基于時柵的雙回轉(zhuǎn)工作臺設計

朱革，吳武峰，周啟武

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

目前國內(nèi)外的回轉(zhuǎn)工作臺即第四軸，通常只有一個工作臺或者一個回轉(zhuǎn)軸，這往往不能滿足一些特殊領域的專用儀器的特殊要求，比如，材料分析領域中用到的X 射線衍射儀的測角儀，這類儀器不僅要求具有高精度的角度測量功能，還要求具有兩個負載工作臺，并以1∶ 2 的角速度比聯(lián)合驅(qū)動，在聯(lián)合驅(qū)動過程中注重角度關系的配合以及測量的精度，對裝置自身的定位要求并不高。若將測角儀的定位精度加以改善，其實質(zhì)便是一種特殊的精密轉(zhuǎn)臺裝置。

文中設計的雙回轉(zhuǎn)工作臺，采用同心同軸結構設計，雙軸通過兩臺步進電機獨立控制，可同時同向旋轉(zhuǎn)也可同時逆向旋轉(zhuǎn)，通過控制電機的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)雙軸以1∶ 2 的角速度比聯(lián)合驅(qū)動，再結合作者具有自主知識產(chǎn)權的時柵角位移測量技術［1］，使得雙回轉(zhuǎn)工作臺具備了測角儀的基本功能。

1 雙回轉(zhuǎn)臺需實現(xiàn)的基本功能和技術要求

雙回轉(zhuǎn)臺需要實現(xiàn)X 射線衍射儀中測角儀的基本功能：(1) θ-2θ 聯(lián)動功能［2］。這種θ -2θ 聯(lián)動功能見圖1。樣品隨內(nèi)轉(zhuǎn)臺繞中心O 軸作θ 轉(zhuǎn)動，同時探測器隨外轉(zhuǎn)臺繞中心O 軸作2θ 轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，內(nèi)外轉(zhuǎn)臺的角速度始終保持1∶ 2 的比值。(2)高精度角度測量功能。測角準確度優(yōu)于0.001°，角度測量的重現(xiàn)性優(yōu)于±0.000 2°。(3) 其他要求。內(nèi)轉(zhuǎn)臺承載力不小于1 500 N，外轉(zhuǎn)臺承載力不小于200 N，內(nèi)轉(zhuǎn)臺600 mm 高度處的圓心全跳動小于12 μm，安裝在外轉(zhuǎn)臺的探臂圓心全跳動小于12 μm，內(nèi)外轉(zhuǎn)臺的同軸度在5～10 μm 之間。

圖1 X 射線衍射測角儀θ-2θ 聯(lián)動

2 雙回轉(zhuǎn)臺的工作原理及設計方案

雙回轉(zhuǎn)臺的工作原理是：在工作臺啟動前，內(nèi)外轉(zhuǎn)臺的位置均處于初始位置0°線;啟動后，脈沖信號驅(qū)動步進電機1 和9 分別以v 和2v 的速度工作，步進電機通過兩組具有相同減速比的齒輪減速裝置(同步帶輪) 2、3、10、11 進行第一級減速，再通過具有相同傳動比的蝸輪蝸桿副6、7、12、13 進行第二級減速，動力通過軸驅(qū)動內(nèi)外工作臺實現(xiàn)θ 轉(zhuǎn)動和2θ 轉(zhuǎn)動，在傳動過程中內(nèi)外轉(zhuǎn)臺始終保持1∶ 2 的角速度比，從而實現(xiàn)θ-2θ 聯(lián)動。雙回轉(zhuǎn)臺的設計方案如圖2 所示。

圖2 雙回轉(zhuǎn)臺的設計方案圖

3 雙回轉(zhuǎn)臺的結構設計

根據(jù)設計要求，雙回轉(zhuǎn)臺的步距角小于0.001°，故可選擇步距角θ=0.9°的步進電機與傳動比為1 000的減速裝置，折算到轉(zhuǎn)臺的步距角為Δθ=0.000 9°≤0.001°，轉(zhuǎn)臺一次定位所輸出的脈沖總數(shù)為N=s/Δθ，其中s 為轉(zhuǎn)臺該次定位的驅(qū)動位移量。

