雙電機驅(qū)動消隙技術(shù)在重型數(shù)控機床的應(yīng)用

范芳洪 石金艷

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車機學(xué)院 湖南株洲）

小型數(shù)控機床采用滾珠絲桿螺母副傳動，使用機械預(yù)緊的方式消除絲桿螺母間的反向間隙，確保機床傳動精度。重型數(shù)控機床采用滾珠絲桿驅(qū)動，一是采用機械消隙方式效果不理想，間隙大，容易造成閉環(huán)系統(tǒng)振蕩，很難保證機床精度和剛性，并且消隙機構(gòu)復(fù)雜，維護困難[1]；二是超長重載絲桿制造難度大、價格昂貴。因此重型數(shù)控機床進給軸采用齒輪和齒條傳動。

一、問題的提出

隨著科技進步，數(shù)控機床向高精度、高速度發(fā)展，數(shù)控機床在高速度運動情況下，進給傳動鏈的傳動間隙將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，使用消隙齒輪和彈簧預(yù)緊等傳統(tǒng)的機械消隙方法雖然能消除傳動鏈的靜態(tài)誤差，但在高精度快速定位的數(shù)控機床中，伺服電機帶動負載頻繁換向，采用機械消隙措施不能克服間隙造成的瞬態(tài)誤差，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。在數(shù)控機床使用過程中，隨著傳動部件磨損和環(huán)境因素影響，消隙作用會逐漸降低甚至失去。隨著雙電機主從驅(qū)動技術(shù)在重型數(shù)控機床上廣泛應(yīng)用，采用雙電機驅(qū)動消隙技術(shù)能夠很好地消除傳動鏈間隙，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性[2]。

二、雙電機驅(qū)動消隙技術(shù)

1.原理

雙電機消隙是由兩套獨立的伺服驅(qū)動器驅(qū)動相同參數(shù)的兩臺伺服電機[3]，每臺伺服電機通過聯(lián)軸器連接齒輪減速機構(gòu)，兩個齒輪減速機構(gòu)通過兩個小齒輪和齒條嚙合驅(qū)動工作臺（托板）運動（圖1），數(shù)控系統(tǒng)對兩個伺服電機實現(xiàn)主從控制。兩臺電機和各自減速機構(gòu)的初級齒輪是直連的，故沒有傳動間隙。減速機構(gòu)的初級齒輪到輸出齒輪各級齒輪的傳動間隙可簡化單級齒輪傳動間隙，在靜態(tài)時，伺服驅(qū)動器通過伺服電機輸出兩個大小相等、方向相反的扭矩（消隙扭矩）作用在減速機構(gòu)的初級齒輪上，使各級傳動齒輪保持單面嚙合，圖1中左邊的小齒輪和齒條的左齒面相嚙合并有向左的驅(qū)動力矩，右邊的小齒輪和齒條的右齒面相嚙合并有右的驅(qū)動力矩，即一個是前齒面接觸，一個是后齒面接觸，兩扭矩相等，此時無間隙[4]。系統(tǒng)將兩個同方向的進給伺服軸分別設(shè)定為主動軸和從動軸，通過扭矩控制器分配兩個伺服電機之間扭矩。機床加速運動時，主動軸輸出扭矩逐漸增大，從動軸保持消隙扭矩，正轉(zhuǎn)時由前齒面接觸的齒輪出力驅(qū)動機床移動，反轉(zhuǎn)時由后齒面接觸的齒輪出力驅(qū)動機床移動。運動平穩(wěn)時，從動軸輸出的扭矩減小到零并反向增加到與主動軸扭矩一致，從動齒輪離開反向工作面，與主動齒輪一起運動，主從電機共同承載系統(tǒng)的總負載。機床停止前，系統(tǒng)控制從動軸滯后工作，從動齒輪離開主動面，并以消隙扭矩靠緊從動面，運動停止時恢復(fù)到原來靜止?fàn)顟B(tài)。無論機床向何方向運動，至少有一個小齒輪與齒條的齒面始終保持單面貼合，能夠保證系統(tǒng)的無間隙傳動，消隙效果見圖2。

