CN104942775B - 伺服式多工位转台及其精度特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服式多工位转台及其精度特性测试装置，该转台包括机架和设置的机架上的固定盘，固定盘上安装有多工位转盘，机架上安装有伺服电机，伺服电机通过谐波减速器与多工位转盘传动联接；多工位转盘与固定盘之间还安装有光电开关，伺服电机的输出轴上安装有电机编码器，光电开关与电机编码器组成原点复位装置。该测试装置角度编码器测量装置和电涡流位移传感器测量装置。本发明的转台通过能够实现多工位转盘不同分度数、不同动停比、不同运动方向、不同加减速控制模式的间歇运动；精度测量装置能够实现多工位转盘精分度误差、动分度误差、重复误差等参数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动化生产和装配生产线中使用的多工位转台及其精度特性测试装置，具体涉及伺服式多工位转台装置、转台精度测量装置及其运动控制方法。
背景技术
在自动化生产与装配中，为提高生产的自动化程度或者满足工艺要求，机械系统要做周期性的步进运动或者分度转动，将输入轴的回转运动转化为执行机构的间歇运动或者分度转动，来完成加工、换位、进给、换向、分度等一系列的规范操作。目前广泛使用的多工位转台装置主要由棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构或它们的相互组合机构来完成间歇转位动作，这些机构普遍存在噪声大、结构复杂、冲击磨损严重、运动精度不高、加工工艺要求高等特点，并且机构设计装配后，装置的分度数、动停比、加减速控制模式等不能改变，在生产线要求发生改变时，需要重新设计和制造新的多工位转台装置。随着工业化的发展，越来越多的自动化生产线对多工位转台装置提出了更高的要求，需要较好的柔性和适应性，较高的运动精度、生产效率、使用寿命以及较紧凑的空间结构。
由于传统的多工位转台装置运行精度较低，现有的对多工位转台装置的精度特性检测的装置以静态精度特性检测为主，较少关注其动态特性的测量，越来越不能满足新型多工位转台装置的精度特性测量要求。
因此设计一种能够更改分度数、动停比、加减速控制模式、较好的运动精度、较低的冲击噪声和简单紧凑的结构的多工位转台及其精度特性测量检测装置正是本专利涉及的内容。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型的伺服式多工位转台及其精度特性测量装置，该装置能够快速、准确地实现多工位转盘不同分度数、不同动停比、不同运动方向、不同加减速控制模式的间歇运动；精度测量装置能够实现多工位转盘精分度误差、动分度误差、重复误差等参数的测量。具有结构简单紧凑、控制灵活、柔性好、运动精度高、冲击噪声小等优点。测量装置具有结构简单、安装方便、测量精度和稳定性好等优点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的伺服式多工位转台，包括机架和设置的机架上的固定盘，所述固定盘上安装有多工位转盘，所述机架上安装有伺服电机，所述伺服电机通过谐波减速器与多工位转盘传动联接；所述多工位转盘与固定盘之间还安装有光电开关，所述伺服电机的输出轴上安装有电机编码器，所述光电开关与电机编码器组成原点复位装置。
具体地，所述谐波减速器的波发生器通过平键直接与伺服电机输出轴连接，谐波减速器的柔轮直接与十字交叉轴承内圈紧固连接，谐波减速器的钢轮与十字交叉轴承的外圈紧固连接。
上述伺服式多工位转台的精度特性测试装置，包括角度编码器测量装置和电涡流位移传感器测量装置；
所述角度编码器测量装置包括角度编码器和支撑架，所述角度编码器的输入轴与多工位转盘的转轴联接，所述支撑架与角度编码器壳体及机架固定连接；
所述电涡流位移传感器测量装置包括目标面板装置、传感器探头调整装置以及检测与数据采集装置；
所述目标面板装置包括目标板、可开关磁力底座、L型连接件以及检测与数据采集装置，目标板安装在L型连接件上，L型连接件与可开关磁力底座连接，所述可开关磁力底座利用电磁铁吸附在工位转盘上；
