基于弧面凸轮的高精度4位置定位装置设计*

黄 帅，杨 微，吕向飞

(1.九江职业技术学院 机械工程系，江西 九江 332007；2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

0 引言

近年来，许多学者对光纤陀螺寻北仪转位装置机械结构、电气控制、环境适应性等问题进行了深入细致的研究，并取得了大量的研究成果。在寻北仪转位装置的设计中，需要将水平面内某一圆周上的0°、90°、180° 及270°这4个位置分别进行寻北操作，因此寻北仪对4个位置的定位精度和重复定位精度提出了严格要求。

目前寻北仪4位置转位机构主要包括旋转编码器法、槽轮圆盘V形槽法、多齿分度法等。文献[1-2]提出了采用基于旋转编码器法或光栅定位，同时机械结构具有自锁功能，该定位方式决定转动体旋转速度低、转位时间较长。由于引入精密位置反馈元件，其环境适应性受到一定限制，且成本较高。文献[3]应用槽轮机构与圆盘定位V形槽相结合的新型转位与精密定位机构，该装置将片簧、V形槽与圆柱面配合作为最终精密定位机构，该方式抗冲击、振动等力学实验能力弱，不利于寻北仪的恶劣环境条件使用。

文献[4-5]基于多齿分度技术的高精度角度定位装置，通过控制电路对转位电机和升降电机的控制，实现多位置高精度角度定位。尽管该机构具有锁紧稳定性强、分度精度和重复定位精度高等特点，但该装置内的齿盘加工周期长，成本昂贵。

本文基于精密弧面分度凸轮，提出了一种全新的4位置定位装置，该装置通过偏心轴套机构使分度盘上两相邻精密滚针轴承与弧面分度凸轮左右槽面预压接触，实现零间隙传动。与传统分度装置相比较，该装置具有精度高、成本低，结构简单等特点。为了验证该装置的有效性、可靠性和精确性。在雷尼绍XL-80激光干涉仪上对其进行实验研究，结果表明：该装置的最大分度误差优于32"，重复定位精度优于14"，具有极强的工程实践价值。

1 4位置定位装置设计

4位置定位装置主要由精密定位机构、蜗轮蜗杆[6]、步进电机及机械开关等组成，定位装置结构如图1所示。

图1 4位置定位装置结构图

高精度4位置定位装置工作原理如下：首先系统上电回零，然后步进电机通过蜗轮蜗杆传动机构带动精密定位机构输入轴连续旋转，当输入轴旋转一周后触碰到机械开关，步进电机停止运动，精密定位机构输出轴旋转90°。重复上述动作，最终实现4位置分度和定位。

1.1 精密定位机构的设计

精密定位机构是实现转位和定位的核心部件，其由一个输入轴(弧面分度凸轮)及一个输出轴(分度盘)组成，输入轴上凸轮槽表面与分度盘上滚针轴承外环表面呈线接触啮合，从而驱动分度盘转动。弧面凸轮安装在偏心轴套上，偏心轴套机构如图2所示。偏心轴套内圈轴线与弧面凸轮轴线重合，外圈与箱体孔轴线重合，偏心轴套内圈轴线与外圈轴线存在偏心量，在装配过程中，将显示剂(红丹粉)涂抹在滚针轴承上，检测弧面凸轮接触斑点，根据接触斑点调整偏心轴套的周向位置，从而改变分度盘中心到弧面分度凸轮的中心距离，使分度盘上两相邻精密滚针轴承与弧面分度凸轮左右槽面预压接触，实现左右两边互锁，确保零间隙。

图2 弧面凸轮偏心机构

精密定位机构原理示意如图3所示，精密定位机构主要由弧面分度凸轮、分度盘、滚针轴承、转台轴承和圆锥滚子轴承等组成。结构示意图如图4所示。

图3 精密定位机构原理图

图4 精密定位机构示意图

1.2 精密弧面分度凸轮三维建模

精密弧面分度凸轮空间结构复杂，大多利用改装机床采用范成法加工，生产效率低下且精度差，针对现有问题对精密弧面分度凸轮采用五轴加工中心加工。因此必须对精密弧面分度凸轮进行精确建模。

