伺服滑臺(tái)的精度控制

張曉龍 艾學(xué)崇 李海南 張錦楓 宮正軍 李靖

（一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

伺服滑臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)滑臺(tái)）是汽車(chē)車(chē)身焊裝車(chē)間的常用設(shè)備，常用于夾具位置的自動(dòng)切換或作為機(jī)器人外部軸使用，具有運(yùn)行速度快、定位準(zhǔn)確、可靠耐用的特點(diǎn)?；_(tái)的滑動(dòng)部件可搭載工裝夾具或其它設(shè)備，沿滑臺(tái)軌道做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。焊裝行業(yè)對(duì)伺服滑臺(tái)定位精度要求較高，按照需要定位誤差的絕對(duì)值通常在0.02～0.50 mm之間。造成滑臺(tái)定位誤差的因素有很多，包括滑臺(tái)定位偏差、軌道偏差、基架形變、機(jī)構(gòu)磨損。由于滑臺(tái)是夾具的基礎(chǔ)，如果無(wú)法保證滑臺(tái)定位精度，整體精度就無(wú)從談起，而滑臺(tái)定位精度取決于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 伺服滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

無(wú)論是直線滑臺(tái)（圖1）還是十字軌道滑臺(tái)，其驅(qū)動(dòng)部分的構(gòu)成基本相同，都是由電機(jī)、減速器、齒輪-齒條傳動(dòng)副和精密導(dǎo)軌副構(gòu)成，只是安裝方式有所區(qū)別。

圖1 伺服滑臺(tái)

圖2所示為伺服滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。十字軌道滑臺(tái)的滑動(dòng)部件因?yàn)橐?個(gè)相垂直的方向上運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)裝置和滑動(dòng)部件可分離，2個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置用以驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)部件在各自方向上運(yùn)動(dòng)。

圖2 伺服滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

3 伺服滑臺(tái)的定位誤差分析

滑臺(tái)的定位偏差會(huì)直接造成夾具的位置誤差，對(duì)于在夾具上進(jìn)行的工藝操作有重要影響。滑臺(tái)的定位誤差主要來(lái)源于3個(gè)方面：電機(jī)定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙。

電機(jī)依靠編碼器和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制，由于傳動(dòng)系統(tǒng)存在彈性變形和間隙原因，電機(jī)制動(dòng)停止時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩，導(dǎo)致其無(wú)法快速精確到達(dá)設(shè)定的編碼值，為保證滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，調(diào)試人員會(huì)設(shè)定電機(jī)碼值偏差的允許范圍，在該范圍內(nèi)就認(rèn)為電機(jī)已經(jīng)到位，這就容易造成電機(jī)定位偏差。

在齒輪齒條嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，為保證齒輪順利轉(zhuǎn)動(dòng)，輪齒非接觸側(cè)要有一定間隙，稱(chēng)為齒隙，如圖3所示。而另一方面，齒隙的存在也導(dǎo)致齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)后滑動(dòng)部件仍有一定滑動(dòng)空間。減速器的回程間隙與齒輪齒條副齒隙概念類(lèi)似，減速箱通過(guò)齒輪組實(shí)現(xiàn)降速，其齒輪間也必然存在齒隙，當(dāng)其輸入端固定時(shí)，輸出端仍有一定回轉(zhuǎn)量。

圖3 齒輪副齒隙

以上3種因素造成的誤差隨著輸入條件的不同而不同，為較直觀展示3種因素可能造成的滑臺(tái)定位誤差，以下將焊裝常見(jiàn)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置情況設(shè)定的輸入條件，列舉3種主要因素可能造成的最大滑臺(tái)定位偏差（表1）。

表1 滑臺(tái)定位誤差示例

3.1 電機(jī)定位誤差

電機(jī)定位誤差主要受電機(jī)性能和負(fù)載-電機(jī)慣量比2個(gè)因素影響。除此之外，傳動(dòng)系統(tǒng)剛度、精度也對(duì)電機(jī)定位精度有影響。

3.1.1 電機(jī)的主要性能

表2所列為普通異步電機(jī)、異步伺服電機(jī)和同步伺服電機(jī)在輸出扭矩和響應(yīng)速度上的對(duì)比。

表2 不同類(lèi)型電機(jī)的性能

3.1.2 負(fù)載-電機(jī)慣量比

由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在彈性變形、間隙現(xiàn)象，這時(shí)就需要負(fù)載慣量和電機(jī)慣量盡可能匹配，否則電機(jī)制動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)振動(dòng)。負(fù)載-電機(jī)慣量比是指負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值，這里的負(fù)載慣量包含運(yùn)動(dòng)部件、減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量。通常計(jì)算精度要求不高時(shí)，減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量可以忽略不計(jì)。慣量比對(duì)于伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度都有影響，其值過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)甚至失控。一般，伺服滑臺(tái)的負(fù)載-電機(jī)慣量比要求在10以?xún)?nèi)，比值接近1時(shí)效果最好。

計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可參考公式（1）。

式中，Jw為運(yùn)動(dòng)部件折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量；ν為運(yùn)動(dòng)部件的直線速率；ω為對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)部件速率v的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

選擇電機(jī)時(shí)不僅需要綜合考慮電機(jī)的性能，成本的考量也很重要。對(duì)焊裝行業(yè)使用的伺服滑臺(tái)，依照其對(duì)控制精度及響應(yīng)速度的要求不同，選擇的電機(jī)也不同。當(dāng)控制精度要求很高（例如±0.02 mm）且無(wú)法使用機(jī)械輔助定位時(shí)，可以選擇高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同步伺服電機(jī)，但成本也較高。否則，可使用異步伺服電機(jī)或者加裝位置反饋編碼器的普通異步電機(jī)，滿(mǎn)足使用要求的同時(shí)，成本也能夠得到有效控制。