3.1 雙回轉(zhuǎn)臺的總體結構設計

綜合考慮雙回轉(zhuǎn)臺的外形尺寸要求，以及保證雙回轉(zhuǎn)臺具有較高的同軸度和較小體跳動誤差，設計出如圖3 所示的機械結構。

圖3 機械結構圖

圖中，內(nèi)外轉(zhuǎn)臺分別與軸Ⅰ和軸Ⅱ相連，軸Ⅰ和軸Ⅱ分別通過YRT100 軸承和YRT200 軸承與臺體相連，在軸Ⅰ和軸Ⅱ上又分別連接有蝸輪蝸桿副和時柵傳感器Ⅰ、Ⅱ。從圖中還可以看出，軸Ⅰ和軸Ⅱ擁有相同的中心軸，外轉(zhuǎn)臺套在內(nèi)轉(zhuǎn)臺外面，并且內(nèi)外轉(zhuǎn)臺相互獨立，這就是前面所說的同心同軸結構。這種相互獨立的結構設計，在實現(xiàn)聯(lián)動功能上，不再依靠機械上的聯(lián)動方式，而是通過控制內(nèi)外轉(zhuǎn)臺各自的角速度來實現(xiàn)，控制起來更加靈活多變、互不影響。

3.2 傳動比分配及傳動齒輪參數(shù)設計

內(nèi)外轉(zhuǎn)臺采用相同技術參數(shù)的減速齒輪裝置。一級減速采用3M 圓弧齒形同步帶：小帶輪齒數(shù)Z1=24，分度圓直徑D1=23 mm，大帶輪齒數(shù)Z2=96，分度圓直徑D2=92 mm，傳動比i1=4;二級減速采用蝸輪蝸桿副：蝸桿頭數(shù)：z1=1，分度圓直徑d1=30 mm，蝸輪齒數(shù)z2=250，蝸輪分度圓直徑d2=250 mm，傳動比i2=250;總的傳動比i=i1×i2=1 000。

3.3 電機的選型

根據(jù)前面所述，采用的步進電機必須克服低速爬行問題。德國的百格拉三相混合步進電機采用交流伺服控制原理，幾乎無共振區(qū)、無爬行、無噪聲，具有高速扭矩大、啟動頻率高、驅(qū)動器可靠性好、性價比高等優(yōu)點［3］，故為雙回轉(zhuǎn)工作臺選用百格拉步進電機作為驅(qū)動元件。

3.3.1 內(nèi)轉(zhuǎn)臺電機的選型

內(nèi)轉(zhuǎn)臺零部件總質(zhì)量30.48 kg，由三維軟件可得內(nèi)環(huán)零件的轉(zhuǎn)動慣量：

最大負載m1=150 kg，負載半徑為r1=0.1 m，負載的轉(zhuǎn)動慣量：

負載和內(nèi)轉(zhuǎn)臺零件總的轉(zhuǎn)動慣量之和：

驅(qū)動負載和內(nèi)轉(zhuǎn)臺零件的所需的轉(zhuǎn)矩：

其中：ε 為負載和內(nèi)環(huán)零件的啟動加速度，ε'為電機軸端的加速度，傳動比i=1 000，百格拉步進電機空載下的最高啟動速度n=6.3 r/s，最高啟動頻率f≈8.5 kHz，YRT 回轉(zhuǎn)軸承的啟動摩擦力矩通常為工作力矩的2.5 倍，即Mf=2.5 ×3 N·m=7.5 N·m;因此電機軸端所需的靜力矩：

這里計算的電機軸端所需的靜力矩，是通過空載下最高啟動速度和最高啟動頻率計算得出的，而實際上電機在帶負載的情況下啟動速度和啟動頻率要小很多，因此實際所需的電機軸端靜力矩應比0.34 N·m小很多，故選擇德國百格拉三相混合步進電機VRDM364/50LH，其最大靜力矩為Mmax=0.51 N·m，足夠滿足上述要求［4］。

3.3.2 外轉(zhuǎn)臺電機的選型

同理，可根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)臺電機的選型方法來確定外轉(zhuǎn)臺電機的型號。外轉(zhuǎn)臺零部件總質(zhì)量50.89 kg，轉(zhuǎn)動慣量1.19 kg·m2;負載探臂可看成是長度為361.5 mm 的一根細直桿，其近端點固定在外轉(zhuǎn)臺上，并隨外轉(zhuǎn)臺繞軸心旋轉(zhuǎn)，近端點與軸心的距離為138.5 mm，最大載質(zhì)量20 kg，通過計算可得負載的轉(zhuǎn)動慣量約為2.26 kg·m2，折算到電機軸端所需的最大靜力矩約為0.4 N·m。因此外轉(zhuǎn)臺電機同樣選用德國百格拉三相混合步進電機VRDM364/50LH。

