用西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)

概述

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙系統(tǒng)可以有效地克服度機(jī)械傳動(dòng)鏈帶來(lái)的傳動(dòng)間隙誤差，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械加工誤差和機(jī)械磨損的存在，由電機(jī)至受控對(duì)象的傳動(dòng)間隙造成的誤差已無(wú)法忽視，為此，人們采用消隙齒輪、自動(dòng)予緊機(jī)構(gòu)等辦法消除這種誤差，這些辦法可以有效地消除傳動(dòng)間隙的靜態(tài)誤差，但在高精度快速隨動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行頻繁換向，即使采用機(jī)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(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用兩套響應(yīng)頻帶很寬的伺服電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)消除傳動(dòng)間隙的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)的隨動(dòng)控制，從而提高機(jī)床動(dòng)靜態(tài)傳動(dòng)精度。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙系統(tǒng)原理

用兩臺(tái)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)初級(jí)齒輪，電機(jī)與初級(jí)齒輪為直接連軸，無(wú)傳動(dòng)間隙，由初級(jí)齒輪至輸出齒輪的各級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙之和簡(jiǎn)化為如圖的單級(jí)傳動(dòng)的間隙。消隙系統(tǒng)在伺服運(yùn)行過(guò)程中，采用對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，使各級(jí)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(wú)間隙傳動(dòng)的同時(shí)，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(guò)張緊扭矩消除機(jī)械間隙

當(dāng)伺服電機(jī)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)是單方向輸出扭矩，傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩傳遞方向不變，所以并不存在間隙問(wèn)題。只有在伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)變換扭矩傳遞方向，間隙問(wèn)題才凸顯出來(lái)。實(shí)際消隙控制是在伺服電機(jī)反向時(shí)系統(tǒng)扭矩輸出為零的區(qū)域附近對(duì)兩個(gè)電機(jī)施加一個(gè)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(gè)伺服電機(jī)實(shí)施消隙驅(qū)動(dòng)，而越過(guò)這個(gè)區(qū)域后，兩個(gè)伺服電機(jī)則協(xié)同出力。

實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙的方法

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙就是用西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)具有的主從控制功能實(shí)現(xiàn)的，主從控制就是主動(dòng)軸和從動(dòng)軸速度設(shè)定點(diǎn)的耦合，包括用于均衡扭矩分配的扭矩補(bǔ)償控制器。

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

通過(guò)張緊力控制在主動(dòng)軸和從動(dòng)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(guò)這一功能，通過(guò)齒輪來(lái)減小主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的反向間隙造成的影響。但是，這并不意味著可減小機(jī)械系統(tǒng)本身存在的滾珠絲杠和工作臺(tái)之間的反向間隙。如圖3所示，即使在靜止?fàn)顟B(tài)張緊力產(chǎn)生的扭矩相互牽引使主動(dòng)軸x1和從動(dòng)軸x2驅(qū)動(dòng)的齒輪反向間隙減少。

主從配置只在從動(dòng)軸中進(jìn)行配置。在默認(rèn)的設(shè)定中，與速度設(shè)定耦合一樣，主動(dòng)軸也用扭矩補(bǔ)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(mén)鏜銑床為例說(shuō)明具體應(yīng)用。
我公司生產(chǎn)的xk2130型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床工作臺(tái)移動(dòng)(x1軸)采用了雙電機(jī)消隙控制機(jī)構(gòu)。其中x1為主動(dòng)軸，lb382c光柵尺作為位置反饋，全閉環(huán)控制；x2為從動(dòng)軸，電機(jī)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(bǔ)償控制器增益
md 37258：ms_torque_ctrl_i_time[ax2]=5.0 扭矩補(bǔ)償控制器積分時(shí)間

調(diào)試中需要注意的事項(xiàng)

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(gè)超過(guò)額定扭矩的值，設(shè)定值過(guò)大會(huì)發(fā)出過(guò)載報(bào)警。為防止電機(jī)過(guò)熱，可以在電機(jī)靜止時(shí)減少張緊扭矩。調(diào)試中通過(guò)調(diào)整md 37264：ms_tension_torque，使機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)。

結(jié)論

用西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)具有的主從控制功能實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙，不僅可以有效地消除傳動(dòng)間隙的靜態(tài)誤差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)的隨動(dòng)控制，從而提高機(jī)床動(dòng)靜態(tài)傳動(dòng)精度。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙功能的應(yīng)用降低了設(shè)計(jì)成本，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，方便了車(chē)間裝配調(diào)試，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。