所述传感器探头调整装置包括传感器探头、悬臂、旋转轴和支撑架，所述旋转轴枢接于支撑架上，所述支撑架安装在固定盘上并靠近多工位转盘的外边缘；
所述检测与数据采集装置包括电涡流传感器信号放大器模块、A/D转换板卡以及工控机。
电涡流位移传感器探头感应到目标板的距离，转化为较弱的模拟量电信号，经信号放大器模块后输出为较强的模拟量信号，经A/D转换板卡后，转换成可供工控机处理的数字量，在工控机上显示和存储。
具体地，所述悬臂包括第一旋转臂和第二旋转臂，所述第一旋转臂和第二旋转臂通过螺纹连接，所述螺纹上套设有用于将第一旋转臂与第二旋转臂相对锁紧固定的锁紧螺母，所述第一旋转臂用于调整传感器探头平面的倾角，所述第二旋转臂与旋转轴垂直连接。
上述的伺服式多工位转台的工作方法，是在光电开关和电机编码器信号的共同作用下，将多工位转盘复位到原始位置，消除转盘位置的原始误差；伺服电机经谐波减速器装置和十字交叉轴承传动后，驱动多工位转盘按照设置的分度数、转动方向和动停比进行间歇分度运动，在每次分度运动时，多工位转盘均按照S型曲线加减速启动和停止。
上述伺服式多工位转台精度特性测试装置的工作方法，是在多工位转盘进行间歇分度转动时，角度编码器将多工位转盘的角度变化转换成脉冲信号进行输出，对多工位转盘的运动误差进行测量；目标面板装置通过磁力底座吸附在多工位转盘表面，多工位转盘旋转一周，通过电涡流位移传感器通过对目标面板的位置变化的测量，间接测量出多工位转盘的重复位置误差。
使用时，本发明的伺服式多工位转台及其精度特性测试装置，包括伺服式多工位转台装置、角度编码器测量装置以及电涡流位移传感器测量装置。伺服式多工位转台装置包括机架以及设置在机架上的固定盘、谐波减速器、伺服电机、电机座、垫圈、十字交叉滚子轴承、多工位转盘、法兰轴以及原点复位装置。
其中，伺服式多工位转台装置由伺服电机驱动，经谐波减速器装置和十字交叉轴承传动后，驱动多工位转盘进行间歇分度运动；伺服电机自带电机编码器，作为其旋转运动的反馈装置，经伺服驱动器组成闭环控制系统；伺服电机同心安装在电机座上，电机座与谐波减速器的钢轮同心安装，伺服电机输出轴与谐波减速器波发生器同心安装，并且通过平键传动，谐波减速器的钢轮安装垫圈上，垫圈固定连接在固定盘上，谐波减速器柔轮与十字交叉轴承的内圈相连，十字交叉轴承的外圈固定在谐波减速器钢轮上，多工位转盘由十字交叉轴承的内圈支撑，并通过螺栓紧固连接，法兰轴同时与十字交叉轴承内圈中心孔和多工位转盘中心孔配合，保证多工位转盘和减速器柔轮同心安装，确保传动的精确性。多工位转盘上均匀分布螺纹连接孔与定位销安装孔，定位销孔用于夹具安装的精确定位，螺纹孔用于夹具的安装固定。
原点复位装置由光电开关信号与电机编码器信号组合作用，进行多工位转盘的原点复位动作，当伺服式多工位转台接到复位指令时，多工位转盘以较大转速旋转，当触发到光电开关信号时，多工位转盘降低到较小转速继续旋转，直到触发电机编码器的Z+相信号，多工位转盘到达原点位置，停止运行。这种原点复位方式在不增加硬件的情况下，将定位精度大大的提高。
角度编码器测量装置包括与法兰轴嵌套安装的编码器轴、与编码器轴嵌套安装的角度编码器、角度编码器支撑架、角度编码器支座以及控制和显示装置。角度编码器的内圈与编码器轴嵌套配合，并通过螺钉紧固，角度编码器外壳安装固定在角度编码器支撑架上，角度编码器支撑架安装在角度编码器支座上，角度编码器支座安装固定在固定盘上，编码器轴与法兰轴嵌套配合安装，并通过螺钉紧固；编码器控制与显示装置包括鉴相电路、倍频电路、计数电路、STC89C52控制模块、上位机采集模块以及液晶显示模块。
