的对应表或两套驱动装置丝杆转角与输出轴转角的对应表，控制器根据所述的对应表分别驱动两套驱动装置的电动机，将输出轴旋转到需要的位置。

本发明的精密数控转轴系统结构简单，通过两套驱动装置共同驱动输出轴做旋转运动，可以有效避免一套曲柄滑块机构可能出现的死点问题，可以实现360度旋转定位。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例精密数控转轴系统的结构图。

图2是本发明实施例精密数控转轴系统机构简图。

图3是本发明实施例精密数控转轴系统的数学模型。

图4是本发明实施例滑块行程与输出轴转角对应曲线图。

[具体实施方式]

本发明实施例精密数控转轴系统的结构如图1所示，包括机架(图1中未示出)、输出轴20、控制器(图中未示出)和驱动系统，驱动系统包括两套驱动装置，每套驱动装置包括一套曲柄滑块机构和一套丝杆螺母机构。相对于输出轴20的旋转角度，两套曲柄滑块机构的死点相互错开。

两套曲柄滑块机构共用同一个曲柄9和同一个曲柄销9a。曲柄9固定在输出轴20的上端，旋转输出轴20通过主轴承8安装在机架上，输出轴20受主轴承8的约束由曲柄9带动同步做旋转运动。

第一套曲柄滑块机构包括连杆3、连杆滑块轴承2、滑块1和导轨12，导轨12固定在机架上。连杆3的一端通过连杆轴承10与曲柄销9a铰接，另一端通过连杆滑块轴承2与滑块1铰接。

第一套丝杆螺母机构包括丝杆11和螺母14，丝杆11通过轴承安装在机架上，由电动机17通过联轴器驱动。螺母14与第一套曲柄滑块机构的滑块1连接，螺母14固定在滑块1上或与滑块1为一体。

第二套曲柄滑块机构包括连杆4、连杆滑块轴承5、滑块6和导轨13，导轨13固定在机架上。连杆4的一端通过连杆轴承10与曲柄销9a铰接，另一端通过连杆滑块轴承5与滑块6铰接。

第二套丝杆螺母机构包括丝杆7和螺母15，丝杆7通过轴承安装在机架上，由电动机18通过联轴器驱动。螺母15与第二套曲柄滑块机构的滑块6连接，螺母15固定在滑块6上或与滑块6为一体。

其中，电动机17和18可以是伺服电动机或步进电动机。主轴承8、连杆轴承10、连杆滑块轴承2和5是经过预紧的滚珠轴承；丝杆螺母机构是经过预紧的滚珠丝杆螺母机构，导轨和滑块组合是经过预紧的直线滚珠导轨总成，通过预紧实现运动部件的零间隙。

导轨12和丝杆11平行安装，共同约束滑块1沿着导轨12和丝杆11的轴向方向运动；

导轨13和丝杆7平行安装，共同约束滑块6沿着导轨13和丝杆7的轴向方向运动；

作为优选的技术方案，本实施例的特点之一为丝杆11、丝杆7、导轨12、导轨13的轴线共面平行。

滑块1和滑块6分别沿导轨12和导轨13的轴线运动带动连杆滑块轴承2和连杆滑块轴承5随之做直线往复运动。

电动机17和电动机18工作时，丝杆11和丝杆7通过螺母14和螺母15带动滑块1和滑块6沿各自的导轨作直线运动。在滑块1和滑块6的带动下，连杆3和连杆4分别驱动曲柄9绕主轴承8的轴心做旋转运动。

于是，通过滑块1和滑块6在导轨12和导轨13上的平移运动，并在连杆滑块轴承2、连杆滑块轴承5、连杆3、连杆4、连杆轴承10和主轴承8的共同约束作用下，实现了驱动旋转输出轴20的旋转运动。

作为优选的技术方案，本实施例特点之一为连杆3和连杆4长度相等。

作为优选的技术方案，本实施例中，旋转输出轴20的终端安装有绝对编码器，通过闭环控制消除电气定位误差。

于是，给定滑块1和滑块6分别在导轨12和导轨13轴线方向的平行移动量，即可确定旋转输出轴20对应的旋转角度增量，实现精确的角度定位。

下面对本发明精密数控转轴系统做简要的运动学分析。

如图2和图3所示，在平行于丝杆7、丝杆11、导轨12、导轨13组成的平面的方向，以主轴承8的轴心为坐标原点O，以丝杆7、丝杆11、导轨12、导轨13的长轴方向作为X轴，垂直于丝杆7、丝杆11、导轨12、导轨13的方向作为Y轴，建立XY坐标系。