3.2 齒輪齒條副齒隙

齒輪齒條副齒隙無(wú)法消除，但可以降低，其主要影響因素如下。

3.2.1 安裝距極限偏差

齒輪齒條的安裝距越大齒隙越大，因此伺服滑臺(tái)的齒輪齒條設(shè)計(jì)和安裝時(shí)要保證安裝距符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。表3所列為齒輪齒條副安裝距誤差的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。

表3 齒輪安裝距極限偏差[1] μm

3.2.2 齒輪齒條的齒厚偏差

齒輪齒條的齒厚偏差取決于其加工精度，可以在設(shè)計(jì)齒輪齒條時(shí)加以限制。表4所列為齒厚極限偏差的標(biāo)準(zhǔn)公差列表[1]，其中的fpt為安裝距極限偏差。

表4 齒厚極限偏差[1]

齒條齒厚偏差標(biāo)注[1]如圖4所示，齒厚上偏差為G，齒厚下偏差為M。

圖4 齒條精度標(biāo)注示意[1]

3.2.3 模數(shù)

在齒輪精度等級(jí)一致的條件下，齒輪模數(shù)越大，齒隙越大。因此，為提高定位精度，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較小模數(shù)。

3.3 減速器的回程間隙

減速器的回程間隙，與齒輪齒條副的齒隙類(lèi)似，只能降低，無(wú)法完全消除。減速器生產(chǎn)廠家會(huì)通過(guò)提高齒輪組精度和降低裝配誤差措施制作低回程間隙（也叫低齒隙、低背隙）的減速器。表5展示3種不同精度等級(jí)減速器的回程間隙及其在上文示例條件下可能造成的滑臺(tái)定位誤差。

表5 不同精度等級(jí)減速器的誤差情況

4 伺服滑臺(tái)的精度控制方法

伺服滑臺(tái)的精度控制需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇適合的方法，最常應(yīng)用的方法有2種，一是通過(guò)控制電機(jī)定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙等的方法，實(shí)現(xiàn)提高滑臺(tái)定位精度，二是借助外部機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)二次精確定位。

4.1 高精度伺服滑臺(tái)

高精度伺服滑臺(tái)即是通過(guò)上文提到的方法一來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，精度可達(dá)±0.02 mm。在焊裝車(chē)間，高精度伺服滑臺(tái)最典型的應(yīng)用是機(jī)器人外部軸行走機(jī)構(gòu)（也稱(chēng)機(jī)器人第七軸），如圖5所示。

圖5 機(jī)器人外部軸行走機(jī)構(gòu)

高精度伺服滑臺(tái)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度，主要有以下3方面的原因。

a.采用大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同步伺服電機(jī)作為動(dòng)力，電機(jī)自身精度高，負(fù)載與電機(jī)的慣量比接近1，加之傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙小，伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度。

b.采用精密的齒輪齒條副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪齒條精度常常在國(guó)標(biāo)[2]5級(jí)及以上。高精度的齒輪齒條不僅能實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的傳動(dòng)，其較低的齒隙對(duì)于降低滑臺(tái)的誤差也起到關(guān)鍵作用。

c.采用精密的減速器，傳動(dòng)更加準(zhǔn)確，回程間隙更小。

基于以上原因，高精度伺服滑臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)行程范圍內(nèi)任意位置的準(zhǔn)確定位，作為機(jī)器人外部軸行走機(jī)構(gòu)使用時(shí)，能夠確保機(jī)器人隨時(shí)有較高的定位精度，對(duì)于其實(shí)現(xiàn)工藝操作具有重要作用。

4.2 機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)用

乘用車(chē)生產(chǎn)中，點(diǎn)定夾具的定位誤差一般不超過(guò)±0.10 mm，補(bǔ)焊夾具的定位誤差小于±0.50 mm，上件夾具的定位誤差應(yīng)小于±1.00 mm。對(duì)于夾具切換滑臺(tái)（圖6）來(lái)說(shuō)，通過(guò)控制電機(jī)定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙方法來(lái)實(shí)現(xiàn)提高滑臺(tái)定位精度的方法固然可達(dá)到，但同時(shí)也造成制作成本的急劇增加。因此，在焊裝夾具切換滑臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中常采用增加機(jī)械輔助定位的方式提高滑臺(tái)定位精度。由于夾具切換滑臺(tái)僅需在若干個(gè)固定位置停止，運(yùn)行過(guò)程中的誤差情況對(duì)使用不會(huì)造成影響，也給機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)用提供了條件。

圖6 夾具切換用伺服滑臺(tái)

圖7所示為1種常用的機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)，伸縮氣缸在滑臺(tái)基座上固定不動(dòng)，其輸出端安裝有定位銷(xiāo)，定位銷(xiāo)伸出時(shí)可與固定在滑動(dòng)部件上的U型定位塊緊密配合，實(shí)現(xiàn)給滑動(dòng)部件定位的目的。

圖7 伸銷(xiāo)輔助定位機(jī)構(gòu)

機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)的使用降低了系統(tǒng)對(duì)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定位精度的要求，表6所示為3種典型的夾具切換用伺服滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置方案。根據(jù)滑臺(tái)上所搭載夾具對(duì)定位精度的不同要求，給滑臺(tái)配備相同精度要求的機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)以及不同等級(jí)的電機(jī)和減速器，從而實(shí)現(xiàn)降低既保證使用需要又降低制造成本的目的。

表6 推薦應(yīng)用組合