电涡流位移传感器测量装置包括目标面板装置、传感器探头调整装置以及控制和显示装置。目标面板装置包括目标板、可开关磁力底座以及L型连接件，目标板安装在L型连接件上，L型连接件与可开关磁力底座连接，当处于关断状态时，磁力底座与多工位转盘间具有较小的吸力，目标面板装置能够在多工位转盘面上移动，当处于打开状态时，磁力底座与多工位转盘间具有较大的吸力，目标面板装置能够在多工位转盘面上相对固定；传感器探头调整装置包括传感器探头、第一悬臂、第二悬臂、锁紧螺母、旋转轴、轴承、支座以及连接件，传感器探头连接在第一旋转臂上，第一旋转臂通过螺纹连接与第二旋转臂上，锁紧螺母置于第一旋转臂与第二旋转臂之间，通过调整第一旋转臂可以调整传感器探头平面的倾角，锁紧螺母能够将第一旋转臂与第二旋转臂相对锁紧固定；第二旋转臂与旋转轴垂直连接，旋转轴通过轴承安装在支撑架上，支撑架安装在固定盘上。所述的检测与数据采集装置包括电涡流传感器信号放大器模块、A/D转换板卡以及工控机，电涡流位移传感器探头感应到目标板的距离，转化为较弱的模拟量电信号，经信号放大器模块后输出为较强的模拟量信号，经A/D转换板卡后，转换成可供工控机处理的数字量，在工控机上显示和存储。
本发明的伺服式多工位转台装置由控制箱进行控制，通过控制箱的交互界面设置转台的工位数、转动方向、动停比等参数后，按下原点复位按钮，转台在光电开关和电机编码器信号的共同作用下，可将多工位转盘复位到原始位置，消除转盘位置的原始误差；按下启动按钮，转台启动运行，多工位转盘按照设置的分度数、转动方向和动停比进行间歇分度运动，在每次分度运动时，多工位转盘均按照S型曲线加减速启动和停止，避免了多工位转盘快速启动和停止时，造成的冲击和振动噪声，同时也保证了转台的动态精度和稳定性。
角度编码器内圈嵌套安装在编码器轴上，编码器轴嵌套安装在法兰轴上，角度编码器外壳与角度编码器支撑架固定连接，角度编码器支撑架固定安装在支座上，支座固定安装在固定盘上。法兰轴与多工位转盘连接，当多工位转盘进行间歇分度转动时，角度编码器将多工位转盘的角度变化转换成脉冲信号进行输出，从而可以对多工位转盘的运动误差进行测量。目标面板装置通过磁力底座能够吸附在多工位转盘表面，转盘旋转一周，目标面板装置理论上应该与其初始位置重合，但是由于多工位转盘存在分度误差，导致目标面板与其初始位置存在偏差，通过电涡流位移传感器通过对目标面板的位置变化的测量，间接测量出多工位转盘的重复位置误差。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、运动精度高、柔性好。本发明采用伺服电机与谐波减速器组合驱动多工位转盘，由于伺服电机具有较高的运动分辨率，并且谐波减速器具有较小的传动误差；采用光电开关和电机编码器组合作用的原点复位装置，使得多工位转盘的定位精度得到大大提高，所以多工位转盘的间歇分度转动具有较高的精度。在不改动机械结构的情况下，可以实现不同分度数的、动停比、运动方向的间歇转动，具有较好的柔性。
2、冲击噪声小、使用寿命长。本发明的多工位转盘能够按照S型加减速曲线进行间歇分度运动，避免了在分度运动起始和停止时，因加速度突变导致多工位转盘的冲击振动和噪声，同时也延长了装置的使用寿命。
3、结构简单紧凑、维护方便。本发明有伺服电机直接与谐波减速器连接，并且采用十字交叉轴承支撑多工位转盘旋转，与传统的多工位转台装置相比，涉及的零件数量小，传动环节少，结构简单，安装紧凑，占用空间小，同时装置的检修和维护也很方便。
4、角度编码器测量装置，由于采用高精度的角度编码器和倍频电路使得测量精度大大提高，使用鉴相电路使得该装置能够进行多工位转盘转动的双向测量，避免了因抖动和反向振动引起的测量误差，使用液晶显示模块能够直观的实时观察测量值，使用MAX232通信和上位机数据采集模块，能够实时的保存各采样时刻的测量值，便于分析计算多工位转台装置的动态特性。
5、电涡流位移传感器测量装置，能够调整电涡流位移传感器探头与目标面的平行关系，减小了因探头与目标面夹角而引入的测量误差。由于采用信号放大、A/D转换板卡和工控机的信号采集与存储方式，能够准确实时的记录测量数据，特别是可以精确测量多工位转盘间歇运动启动和停止时转盘的振动波形，对分析和提高多工位转台装置的响应特性和动态精度提供数据参考。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的伺服式多工位转台及其精度特性测试装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的前视示意图；