2.特點（表1）

3.實現(xiàn)

圖2 齒輪傳動消隙效果

（1）機床參數(shù)的設(shè)置。在雙電機主從驅(qū)動控制系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)只對主動軸進行位置控制，對從動軸進行速度控制，主從軸的速度值是一致的，從動軸的速度和扭矩控制值來自于主動軸。以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為例，介紹雙電機主從驅(qū)動消隙技術(shù)所需設(shè)置參數(shù)。假設(shè)從動軸軸號為AX5，主動軸軸號為AX4，相應(yīng)的機床參數(shù)設(shè)置見表2。通過設(shè)置，AX5軸的速度和扭矩控制值就可從AX4軸獲得。

表1 雙電機主從驅(qū)動消隙和機械消隙對比

表2 840D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

（2）雙電機驅(qū)動消隙扭矩設(shè)置。在雙電機主從驅(qū)動控制消隙技術(shù)中，一個比較關(guān)鍵的問題是設(shè)置消除間隙的消隙扭矩。每臺機床各零部件的加工和裝配精度不同，消隙扭矩也不相同。最好先由設(shè)計人員計算出消隙扭矩，然后在現(xiàn)場調(diào)試時再修改，找到一個合適的數(shù)值，使機床達到要求的動態(tài)響應(yīng)速度和伺服精度。如西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，主從消隙扭矩通過軸參數(shù)MD37264設(shè)置。

三、雙電機驅(qū)動消隙技術(shù)應(yīng)用案例

高精度重型機床慣量大，難以控制，是機床行業(yè)研究難點。影響其定位精度的因素主要有伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度和數(shù)控裝置的精度[5]。具有閉環(huán)控制的數(shù)控機床，數(shù)控裝置和機床的傳動系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的一部分，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度主要由檢測元件和機床自身精度、傳動件剛度及傳動系統(tǒng)所引起的誤差決定。數(shù)控裝置的精度主要由生產(chǎn)廠家決定。因此，從設(shè)計廠家角度來說，提高機床傳動系統(tǒng)的精度就是提高機床的定位精度。從機械設(shè)計角度考慮，機床本身齒輪傳動系統(tǒng)的齒隙和傳動鏈的誤差在一定程度決定了機床定位精度。

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院1臺高精度臥式車削中心CK61160，數(shù)控系統(tǒng)采用SINENS 840D SL，交流伺服系統(tǒng)采用SIMODRIVE-S120。在該機床C軸和Z軸采用主從驅(qū)動的雙電機消隙技術(shù)，以提高機床定位精度、消除反向間隙和增大系統(tǒng)驅(qū)動能力。

1.雙電機驅(qū)動消隙在C軸的應(yīng)用

在數(shù)控車削中心上，C軸是繞主軸（S軸）的回轉(zhuǎn)軸[6]，與其他進給軸聯(lián)動進行插補，可實現(xiàn)主軸的精確定位，完成特殊軌跡的加工。在一次裝夾中，具有C軸插補功能的機床可實現(xiàn)多工序、復(fù)合化加工，顯著提高加工范圍和大型復(fù)雜零件的加工精度。高精度重型數(shù)控機床是實現(xiàn)大型精密零部件加工的必備設(shè)備，機床C軸分度進給系統(tǒng)的設(shè)計是提高零件加工精度的關(guān)鍵技術(shù)。同時無間隙、傳動剛度高、阻尼特性好、傳動效率高的分度裝置，是車銑加工中心C軸傳動進給系統(tǒng)的必備條件。

CK61160高精度臥式車銑中心，主傳動機構(gòu)采用兩個SIEMENS交流伺服主軸電機驅(qū)動，通過雙減速器控制的機械二擋的變換，使主軸可獲得所需轉(zhuǎn)速。通過裝在主軸后端部的SIEMENS雙通道編碼器實現(xiàn)C軸全閉環(huán)控制，C軸轉(zhuǎn)速范圍是0.01～5r/min，床頭外觀效果見圖3。機床安裝后，現(xiàn)場調(diào)試找到合適的C軸消隙扭矩為2.1 N·m，經(jīng)檢測C軸定位精度達到10"以內(nèi)，重復(fù)定位精度達到6"，反向差值達到6"以內(nèi)，C軸精度達到用戶要求（C軸定位精度和重復(fù)定位精度的國家標(biāo)準(zhǔn)分別是15"和10"之內(nèi)，用戶對C軸的定位和重復(fù)定位精度要求在12"和8"之內(nèi)）。