常用精密弧面分度凸轮曲线类型有三种：变梯形曲线、变正弦曲线、变等速曲线。本文采用变正弦曲线运动规律，精密弧面分度凸轮为主动件，连续转动，分度盘为从动件，间隙式运动。α为分度盘转角为90°，θ为凸轮转角，φ为凸轮动程角(常数)为120°，α，θ两者之间的关系遵循以下规律[7-8]。

(1)

精密定位机构执行分度运动时，分度盘上每个滚针轴承轴线扫过的轨迹是一空间曲面，其素线均为直线。并根据精密凸轮工作轮廓与滚子圆柱形工作面的共轭接触方程式，最终得到精密凸轮工作轮廓的曲面方程式为：

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为滚子圆柱形工作面方程式的曲面参数；ρ为滚针轴承半径为22mm；C为凸轮到分度盘中心的距离为180mm。

由以上公式可求得所有滚子轴线与圆柱面交点的轨迹方程，通过对应的多条轨迹曲线做曲面，然后通过PRO/E实体化，修剪，从而求得精密弧面分度凸轮的精确三维模型如图5所示。

(a) 凸轮廓面曲线 (b) 凸轮三维模型 图5 精密凸轮廓面曲线与三维实体模型

精密凸轮要求心部具有良好综合力学性能，且配合曲面要有高硬度和耐磨性，故材料选择38CrMoAl,通过5轴加工中心DMU60mono BLOCK加工该凸轮，最后表面做渗氮处理。

1.3 电缆输出与限位

光纤陀螺的电缆从分度盘中心轴孔引出，直接连接在固定插座上，分度盘工作时，转动3个位置，电缆一端固定，另一端随分度盘转动。限位器安装在分度盘下部，保证分度盘在4位置内往复旋转。

2 高精度角度定位控制

图6 电气原理框图

图7 4位置定位装置软件控制流程图

定位装置的控制通过软件实现，电气原理框图如图6所示。采用单片机电路，通过RS232接口与上位机通讯，接收上位机指令，驱动分度盘进行相应转位，并返回台体的状态信息。转位控制的实现:接收机械开关的反馈信号、对反馈信号进行处理，并给出步进电机驱动电路的控制信号。其软件控制流程图如图7所示。

3 实验研究

3.1 实验装置

为验证该定位装置的有效及可行性，对该装置进行了实验研究，实验装置原理框图与实物照片如图8、图9所示。

图8 实验装置原理示意图 图9 实验装置实物照片

实验平台由精密大理石平台、XL-80激光干涉仪、XR20-W回转轴校准装置和角度测量光学镜组等辅助元件组成。实验流程如下：将台面及精密弧面分度凸轮机构装配完成后，进行分度精度和重复分度精度检测。将XR20-W回转轴校准装置安装在台面上，XL-80激光头照射在角度测量光学镜组上。在测量时，让分度装置进行4等分度运动。按照理论分度角(90°)使XR20-W回转轴校准装置反转相同角度，并通过笔记本读出误差值。

3.2 实验结果与分析

实验分别采集在0°、90°、180°及270°这4个位置实验数据，台面依次沿(0°→90°→180°→270°)逆时针方向循环转5圈，结果如图10所示。

图10 定位误差检测数据图(室温20℃)

由图10可见，4个位置的重复定位精度最大误差为14"，最大分度误差为32"，分别出现在180°和270°两个位置。

4 结论

本文设计了基于精密弧面分度凸轮机构的4位置定位装置，该装置解决了传统角度定位机构加工周期长、成本高，运动机构复杂的问题，该装置传动机构采用带偏心轴套的弧面分度凸轮机构，一方面为驱动负载提供了较大的驱动力，同时偏心轴套实现滚针轴承与弧面凸轮槽面的预压，消除传动间隙，提高了系统分度精度。实验结果表明：该装置的重复定位精度优于14″，最大分度误差优于32″，满足了寻北仪的设计要求，具有广阔的应用前景。