基于中空旋轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)工作臺的控制與實現(xiàn)

郭慧芳，儲振

摘要：本文介紹了一種利用步進(jìn)中空平臺搭建的多工位旋轉(zhuǎn)分度臺的控制實現(xiàn)方法，配合人機(jī)界面可方便的實現(xiàn)等分或非等分的多工位加工或檢測。運(yùn)行穩(wěn)定，操控簡易，結(jié)合自動卸料的工位更可大大提高了生產(chǎn)效率降低操作人員勞動強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：中空平臺；轉(zhuǎn)矩；步距角；脈沖當(dāng)量；PLC；梯形圖

中圖分類號：TM301文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

1、引言

本文介紹了一種旋轉(zhuǎn)式工作臺,可用于需要快速自動多道加工工序的場合，例如涂膠、焊接、電子插件、加工制造領(lǐng)域。包括臺面、傳感器、機(jī)架、電機(jī)、減速機(jī)、控制與驅(qū)動裝置。多工位旋轉(zhuǎn)工作臺的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動，將工作臺面及其工件自動回轉(zhuǎn)一定角度，將其依次轉(zhuǎn)動送到各個加工位置，完成產(chǎn)品必須的加工或組裝工序?？蓪崿F(xiàn)工件一次安裝完成，甚至包括裝、卸等上、下料動作。圖1所示為十工位的旋轉(zhuǎn)工作臺。

中空旋轉(zhuǎn)平臺（圖2）是行星伺服減速機(jī)中的一個系列，可用于多種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動場合。它集高工作

效率，高精度，高性價比于一身，馬達(dá)輕松配制，承載穩(wěn)重，可搭配AC伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)做任意角度分割，重復(fù)定位精度可達(dá)5秒左右，既可滿足傳統(tǒng)凸輪分割器無法達(dá)到的變工位控制，定位精度又可媲美DD馬達(dá)，因此，可大幅度降低成本，取代DD馬達(dá)與凸輪分割器在工廠中的應(yīng)用。

中空旋轉(zhuǎn)平臺帶動的多工位旋轉(zhuǎn)工作臺應(yīng)用在自動化產(chǎn)線中，能夠避免傳統(tǒng)水平流水線的工位間傳送時間長，無法精確定位，占用場地大等缺陷，

并能夠克服分割器或氣動分度臺工位數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)方向不可變等缺陷。

本文將介紹利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的中空旋轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行四工位旋轉(zhuǎn)工作臺的控制和實現(xiàn)方式。該設(shè)備配合人機(jī)界面可實現(xiàn)任意旋轉(zhuǎn)方向及任意工位角度調(diào)整的功能，安裝簡單且更具有控制的靈活性。

2、系統(tǒng)構(gòu)成

本文以四工位裝置為例，選用定位型專用的松下PLC:AFPX-C30T作為控制器，該P(yáng)LC具備4軸脈沖驅(qū)動輸出（2軸100kHz,2軸20kHz）,成本低，性價比高。

本設(shè)備采用人機(jī)界面（HMI）作為顯示和數(shù)據(jù)交互部件，型號選用普洛菲斯公司的GC-4401W,該觸摸屏同樣具有較高的性價比。通過界面可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向、速度、每工位角度即加工位置等參數(shù)的設(shè)置。

位置確認(rèn)傳感器用于檢測每工位到位與否的檢測，可將旋轉(zhuǎn)后的工位信息反饋給PLC，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3、力矩分析

本文選用的中空旋轉(zhuǎn)平臺采用步進(jìn)電機(jī)為主要驅(qū)動部件，其容許轉(zhuǎn)矩為12Nm，反復(fù)定位精度為±15秒，該平臺容許的慣性載重為50Nm。

本文設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1：

分度盤直徑DT=0.5m

分度盤厚度LT=0.015m

工作物直徑DW=0.15m

工作物厚度LW=0.09m

工作臺材質(zhì)密度ρ=2700kg/m3

工作物數(shù)量n=4個

由分度盤中心至工作物中心的距離l=0.22m

定位角度θ=90°

定位時間t=1s

加減速時間比A=25%

減速機(jī)減速比i=18

減速機(jī)效率ηG=0.7

由上述數(shù)據(jù)經(jīng)過計算可得出:

加減速時間

減速機(jī)輸出軸角加速度

減速機(jī)輸出軸最大轉(zhuǎn)速

電機(jī)軸角加速度

電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速

因為摩擦負(fù)載及小，故忽略

工作臺的慣量

工作物質(zhì)量

全負(fù)載慣量

負(fù)載折算到電機(jī)軸上的慣量

此處選取的中空旋轉(zhuǎn)平臺電機(jī)慣量為:

電機(jī)軸加速轉(zhuǎn)矩

此處安全系數(shù)S選為2

必須轉(zhuǎn)矩

負(fù)荷與電機(jī)慣量比

4、軟件參數(shù)分析

脈沖當(dāng)量是指當(dāng)控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產(chǎn)生的定位控制移動的位移。對直線運(yùn)動來說，是指移動的距離，而對圓周運(yùn)動來說。是指其轉(zhuǎn)動的角度。

本文采用步進(jìn)電機(jī)為兩相混合步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8度，旋轉(zhuǎn)平臺減速比為18：1，反復(fù)定位精度為±15秒。

由上述參數(shù)可知平臺在未細(xì)分前，平臺旋轉(zhuǎn)一圈需要控制器發(fā)出3600個脈沖，脈沖當(dāng)量為0.1度，此時，一個脈沖對應(yīng)弧長為

（單位米）約為0.44mm，此精度無論是相比平臺本身精度還是加工精度都較低，因此可將驅(qū)動器脈沖細(xì)分選為10，這樣脈沖當(dāng)量折合到平臺端可達(dá)0.01度，即為36秒，對應(yīng)的弧長約為0.05mm，這樣設(shè)置即可滿足加工精度，又能充分利用驅(qū)動器和電機(jī)精度。

5、控制實現(xiàn)

本設(shè)備四個工位可進(jìn)行如下分配，依次為:上料工位、加工工位1，加工工位2，下料工位。

圖4為該裝置動作流程圖，上電后，如需進(jìn)行位置、速度等參數(shù)設(shè)置可在HMI上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如不需要可直接進(jìn)入工作狀態(tài)。

為保證操作安全，參數(shù)設(shè)置一般需要在正式開始工作中進(jìn)行。

上電后轉(zhuǎn)臺逆向轉(zhuǎn)動觸發(fā)原位傳感器,原點建立。工位1上料完成后，按下啟動按鈕，轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后，上料工位可再次進(jìn)行上料操作，同時，加工工位1與加工工位2設(shè)備啟動，進(jìn)行加工操作，下料工位進(jìn)行下料操作，四個工位操作全部完成后，再次進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)啟動。

6、程序?qū)崿F(xiàn)

梯形圖（LAD，LadderLogicProgrammingLanguage）是PLC使用得最為廣泛的圖形編程語言。本文采用松下編程軟件FPWINGR進(jìn)行PLC的編程與調(diào)試，其中，尋找原點及工位旋轉(zhuǎn)的梯形圖程序段如下圖5。

本段程序采用松下PLC定位指令PLSH，執(zhí)行條件為ON時輸出脈沖，目標(biāo)值確定后當(dāng)兩者一致時，停止脈沖的輸出，轉(zhuǎn)臺到達(dá)目標(biāo)位置，轉(zhuǎn)動停止。

7、結(jié)論

基于中空旋轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)工作臺提高了整體設(shè)備的靈活性和適應(yīng)性，具有較高的性價比，實現(xiàn)起來簡便可靠，可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的實際情況做出靈活的調(diào)整、擴(kuò)展，是一種經(jīng)濟(jì)實用的加工設(shè)備。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]張志勇(ZhangZhiyong).高精度旋轉(zhuǎn)平臺式繪圖機(jī)的研究[M].西北工業(yè)大學(xué),1997

作者簡介：QQ聯(lián)系

郭慧芳（1982-）,女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士研究生,天津津亞電子有限公司,天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)南海路95號,電氣工程師,Email:lemon-2008@126.com,022-59826188,研究方向:控制理論與控制工程

儲振（1981-）,男，天津市人,本科,丹弗斯（天津）有限公司,天津市武清開發(fā)區(qū)泉匯路9號,實驗室工程師,Email:andy5202@163.com,022-82196637,研究方向:測量與控制