2.雙電機驅(qū)動消隙在Z軸的應(yīng)用

圖3 床頭箱外觀

Z軸為縱向進給軸（圖4、圖 5），由兩個 SIEMENS交流伺服電機驅(qū)動，分別帶動兩個精密行星減速機，通過電氣系統(tǒng)控制兩臺電機，將動力傳至末端的斜齒輪-齒條機構(gòu)，同時實現(xiàn)消隙，從而帶動整個托板沿Z軸運動。兩個伺服電機分別安裝在刀架大托板的左右兩側(cè)，當(dāng)?shù)都芤苿訒r，其中一個伺服電機作主拖動電機提供正向扭矩，而另一個伺服電機作為提供反向扭矩而消除齒輪間隙的反向消隙電機，使刀架在整個運動過程中保持高精度及高穩(wěn)定性傳動。齒條是用專用工具及精密磨床磨制出來的，并經(jīng)表面高頻淬火磨削而成的高精度齒輪。機床安裝后，現(xiàn)場調(diào)試找到合適的Z軸消隙扭矩為3.2 N·m，用激光干涉儀檢測Z軸的定位精度為 0.012 mm/2000 mm，重復(fù)定位精度為0.008 mm/2000 mm，均好于國家標(biāo)準(zhǔn)和用戶提出的精度要求（同類機床定位精度和重復(fù)定位精度的國家標(biāo)準(zhǔn)分別是不大于0.025 mm/2000 mm和0.015 mm/2000 mm[6]，用戶對Z軸提出的定位精度和重復(fù)定位精度分別不能超過0.015 mm/2000 mm和0.01 mm/2000 mm）。

圖4 Z軸齒輪齒條消隙實物

圖5 齒輪齒條消隙原理

四、結(jié)束語

重型數(shù)控機床采用雙電機消隙技術(shù)，消隙精度高、穩(wěn)定性好，間隙發(fā)生變化時能自動消除，確保機床定位精度，簡化機械結(jié)構(gòu)，降低成本，能夠用普通精度的減速齒輪箱代替具有機械消隙功能的高精度減速機構(gòu)[7]。系統(tǒng)負載由兩個電機共同承擔(dān)，每個電機承擔(dān)的最大負載只有系統(tǒng)負載的一半，可以選用較小容量的電機和伺服驅(qū)動器。雙電機消隙實現(xiàn)了數(shù)控機床零間隙傳動，動態(tài)響應(yīng)速度快，提高了數(shù)控機床的傳動精度和伺服精度[8]，在高精度重型數(shù)控機床上有廣泛應(yīng)用前景。

1 張 童.李英杰.蔣君平.幾種消隙驅(qū)動結(jié)構(gòu)在機床回轉(zhuǎn)工作臺上的應(yīng)用[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（08）

2 石秀敏.戴 怡.馬紀(jì)孝.數(shù)控機床進給系統(tǒng)仿真研究[J].機械與電子，2012（02）

3 魏裕國.主從驅(qū)動控制在雙電機消隙中的應(yīng)用[J].電子制作，2013（05）

4 黃小林.宋良輝.雙電機消隙在龍門移動式機床上應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2011（11）

5 周忠博.王紅軍.黃 民.數(shù)控系統(tǒng)最新進展及發(fā)展趨勢研究[J].裝備制造技術(shù)，2013（01）

6 王建平.數(shù)控機床定位精度與補償[J].機床與液壓，2011（04）

7 何華勇.數(shù)控機床雙軸同步控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011

8 張德江.門延會.毛 羽.SIEMENS 840D系統(tǒng)在GS30型數(shù)控機床改造中應(yīng)用[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，011（02）