图3是本发明的俯视示意图；
图4是本发明的左视示意图；
图5是本发明的后视示意图；
图6是本发明的仰视示意图；
图7是图5中B-B处的剖面结构示意图；
图8是图7中圆圈处所示的局部放大图；
图9是本发明的多工位转盘S型加减速运动曲线图；
图10是本发明的角度编码器测量装置的控制与显示模块方框图；
图11是本发明的电涡流位移传感器测量装置的检测与显示模块方框图；
图中：地脚1、铝型材2、多工位转盘3、固定盘4、角度编码器支座5、角度编码器支撑架6、法兰轴7、角度编码器8、编码器轴9、垫块10、挡片11、光电开关12、第一旋转臂13、锁紧螺母14、第二旋转臂15、旋转轴16、支座17、目标板18、L型连接件19、可开关磁力底座20、伺服电机21、轴承22、电涡流位移传感器探头23、电机编码器24、电机座25、谐波减速器波发生器26、谐波减速器钢轮27、十字交叉滚子轴承内圈28、十字交叉滚子轴承外圈29、谐波减速器柔轮30、垫圈31。
具体实施方式
实施例：
本实施例的伺服式多工位转台及其精度特性测试装置如图1-8所示，该装置包括机架以及设置在机架上的固定盘、谐波减速器、伺服电机、十字交叉滚子轴承、多工位转盘、法兰轴、安装在法兰轴上的角度编码器、安装在固定盘上的电涡流位移传感器测量装置、目标面板装置、原点复位装置以及控制和检测电路。机架包括地脚1、铝型材2以及连接件；谐波减速器由钢轮27、柔轮30和波发生器26组成；电涡流位移传感器测试装置包括传感器探头23、第一旋转臂13、第二旋转臂15、锁紧螺母14、旋转轴16、轴承22以及支座17；目标面板装置包括目标板18、L型连接件19以及可以开关的磁力底座20；原点定位装置包括光电开关12、挡片11、垫块10以及电机编码器24。
伺服电机21安装在电机座25上，电机座25通过螺栓连接在谐波减速器钢轮27上，伺服电机21的输出轴通过键连接于谐波减速器波发生器26的中心孔，谐波减速器钢轮27通过垫圈31安装在固定盘4上，谐波减速器柔轮30连接于十字交叉轴承内圈28，十字交叉轴承内圈28安装在谐波减速器钢轮27上，多工位转盘3同心安装在十字交叉轴承内圈28上，法兰轴7同时与十字交叉轴承内圈28孔和多工位转盘3的中心孔配合，保证多工位转盘3与十字交叉轴承内圈28同心旋转。
角度编码器8嵌套安装在编码器轴9上，编码器轴9嵌套安装在法兰轴7上，角度编码器外壳与角度编码器支撑架6固定连接，角度编码器支撑架6固定安装在支座5上，支座5固定安装在固定盘4上。法兰轴7与多工位转盘3连接，当多工位转盘3进行间歇分度转动时，角度编码器8将多工位转盘3的角度变化转换成脉冲信号进行输出，从而可以对多工位转盘的运动误差进行测量。
在控制箱设置好伺服式多工位转台装置的工位数、转动方向和动停比等运行参数，进一步按下复位按钮，伺服电机21以较快的速度旋转，经谐波减速器后驱动多工位转盘3以较快的速度n 1 旋转，当挡片11触发到光电开关12后，伺服电机21降速运行，经谐波减速器后驱动多工位转盘3以较慢的速度n 2 旋转，直到检测到电机编码器24的输出Z+信号，转盘停止，恢复到起始位置。进一步，按下启动按钮，伺服电机21启动运行，经谐波减速器驱动多工位转盘3进行间歇分度转动，多工位转盘3每次分度转动均按照S型曲线进行加减速运动，可以避免转台的冲击和振动噪声，有益于提高转台装置的分度精度和稳定性。
电涡流位移传感器测量装置中传感器探头23安装在第一旋转臂13上，第一旋转臂13通过螺纹连接于第二旋转臂15上，锁紧螺母14安装于第一旋转臂13与第二旋转臂15之间，通过旋转第一旋转臂13可以调整传感器探头23平面的倾角，当调整电涡流位移传感器探头23平面与目标板18平行时，旋紧锁紧螺母14将第一旋转臂13与第二旋转臂15相对锁紧固定；第二旋转臂15安装在旋转轴16上，能够跟随旋转轴16旋转，当目标板18与电涡流位移传感器探头23平行，且距离约在量程的一半时，将磁力底座20打开，目标面板装置吸附在多工位转盘3上，记录此时电涡流位移传感器的读数值，然后将旋转轴16旋转半周，使电涡流位移传感器探头23不能干扰目标面18和多工位转盘3的旋转，当多工位转盘3旋转一周，放下第一旋转臂13，使电涡流位移传感器探头23对准目标板18，记录此时传感器的读数，则两次读数的差值即为转台在此工位的重复误差值。
