基于弧面凸輪的高精度4位置定位裝置設(shè)計*

黃 帥，楊 微，呂向飛

(1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，江西 九江 332007；2.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

0 引言

近年來，許多學(xué)者對光纖陀螺尋北儀轉(zhuǎn)位裝置機械結(jié)構(gòu)、電氣控制、環(huán)境適應(yīng)性等問題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并取得了大量的研究成果。在尋北儀轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計中，需要將水平面內(nèi)某一圓周上的0°、90°、180° 及270°這4個位置分別進(jìn)行尋北操作，因此尋北儀對4個位置的定位精度和重復(fù)定位精度提出了嚴(yán)格要求。

目前尋北儀4位置轉(zhuǎn)位機構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)編碼器法、槽輪圓盤V形槽法、多齒分度法等。文獻(xiàn)[1-2]提出了采用基于旋轉(zhuǎn)編碼器法或光柵定位，同時機械結(jié)構(gòu)具有自鎖功能，該定位方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)動體旋轉(zhuǎn)速度低、轉(zhuǎn)位時間較長。由于引入精密位置反饋元件，其環(huán)境適應(yīng)性受到一定限制，且成本較高。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用槽輪機構(gòu)與圓盤定位V形槽相結(jié)合的新型轉(zhuǎn)位與精密定位機構(gòu)，該裝置將片簧、V形槽與圓柱面配合作為最終精密定位機構(gòu)，該方式抗沖擊、振動等力學(xué)實驗?zāi)芰θ?，不利于尋北儀的惡劣環(huán)境條件使用。

文獻(xiàn)[4-5]基于多齒分度技術(shù)的高精度角度定位裝置，通過控制電路對轉(zhuǎn)位電機和升降電機的控制，實現(xiàn)多位置高精度角度定位。盡管該機構(gòu)具有鎖緊穩(wěn)定性強、分度精度和重復(fù)定位精度高等特點，但該裝置內(nèi)的齒盤加工周期長，成本昂貴。

本文基于精密弧面分度凸輪，提出了一種全新的4位置定位裝置，該裝置通過偏心軸套機構(gòu)使分度盤上兩相鄰精密滾針軸承與弧面分度凸輪左右槽面預(yù)壓接觸，實現(xiàn)零間隙傳動。與傳統(tǒng)分度裝置相比較，該裝置具有精度高、成本低，結(jié)構(gòu)簡單等特點。為了驗證該裝置的有效性、可靠性和精確性。在雷尼紹XL-80激光干涉儀上對其進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明：該裝置的最大分度誤差優(yōu)于32"，重復(fù)定位精度優(yōu)于14"，具有極強的工程實踐價值。

1 4位置定位裝置設(shè)計

4位置定位裝置主要由精密定位機構(gòu)、蝸輪蝸桿[6]、步進(jìn)電機及機械開關(guān)等組成，定位裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4位置定位裝置結(jié)構(gòu)圖

高精度4位置定位裝置工作原理如下：首先系統(tǒng)上電回零，然后步進(jìn)電機通過蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)帶動精密定位機構(gòu)輸入軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)一周后觸碰到機械開關(guān)，步進(jìn)電機停止運動，精密定位機構(gòu)輸出軸旋轉(zhuǎn)90°。重復(fù)上述動作，最終實現(xiàn)4位置分度和定位。

1.1 精密定位機構(gòu)的設(shè)計

精密定位機構(gòu)是實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和定位的核心部件，其由一個輸入軸(弧面分度凸輪)及一個輸出軸(分度盤)組成，輸入軸上凸輪槽表面與分度盤上滾針軸承外環(huán)表面呈線接觸嚙合，從而驅(qū)動分度盤轉(zhuǎn)動?；∶嫱馆啺惭b在偏心軸套上，偏心軸套機構(gòu)如圖2所示。偏心軸套內(nèi)圈軸線與弧面凸輪軸線重合，外圈與箱體孔軸線重合，偏心軸套內(nèi)圈軸線與外圈軸線存在偏心量，在裝配過程中，將顯示劑(紅丹粉)涂抹在滾針軸承上，檢測弧面凸輪接觸斑點，根據(jù)接觸斑點調(diào)整偏心軸套的周向位置，從而改變分度盤中心到弧面分度凸輪的中心距離，使分度盤上兩相鄰精密滾針軸承與弧面分度凸輪左右槽面預(yù)壓接觸，實現(xiàn)左右兩邊互鎖，確保零間隙。

圖2 弧面凸輪偏心機構(gòu)

精密定位機構(gòu)原理示意如圖3所示，精密定位機構(gòu)主要由弧面分度凸輪、分度盤、滾針軸承、轉(zhuǎn)臺軸承和圓錐滾子軸承等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 精密定位機構(gòu)原理圖

圖4 精密定位機構(gòu)示意圖

1.2 精密弧面分度凸輪三維建模

精密弧面分度凸輪空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多利用改裝機床采用范成法加工，生產(chǎn)效率低下且精度差，針對現(xiàn)有問題對精密弧面分度凸輪采用五軸加工中心加工。因此必須對精密弧面分度凸輪進(jìn)行精確建模。