分别以轴承2的轴心为B(Xb,Yb)，轴承5的轴心为C(Xc,Yc),连杆轴承10的轴心为A(Xa,Ya)。设定特定时刻OA与X轴的夹角为alpha,于是，模型转化为已知OA，求滑块位置的问题，即机构的反解。

根据三角函数公式易得，

Xa＝OA*cos(alpha)    (1)

Ya＝OA*sin(alpha)    (2)

又AB和AC的长度为已知，即

AB＝sqr((Xb-Xa)*(Xb-Xa)+(Yb-Ya)*(Yb-Ya))    (3)

AC＝sqr((Xc-Xa)*(Xc-Xa)+(Yc-Ya)*(Yc-Ya))    (4)

将(1)、(2)式代入(3)、(4)式，可得Xb、Yb和alpha的关系式以及Xc、Yc和alpha的关系式，将上述两个关系式分别以函数G(Yb,Alpha,AB)和G(Yc,Alpha,AB)代替,即：

Xb＝G(Yb,alpha,AB)    (5)

Xc＝H(Yc,alpha,AC)    (6)

其中，Yb\Yc\alpha\AB\AC为相应的变量。考虑到机械安装完成后，Yb\Yc\AB\AC实际上已经是固定的常量，于是可以认为Xb是关于alpha的函数，Xc也是关于alpha的函数，并且此两个函数的解析式也是已知。不妨分别称之为函数g和函数h，因此(5)式和(6)式分别可以简化如下：

Xb＝g(alpha)    (7)

Xc＝h(alpha)    (8)

上述(7)和(8)式的意义很明显，如需驱动曲柄9(输出轴)转动alpha角度，只需按照式(7)和式(8)的函数关系算出相应的Xb和Xc，然后执行定位即可。

需要特别说明的是，本发明以上实施例通过滑块1、滑块6共同驱动曲柄9绕主轴承8做旋转运动，固然可以避免单独采用滑块1或者滑块6单独驱动曲柄9绕主轴承8做旋转运动可能出现的死点问题，但对滑块1和滑块6运动的配合提出了更高的要求。实际上，本发明以上实施例采用的技术方案属于一种过约束结构，实际运用中需要按照各个机构的位置关系严格确定滑块1和滑块6的位置关系，方能达成本发明的运动目标，同时避免机构干涉。

为了更好地说明本发明以上实施例的控制方法，下面对控制系统的原理作简要介绍。应当说明的是，本发明控制系统的实施例仅仅是用来更好的阐述本发明，并不用以限制本发明。

根据上述分析，参考(7)式和(8)式，对应于特定的角度alpha,根据函数g(alpha)和函数h(alpha)的解析式，可以得出对应的滑块1和滑块6的在坐标系XY中X方向位置坐标Xb和Xc。

进一步地，记alpha0为当前曲柄9在坐标系XY中的角度，记alpha1为曲柄9在坐标系XY中的目标定位角度，于是定位动作的角度增量记为deltaAngle，则

deltaAngle＝alpha1-alpha0    (9)

记角度增量微分步距为deltaAngleDiv，其表示整个定位的角度增量deltaAngle实际上有N个角度增量微分步距叠加完成,其中,

N＝int(deltaAngle/deltaAngleDiv)    (10)

N个角度增量微分步距完成后如果还有角度余量，直接定位到alpha1位置处，完成定位。

这样，中的定位过程由N步或者N+1步完成，为方便表述，不妨将定位过程记为M步，M＝N或M＝N+1。

于是，通过M步定位，实际上将alpha0到alpha1的角度增量deltaAngle细分成M段，即

Alpha0                -----→alpha0+1*deltaAngleDiv

alpha0+1*deltaAngleDiv-----→alpha0+2*deltaAngleDiv

alpha0+2*deltaAngleDiv-----→alpha0+3*deltaAngleDiv

alpha0+3*deltaAngleDiv-----→alpha0+4*deltaAngleDiv

alpha0+4*deltaAngleDiv-----→alpha0+5*deltaAngleDiv

………………………………………………………………………

……………            -----→alpha1

对应上述过程，设定一变量i表示第i个细分序号，于是第i次细分后，当前角度

alpha＝alpha0+i*deltaAngleDiv    (11)

