用西門子數(shù)控系統(tǒng)雙電機驅(qū)動

概述

雙電機驅(qū)動消隙系統(tǒng)可以有效地克服度機械傳動鏈帶來的傳動間隙誤差，由于傳動機構(gòu)機械加工誤差和機械磨損的存在，由電機至受控對象的傳動間隙造成的誤差已無法忽視，為此，人們采用消隙齒輪、自動予緊機構(gòu)等辦法消除這種誤差，這些辦法可以有效地消除傳動間隙的靜態(tài)誤差，但在高精度快速隨動系統(tǒng)中，電機驅(qū)動負載進行頻繁換向，即使采用機械消隙措施，由于間隙造成的瞬態(tài)誤差仍難以克服。雙電機消隙驅(qū)動系統(tǒng)利用兩套響應(yīng)頻帶很寬的伺服電機系統(tǒng)構(gòu)成聯(lián)動系統(tǒng)，使系統(tǒng)在動態(tài)消除傳動間隙的同時實現(xiàn)高速響應(yīng)的隨動控制，從而提高機床動靜態(tài)傳動精度。

雙電機驅(qū)動消隙系統(tǒng)原理

用兩臺伺服電機分別驅(qū)動兩個初級齒輪，電機與初級齒輪為直接連軸，無傳動間隙，由初級齒輪至輸出齒輪的各級齒輪的傳動間隙之和簡化為如圖的單級傳動的間隙。消隙系統(tǒng)在伺服運行過程中，采用對兩臺伺服電機進行聯(lián)動控制，使各級齒輪始終保持單面貼合，從而精確地傳遞扭矩、速度或位移。并且在保證無間隙傳動的同時，具有良好的伺服精度和快速響應(yīng)特性。如圖1所示。

圖1通過張緊扭矩消除機械間隙

當伺服電機向一個方向旋轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)是單方向輸出扭矩，傳動系統(tǒng)的扭矩傳遞方向不變，所以并不存在間隙問題。只有在伺服電機反向旋轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)變換扭矩傳遞方向，間隙問題才凸顯出來。實際消隙控制是在伺服電機反向時系統(tǒng)扭矩輸出為零的區(qū)域附近對兩個電機施加一個足以克服間隙的張緊力(扭矩偏置)，使得這一力矩范圍內(nèi)兩個伺服電機實施消隙驅(qū)動，而越過這個區(qū)域后，兩個伺服電機則協(xié)同出力。

實現(xiàn)雙電機驅(qū)動消隙的方法

雙電機驅(qū)動消隙就是用西門子數(shù)控系統(tǒng)具有的主從控制功能實現(xiàn)的，主從控制就是主動軸和從動軸速度設(shè)定點的耦合，包括用于均衡扭矩分配的扭矩補償控制器。

在西門子數(shù)控系統(tǒng)主從控制功能中，兩個伺服電機(主和從)在機械上是連接在一起的，并且只需一個位置編碼器做位置控制。有位置編碼器的伺服電機作為主動軸，從動軸只有速度控制沒有位置控制，從動軸的速度值與主動軸的速度設(shè)定值一致，兩個軸的速度控制器保持獨立。設(shè)定主從耦合，從動軸就以主動軸的速度設(shè)定移動，從動軸只有速度控制沒有位置控制。主動軸和從動軸執(zhí)行無位置偏差的控制，扭矩補償控制器把扭矩均勻分布在主動軸和從動軸上，用附加扭矩在主動軸和從動軸之間產(chǎn)生張緊力。圖2為控制結(jié)構(gòu)框圖。

通過張緊力控制在主動軸和從動軸上外加方向相反的扭矩，使其始終處在保持張力的狀態(tài)。通過這一功能，通過齒輪來減小主動軸和從動軸的反向間隙造成的影響。但是，這并不意味著可減小機械系統(tǒng)本身存在的滾珠絲杠和工作臺之間的反向間隙。如圖3所示，即使在靜止狀態(tài)張緊力產(chǎn)生的扭矩相互牽引使主動軸x1和從動軸x2驅(qū)動的齒輪反向間隙減少。

主從配置只在從動軸中進行配置。在默認的設(shè)定中，與速度設(shè)定耦合一樣，主動軸也用扭矩補償控制。

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3張緊力的作用

下面以我公司生產(chǎn)的xk2130型數(shù)控龍門鏜銑床為例說明具體應(yīng)用。
我公司生產(chǎn)的xk2130型數(shù)控龍門鏜銑床工作臺移動(x1軸)采用了雙電機消隙控制機構(gòu)。其中x1為主動軸，lb382c光柵尺作為位置反饋，全閉環(huán)控制；x2為從動軸，電機編碼器位置反饋，半閉環(huán)控制。參數(shù)設(shè)置如下：
md 37250：ms_assign_master_speed_cmd[ax2]=1 ax2與ax1速度耦合
md 37252：ms_assign_master_torque_ctr[ax2]=0 ax1扭矩分配與速度耦合一致
md 37262：ms_coupling_always_active[ax2]=1 ax2與ax1永久耦合
md 37254：ms_torque_ctrl_mode[ax2]=0 扭矩分配ax2與ax1雙向加入
md 37268：ms_torque_weight_slave[ax2]=50 扭矩分配ax2與ax1 50%
md 37256：ms_torque_ctrl_p_gain[ax2]=0.5 扭矩補償控制器增益
md 37258：ms_torque_ctrl_i_time[ax2]=5.0 扭矩補償控制器積分時間

調(diào)試中需要注意的事項

選擇的張緊扭矩必須足夠大以保證即使在加速期間所產(chǎn)生的扭矩也不低于要求的最小張力，切勿設(shè)定一個超過額定扭矩的值，設(shè)定值過大會發(fā)出過載報警。為防止電機過熱，可以在電機靜止時減少張緊扭矩。調(diào)試中通過調(diào)整md 37264：ms_tension_torque，使機床運行平穩(wěn)無振動。

結(jié)論

用西門子數(shù)控系統(tǒng)具有的主從控制功能實現(xiàn)雙電機驅(qū)動消隙，不僅可以有效地消除傳動間隙的靜態(tài)誤差，同時實現(xiàn)高速響應(yīng)的隨動控制，從而提高機床動靜態(tài)傳動精度。雙電機驅(qū)動消隙功能的應(yīng)用降低了設(shè)計成本，簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)，方便了車間裝配調(diào)試，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。