常用精密弧面分度凸輪曲線類型有三種：變梯形曲線、變正弦曲線、變等速曲線。本文采用變正弦曲線運動規(guī)律，精密弧面分度凸輪為主動件，連續(xù)轉(zhuǎn)動，分度盤為從動件，間隙式運動。α為分度盤轉(zhuǎn)角為90°，θ為凸輪轉(zhuǎn)角，φ為凸輪動程角(常數(shù))為120°，α，θ兩者之間的關(guān)系遵循以下規(guī)律[7-8]。

(1)

精密定位機構(gòu)執(zhí)行分度運動時，分度盤上每個滾針軸承軸線掃過的軌跡是一空間曲面，其素線均為直線。并根據(jù)精密凸輪工作輪廓與滾子圓柱形工作面的共軛接觸方程式，最終得到精密凸輪工作輪廓的曲面方程式為：

x=x2cosφcosθ-y2sinφcosθ-z2sinθ-Ccosθ
y=-x2cosφsinθ+y2sinφsinθ-z2cosθ+Csinθ
z=x2sinφ+y2cosφ

(2)

x2=r
y2=ρcosψ
z2=ρsinψ

(3)

式(2)、式(3)中：r，ψ為滾子圓柱形工作面方程式的曲面參數(shù)；ρ為滾針軸承半徑為22mm；C為凸輪到分度盤中心的距離為180mm。

由以上公式可求得所有滾子軸線與圓柱面交點的軌跡方程，通過對應(yīng)的多條軌跡曲線做曲面，然后通過PRO/E實體化，修剪，從而求得精密弧面分度凸輪的精確三維模型如圖5所示。

(a) 凸輪廓面曲線 (b) 凸輪三維模型 圖5 精密凸輪廓面曲線與三維實體模型

精密凸輪要求心部具有良好綜合力學(xué)性能，且配合曲面要有高硬度和耐磨性，故材料選擇38CrMoAl,通過5軸加工中心DMU60mono BLOCK加工該凸輪，最后表面做滲氮處理。

1.3 電纜輸出與限位

光纖陀螺的電纜從分度盤中心軸孔引出，直接連接在固定插座上，分度盤工作時，轉(zhuǎn)動3個位置，電纜一端固定，另一端隨分度盤轉(zhuǎn)動。限位器安裝在分度盤下部，保證分度盤在4位置內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)。

2 高精度角度定位控制

圖6 電氣原理框圖

圖7 4位置定位裝置軟件控制流程圖

定位裝置的控制通過軟件實現(xiàn)，電氣原理框圖如圖6所示。采用單片機電路，通過RS232接口與上位機通訊，接收上位機指令，驅(qū)動分度盤進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)位，并返回臺體的狀態(tài)信息。轉(zhuǎn)位控制的實現(xiàn):接收機械開關(guān)的反饋信號、對反饋信號進(jìn)行處理，并給出步進(jìn)電機驅(qū)動電路的控制信號。其軟件控制流程圖如圖7所示。

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

為驗證該定位裝置的有效及可行性，對該裝置進(jìn)行了實驗研究，實驗裝置原理框圖與實物照片如圖8、圖9所示。

圖8 實驗裝置原理示意圖 圖9 實驗裝置實物照片

實驗平臺由精密大理石平臺、XL-80激光干涉儀、XR20-W回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置和角度測量光學(xué)鏡組等輔助元件組成。實驗流程如下：將臺面及精密弧面分度凸輪機構(gòu)裝配完成后，進(jìn)行分度精度和重復(fù)分度精度檢測。將XR20-W回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置安裝在臺面上，XL-80激光頭照射在角度測量光學(xué)鏡組上。在測量時，讓分度裝置進(jìn)行4等分度運動。按照理論分度角(90°)使XR20-W回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置反轉(zhuǎn)相同角度，并通過筆記本讀出誤差值。

3.2 實驗結(jié)果與分析

實驗分別采集在0°、90°、180°及270°這4個位置實驗數(shù)據(jù)，臺面依次沿(0°→90°→180°→270°)逆時針方向循環(huán)轉(zhuǎn)5圈，結(jié)果如圖10所示。

圖10 定位誤差檢測數(shù)據(jù)圖(室溫20℃)

由圖10可見，4個位置的重復(fù)定位精度最大誤差為14"，最大分度誤差為32"，分別出現(xiàn)在180°和270°兩個位置。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于精密弧面分度凸輪機構(gòu)的4位置定位裝置，該裝置解決了傳統(tǒng)角度定位機構(gòu)加工周期長、成本高，運動機構(gòu)復(fù)雜的問題，該裝置傳動機構(gòu)采用帶偏心軸套的弧面分度凸輪機構(gòu)，一方面為驅(qū)動負(fù)載提供了較大的驅(qū)動力，同時偏心軸套實現(xiàn)滾針軸承與弧面凸輪槽面的預(yù)壓，消除傳動間隙，提高了系統(tǒng)分度精度。實驗結(jié)果表明：該裝置的重復(fù)定位精度優(yōu)于14″，最大分度誤差優(yōu)于32″，滿足了尋北儀的設(shè)計要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。