根据(7)式和(8)式，即可得到对应于alpha时滑块1和滑块6的X位置坐标Xb和Xc。

用横坐标表示角度坐标的绝对值，范围为(0°-360°)；纵方向记录滑块1和滑块6在角度alpha时的X轴位置，根据上述关系即可得到一张曲线图，如图4所示。

在机械结构确定的情况下，图4所示的曲线实际上也相应地得到确定。图4所示的曲线可以转化为输出轴转角与滑块1和滑块6行程的对应表，控制器只需根据对应表通过两台电动机分别控制滑块1和滑块6按照图4所示各自曲线对应的X坐标运动即可驱动曲柄旋转相应的角度。

实际定位时，滑块1和滑块6对应图4的Xb0、Xc0按照图4各自曲线运动到Xb1、Xc1。即可驱动曲柄9和输出轴20绕主轴承8由角度anpha0转动到角度alpha1。

实际上，滑块1和滑块6沿X轴的行程与丝杆11和丝杆7的转角成线性关系，通过图4完全可以得到与输出轴20在0°-360°范围内对应的丝杆11和丝杆7的转角对应表，存储到控制器中，供对控制器对电动机17和电动机18实施控制，驱动输出轴20转动到指定的角度。

本发明的有益效果是：

1、精度高。机构以丝杆、轴承、连杆等低组成，通过预紧能够做到零间隙，并通过安装在输出轴上绝对编码器实现闭环控制，精度高，有效解决了普通减速机间隙大的缺点；

2、相对与谐波减速机等间隙小的机构，成本低，容易安装；

3、结构紧凑，节省空间，模块化设计，方便安装和移植。

3、稳定耐磨耐用。运动部件用轴承、丝杆等机构连接，硬度高适应长时间高频率使用的场合。

本说明书实施例中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

尽管本实施例的描述中较多地使用了滑块、轴承、连杆、丝杆、主轴承、曲柄、丝杆、导轨、联轴器、输出轴等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

以上，仅为本发明的具体实施方式，上述方案中涉及到的如绝对编码器、闭环控制、有预紧的滚珠丝杆、有预紧的直线滚珠导轨等手段和措施仅仅是本发明具体实施的一种优选方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种精密数控转轴系统，包括机架、输出轴和驱动系统，所述的输出轴通过主轴承可转动地安装在机架上，其特征在于，所述的驱动系统包括两套驱动装置，所述的驱动装置包括曲柄滑块机构和丝杆螺母机构；曲柄滑块机构滑块的导轨固定在机架上，曲柄与机架的铰接端与输出轴固定，相对于输出轴的旋转角度，两套曲柄滑块机构的死点相互错开；丝杆螺母机构的丝杆通过丝杆轴承安装在机架上，螺母与曲柄滑块机构的滑块连接；两套驱动装置的丝杆同时转动，螺母带动滑块平移，两套曲柄滑块机构的曲柄共同带动输出轴旋转。

2.根据权利要求1所述的精密数控转轴系统，其特征在于，驱动装置的丝杆与导轨平行安装，所述的螺母固定在滑块上或与滑块为一体。

3.根据权利要求2所述的精密数控转轴系统，其特征在于，两套曲柄滑块机构共用同一个曲柄和同一个曲柄销，两套曲柄滑块机构的连杆长度相等，导轨平行。

4.根据权利要求1所述的精密数控转轴系统，其特征在于，所述的主轴承、曲柄滑块机构的连杆轴承和连杆滑块轴承是经过预紧的滚珠轴承；丝杆螺母机构是经过预紧的滚珠丝杆螺母机构，导轨和滑块组合是经过预紧的直线滚珠导轨总成。

5.根据权利要求1所述的精密数控转轴系统，其特征在于，驱动装置包括电动机，丝杆螺母机构的丝杆由电动机带动，电动机是伺服电动机或步进电动机。

6.根据权利要求5所述的精密数控转轴系统，其特征在于，包括控制器，所述的电动机由控制器驱动；控制器中存储有输出轴转角与两套驱动装置滑块行程与输出轴转角的对应表或两套驱动装置丝杆转角与输出轴转角的对应表，控制器根据所述的对应表分别驱动两套驱动装置的电动机，将输出轴旋转到需要的位置。