如图9所示，为多工位转盘进行分度运转时的角位移曲线、角速度曲线、角加速度曲线以及加加速曲线图，0~t 1为转盘的一个分度运动周期，在0~t 1时间段内，转盘为加加速运动，在t 1 ~t 2时间段内，转盘为减加速运动，在t 2 ~ t 3时间段内，转盘为匀速运动，在t 3 ~t 4时间段内，转盘为加减速运动，在t 4 ~t 5时间段内，转盘为减减速运动。
如图10所示，编码器控制与显示装置包括鉴相电路、倍频电路、计数电路、STC89C52控制模块、上位机采集模块以及液晶显示模块。
如图11所示，检测与数据采集装置包括电涡流传感器信号放大器模块、A/D转换板卡以及工控机，电涡流位移传感器探头感应到目标板的距离，转化为较弱的模拟量电信号，经信号放大器模块后输出为较强的模拟量信号，经A/D转换板卡后，转换成可供工控机处理的数字量，在工控机上显示和存储。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种伺服式多工位转台，包括机架和设置的机架上的固定盘，所述固定盘上安装有多工位转盘，其特征在于：所述机架上安装有伺服电机，所述伺服电机通过谐波减速器与多工位转盘传动联接；所述多工位转盘与固定盘之间还安装有光电开关，所述伺服电机的输出轴上安装有电机编码器，所述光电开关与电机编码器组成原点复位装置；所述谐波减速器的波发生器通过平键直接与伺服电机输出轴连接，谐波减速器的柔轮直接与十字交叉轴承内圈紧固连接，谐波减速器的钢轮与十字交叉轴承的外圈紧固连接；
所述伺服式多工位转台的精度特性测试装置，包括角度编码器测量装置和电涡流位移传感器测量装置；
所述角度编码器测量装置包括角度编码器和支撑架，所述角度编码器的输入轴与多工位转盘的转轴联接，所述支撑架与角度编码器壳体及机架固定连接；
所述电涡流位移传感器测量装置包括目标面板装置、传感器探头调整装置以及检测与数据采集装置；
所述目标面板装置包括目标板、可开关磁力底座、L型连接件以及检测与数据采集装置，目标板安装在L型连接件上，L型连接件与可开关磁力底座连接，所述可开关磁力底座利用电磁铁吸附在工位转盘上；
所述传感器探头调整装置包括传感器探头、悬臂、旋转轴和支撑架，所述旋转轴枢接于支撑架上，所述支撑架安装在固定盘上并靠近多工位转盘的外边缘；
所述检测与数据采集装置包括电涡流传感器信号放大器模块、A/D转换板卡以及工控机；
还包括编码器控制与显示装置，所述编码器控制与显示装置包括鉴相电路、倍频电路、计数电路、STC89C52控制模块、上位机采集模块以及液晶显示模块；
所述悬臂包括第一旋转臂和第二旋转臂，所述第一旋转臂和第二旋转臂通过螺纹连接，所述螺纹上套设有用于将第一旋转臂与第二旋转臂相对锁紧固定的锁紧螺母，所述第一旋转臂用于调整传感器探头平面的倾角，所述第二旋转臂与旋转轴垂直连接；
所述伺服式多工位转台的工作方法，是在光电开关和电机编码器信号的共同作用下，将多工位转盘复位到原始位置，消除转盘位置的原始误差；伺服电机经谐波减速器装置和十字交叉轴承传动后，驱动多工位转盘按照设置的分度数、转动方向和动停比进行间歇分度运动，在每次分度运动时，多工位转盘均按照S型曲线加减速启动和停止；
当多工位转盘进行间歇分度转动时，角度编码器将多工位转盘的角度变化转换成脉冲信号进行输出，对多工位转盘的运动误差进行测量；目标面板装置通过磁力底座吸附在多工位转盘表面，多工位转盘旋转一周，通过电涡流位移传感器通过对目标面板的位置变化的测量，间接测量出多工位转盘的重复位置误差。
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