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，長春 130013）

1 前言

伺服滑臺（以下簡稱滑臺）是汽車車身焊裝車間的常用設(shè)備，常用于夾具位置的自動切換或作為機器人外部軸使用，具有運行速度快、定位準(zhǔn)確、可靠耐用的特點。滑臺的滑動部件可搭載工裝夾具或其它設(shè)備，沿滑臺軌道做直線往復(fù)運動。焊裝行業(yè)對伺服滑臺定位精度要求較高，按照需要定位誤差的絕對值通常在0.02～0.50 mm之間。造成滑臺定位誤差的因素有很多，包括滑臺定位偏差、軌道偏差、基架形變、機構(gòu)磨損。由于滑臺是夾具的基礎(chǔ)，如果無法保證滑臺定位精度，整體精度就無從談起，而滑臺定位精度取決于其驅(qū)動系統(tǒng)。

2 伺服滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)

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

圖1 伺服滑臺

圖2所示為伺服滑臺驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。十字軌道滑臺的滑動部件因為要在2個相垂直的方向上運動，其驅(qū)動裝置和滑動部件可分離，2個運動方向上設(shè)置獨立的驅(qū)動裝置用以驅(qū)動滑動部件在各自方向上運動。

圖2 伺服滑臺驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

3 伺服滑臺的定位誤差分析

滑臺的定位偏差會直接造成夾具的位置誤差，對于在夾具上進(jìn)行的工藝操作有重要影響?；_的定位誤差主要來源于3個方面：電機定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙。

電機依靠編碼器和伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制，由于傳動系統(tǒng)存在彈性變形和間隙原因，電機制動停止時會出現(xiàn)振蕩，導(dǎo)致其無法快速精確到達(dá)設(shè)定的編碼值，為保證滑臺運動時間，調(diào)試人員會設(shè)定電機碼值偏差的允許范圍，在該范圍內(nèi)就認(rèn)為電機已經(jīng)到位，這就容易造成電機定位偏差。

在齒輪齒條嚙合傳動過程中，為保證齒輪順利轉(zhuǎn)動，輪齒非接觸側(cè)要有一定間隙，稱為齒隙，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)動后滑動部件仍有一定滑動空間。減速器的回程間隙與齒輪齒條副齒隙概念類似，減速箱通過齒輪組實現(xiàn)降速，其齒輪間也必然存在齒隙，當(dāng)其輸入端固定時，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定位誤差，以下將焊裝常見滑臺驅(qū)動系統(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定位偏差（表1）。

表1 滑臺定位誤差示例

3.1 電機定位誤差

電機定位誤差主要受電機性能和負(fù)載-電機慣量比2個因素影響。除此之外，傳動系統(tǒng)剛度、精度也對電機定位精度有影響。

3.1.1 電機的主要性能

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

表2 不同類型電機的性能

3.1.2 負(fù)載-電機慣量比

由于機械傳動系統(tǒng)存在彈性變形、間隙現(xiàn)象，這時就需要負(fù)載慣量和電機慣量盡可能匹配，否則電機制動時容易出現(xiàn)振動。負(fù)載-電機慣量比是指負(fù)載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量與電機自身轉(zhuǎn)動慣量的比值，這里的負(fù)載慣量包含運動部件、減速器和傳動機構(gòu)的慣量。通常計算精度要求不高時，減速器和傳動機構(gòu)的慣量可以忽略不計。慣量比對于伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度都有影響，其值過大會造成系統(tǒng)出現(xiàn)振動甚至失控。一般，伺服滑臺的負(fù)載-電機慣量比要求在10以內(nèi)，比值接近1時效果最好。

計算運動部件轉(zhuǎn)動慣量可參考公式（1）。

式中，Jw為運動部件折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；m為運動部件的總質(zhì)量；ν為運動部件的直線速率；ω為對應(yīng)運動部件速率v的電機轉(zhuǎn)速。

選擇電機時不僅需要綜合考慮電機的性能，成本的考量也很重要。對焊裝行業(yè)使用的伺服滑臺，依照其對控制精度及響應(yīng)速度的要求不同，選擇的電機也不同。當(dāng)控制精度要求很高（例如±0.02 mm）且無法使用機械輔助定位時，可以選擇高轉(zhuǎn)動慣量的同步伺服電機，但成本也較高。否則，可使用異步伺服電機或者加裝位置反饋編碼器的普通異步電機，滿足使用要求的同時，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，因此伺服滑臺的齒輪齒條設(shè)計和安裝時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)計齒輪齒條時加以限制。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，在滿足強度要求的前提下，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似，只能降低，無法完全消除。減速器生產(chǎn)廠家會通過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定位誤差。

表5 不同精度等級減速器的誤差情況

4 伺服滑臺的精度控制方法

伺服滑臺的精度控制需要根據(jù)應(yīng)用場合選擇適合的方法，最常應(yīng)用的方法有2種，一是通過控制電機定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙等的方法，實現(xiàn)提高滑臺定位精度，二是借助外部機械輔助定位機構(gòu)實現(xiàn)滑臺二次精確定位。

4.1 高精度伺服滑臺

高精度伺服滑臺即是通過上文提到的方法一來實現(xiàn)精確定位，精度可達(dá)±0.02 mm。在焊裝車間，高精度伺服滑臺最典型的應(yīng)用是機器人外部軸行走機構(gòu)（也稱機器人第七軸），如圖5所示。

圖5 機器人外部軸行走機構(gòu)

高精度伺服滑臺之所以能夠?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)動慣量的同步伺服電機作為動力，電機自身精度高，負(fù)載與電機的慣量比接近1，加之傳動機構(gòu)間隙小，伺服電機能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度。

b.采用精密的齒輪齒條副傳動機構(gòu)，齒輪齒條精度常常在國標(biāo)[2]5級及以上。高精度的齒輪齒條不僅能實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的傳動，其較低的齒隙對于降低滑臺的誤差也起到關(guān)鍵作用。

c.采用精密的減速器，傳動更加準(zhǔn)確，回程間隙更小。

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

4.2 機械輔助定位機構(gòu)的運用

乘用車生產(chǎn)中，點定夾具的定位誤差一般不超過±0.10 mm，補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。對于夾具切換滑臺（圖6）來說，通過控制電機定位誤差、齒輪齒條副的齒隙和減速器的回程間隙方法來實現(xiàn)提高滑臺定位精度的方法固然可達(dá)到，但同時也造成制作成本的急劇增加。因此，在焊裝夾具切換滑臺的設(shè)計制造中常采用增加機械輔助定位的方式提高滑臺定位精度。由于夾具切換滑臺僅需在若干個固定位置停止，運行過程中的誤差情況對使用不會造成影響，也給機械輔助定位機構(gòu)的運用提供了條件。

圖6 夾具切換用伺服滑臺

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

圖7 伸銷輔助定位機構(gòu)

機械輔助定位機構(gòu)的使用降低了系統(tǒng)對滑臺驅(qū)動系統(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驅(qū)動系統(tǒng)配置方案。根據(jù)滑臺上所搭載夾具對定位精度的不同要求，給滑臺配備相同精度要求的機械輔助定位機構(gòu)以及不同等級的電機和減速器，從而實現(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