3.4 測量元件的選擇

雙回轉(zhuǎn)臺的θ-2θ 聯(lián)動功能必須要有高精度的測量元件作保證。目前，國際上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺所用的測量元件主要有兩類：(1) 光電編碼器和光柵尺;(2)由旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器構成的測角系統(tǒng)［5］。X 射線衍射儀的測角儀通常選用光電編碼器。但光電編碼器通常對環(huán)境的要求比較苛刻，而旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器的組合對自身的安裝要求比較高，因此，雙回轉(zhuǎn)臺選用時柵作為測量元件。時柵是一種全新原理的角位移傳感器，它“以時間測量空間”，因徹底回避了精密機械刻線而使加工難度和成本大大降低，抗油污粉塵能力強，智能化程度高［6］。2004年5 月，時柵傳感器樣機經(jīng)法定權威檢測部門——中國測試技術研究院檢定精度為±0.8″，達到計量光柵水平。圖4為選用的場式時柵的原理示意圖［7］。

圖4 場式時柵原理示意圖

3.5 軸承的選擇

雙回轉(zhuǎn)工作臺需要選擇與回轉(zhuǎn)軸在尺寸上保持一致的軸承，同時還需要保證轉(zhuǎn)臺具有高軸向和徑向的承載力，以及高旋轉(zhuǎn)精度。P2 級精度的YRT 推力向心軸承，該型軸承具有高軸向和徑向承載能力、高傾斜剛度和極高的精度，適用于回轉(zhuǎn)工作臺、卡盤和鐵刀頭以及測量和實驗中的軸承配置。表1 為選用的YRT100 和YRT200 推力向心軸承的參數(shù)，可以看出：該軸承的承載力滿足前文中對雙回轉(zhuǎn)臺負載質(zhì)量的要求。又雙回轉(zhuǎn)臺選用的步進電機，其最高轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，經(jīng)過減速裝置減速后，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的最高轉(zhuǎn)速為3.6 r/min，遠遠小于軸承的極限轉(zhuǎn)速，故YRT 推力向心軸承符合雙回轉(zhuǎn)臺的設計要求。此外，在安裝YRT 推力向心軸承時需控制安裝螺釘?shù)呐ぞo力矩，盡量使轉(zhuǎn)臺軸承的預緊應力為螺栓屈服極限的70%，這樣，一方面能滿足螺栓最大軸向應力的要求，另一方面也可有效降低其最大交變應力，提高螺栓的疲勞壽命［8］。

表1 軸承參數(shù)

4 轉(zhuǎn)臺精度分析

設計的雙回轉(zhuǎn)臺主要面向衍射儀中的測角儀，因此，對雙回轉(zhuǎn)臺的測量精度和旋轉(zhuǎn)精度要求比較高，而對雙回轉(zhuǎn)臺的定位精度沒有提出特殊要求。雙回轉(zhuǎn)臺的測量精度主要取決于選用的時柵角位移傳感器的精度，目前時柵轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性可達±0.5″，高于雙回轉(zhuǎn)臺±0.000 2° (±0.72″) 的重現(xiàn)性精度。雙回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)精度主要有以下兩個影響因素：(1) 從3M圓弧齒形同步帶的小帶輪開始，到內(nèi)外工作臺之間的傳動誤差，這里主要是蝸輪蝸桿副的傳動精度影響比較大，因此，有必要保證蝸輪蝸桿副的加工精度以及安裝精度。(2) 轉(zhuǎn)臺軸的垂直度、徑向跳動和軸向晃動都會影響轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)精度，因此，在保證回轉(zhuǎn)軸加工精度的同時，還需要對軸和軸承的安裝進行反復的調(diào)試。此外，雙回轉(zhuǎn)臺作為測角儀，外轉(zhuǎn)臺是安裝探測器的地方，故外轉(zhuǎn)臺的圓度要求要比內(nèi)轉(zhuǎn)臺的高。

5 結束語

基于時柵的雙回轉(zhuǎn)工作臺是一種全新的回轉(zhuǎn)工作臺，其同心同軸結構設計及具有的獨立回轉(zhuǎn)功能，是對傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)工作臺作為第四軸在功能上的延伸，在精密機床加工領域以及角度計量領域都有著較大的參考和應用價值。

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