許展望，景群平，王俊萍，馬永軍，郝宏昭

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在機(jī)械設(shè)備制造中，存在機(jī)械零件公差，舊設(shè)備的長(zhǎng)期磨損，會(huì)使機(jī)械零件的公差變大，機(jī)械設(shè)備換向時(shí)，就有換向間隙出現(xiàn)，降低了機(jī)械設(shè)備位置控制精度，對(duì)于高精度設(shè)備的位置定位來說，就不能滿足實(shí)際要求。在武鋼某個(gè)項(xiàng)目的碎邊剪設(shè)備改造中，由于舊設(shè)備的長(zhǎng)期磨損使側(cè)間隙機(jī)構(gòu)換向間隙變大，控制精度變差，引起廢邊剪不斷和卡阻的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組生產(chǎn)。

機(jī)械設(shè)備換向間隙的問題，通過減小機(jī)械設(shè)備加工精度的公差，提高設(shè)備裝配的精度可以縮小間隙，但不能徹底消除間隙，對(duì)于高精度要求的機(jī)械設(shè)備來說就要通過換向間隙補(bǔ)償來解決。

機(jī)械設(shè)備的位置檢測(cè)，大部分都是通過位移傳感器或位置編碼器來間接測(cè)量，其中就包含著機(jī)械設(shè)備換向間隙引起的測(cè)量誤差，機(jī)械設(shè)備的位置不能準(zhǔn)確測(cè)量，也使機(jī)械設(shè)備高精度的位置控制無法實(shí)現(xiàn)，所以進(jìn)行機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償很有必要。

大多數(shù)情況下，機(jī)械設(shè)備高精度位置控制采用伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，無形中就增加了成本，本文采用普通變頻電機(jī)和變頻器，使用一種控制方法來補(bǔ)償機(jī)械設(shè)備的換向間隙，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備高精度位置控制。

1 機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)械設(shè)備和檢測(cè)元件構(gòu)成

機(jī)械設(shè)備一般包括被動(dòng)件1和主動(dòng)件2兩部分，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中間接測(cè)量就是將位移傳感器或位置編碼器和主動(dòng)件連接在一起，由于主動(dòng)件和被動(dòng)件之間存在換向間隙，這樣主動(dòng)件的測(cè)量值并不是被動(dòng)件的實(shí)際位置，機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)件的測(cè)量值和被動(dòng)件反映的實(shí)際位置始終保持一致，是機(jī)械設(shè)備被動(dòng)件高精度位置控制的關(guān)鍵，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備的換向間隙進(jìn)行補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械設(shè)備換向間隙圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械設(shè)備換向間隙圖

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)碾姎饪刂葡到y(tǒng)，包括位移傳感器或位置編碼器、可編程控制器、上位計(jì)算機(jī)、觸摸屏、操作臺(tái)、變頻器、電機(jī)等。機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償電氣控制系統(tǒng)框圖

2 機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償控制方法

2.1 機(jī)械設(shè)備換向間隙的測(cè)量

機(jī)械設(shè)備換向間隙測(cè)量圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械設(shè)備換向間隙測(cè)量圖

機(jī)械設(shè)備換向間隙b0測(cè)量過程，首先控制機(jī)械設(shè)備沿著位移量增大的方向運(yùn)行，消除掉從小到大的換向間隙后，控制機(jī)械設(shè)備從大到小換向運(yùn)行，使用千分表或其他測(cè)量工具直接測(cè)量機(jī)械設(shè)備的位置變化量Δdi，記錄位移傳感器或位置編碼器檢測(cè)的位置變化量Δai。

以上過程重復(fù)進(jìn)行10次，使用公式計(jì)算b0為

2.2 機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂品椒?/h3>

機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂品椒?。位移傳感器或位置編碼器檢測(cè)的設(shè)備位置值為a；機(jī)械設(shè)備從大到小換向瞬間保存的實(shí)際位置值為a′；機(jī)械設(shè)備從小到大換向瞬間保存的實(shí)際位置值為a″；機(jī)械設(shè)備換向間隙測(cè)量值為b0；機(jī)械設(shè)備從大到小第n次換向的間隙值為bn；機(jī)械設(shè)備從小到大第n次換向的間隙值為cn；機(jī)械設(shè)備的實(shí)際位置顯示值為d。

(1)機(jī)械設(shè)備從大到小換向間隙補(bǔ)償。機(jī)械設(shè)備從大到小換向的瞬間，a值修正為當(dāng)前的d值；并把d賦值給a′，計(jì)算機(jī)械設(shè)備的實(shí)際位置顯示值d。

當(dāng)a≥a′-bn時(shí)，d=a′，bn+1=bn-(a′-a)，cn+1=cn+(a′-a)；

當(dāng)a

(2)機(jī)械設(shè)備從小到大換向間隙補(bǔ)償。機(jī)械設(shè)備從小到大換向的瞬間，a值修正為當(dāng)前的d值；并把d賦值給a″，計(jì)算機(jī)械設(shè)備的實(shí)際位置顯示值d。

當(dāng)a≤a″+cn時(shí)，d=a″，cn+1=cn-(a-a″)，bn+1=bn+(a-a″)；

當(dāng)a>a″+cn時(shí)，d=a-cn，cn+1=0，bn+1=b0

2.3 機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

高精度機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)，包括連接于機(jī)械設(shè)備上的位移傳感器或位置編碼器，位移傳感器或位置編碼器測(cè)量值進(jìn)入可編程控制器，可編程控制器分別與觸摸屏、上位計(jì)算機(jī)、操作臺(tái)和變頻器相連，并有信號(hào)交換，變頻器與電機(jī)相連接，電機(jī)與機(jī)械設(shè)備相連接。

首先在上位計(jì)算機(jī)或觸摸屏上進(jìn)行機(jī)械設(shè)備實(shí)際位置顯示值的標(biāo)定操作，然后設(shè)定機(jī)械設(shè)備的換向間隙測(cè)量值、機(jī)械設(shè)備位置控制的目標(biāo)值等，并傳送給可編程控制器。

可編程控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用高精度和高速運(yùn)算特點(diǎn)的CPU，通過程序和算法進(jìn)行機(jī)械設(shè)備換向間隙的補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝控制功能。位移傳感器或位置編碼器測(cè)量機(jī)械設(shè)備主動(dòng)件的位移量，并反饋數(shù)值給可編程控制器。機(jī)械設(shè)備的手動(dòng)和自動(dòng)控制操作在操作臺(tái)上進(jìn)行，可編程控制器按照控制指令，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備被動(dòng)件位置控制的目標(biāo)值與經(jīng)過換向間隙補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械設(shè)備主動(dòng)件實(shí)際位置值比較，通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)確位置定位?？删幊炭刂破靼芽刂频倪^程和結(jié)果數(shù)據(jù)上傳到上位計(jì)算機(jī)和觸摸屏，在畫面上顯示。

3 應(yīng)用效果

這種高精度機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)和方法已應(yīng)用在寶鋼、鞍鋼、武鋼等多個(gè)工程項(xiàng)目中，取得了滿意的效果。

例如應(yīng)用在武鋼的某個(gè)項(xiàng)目的碎邊剪側(cè)間隙的調(diào)整控制，設(shè)備的換向間隙為0.05 mm,影響設(shè)備的位置控制精度，不能滿足工藝要求，影響產(chǎn)品質(zhì)量。采用這種高精度機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)和方法解決了問題。

未采用換向間隙補(bǔ)償和采用換向間隙補(bǔ)償?shù)奈恢每刂颇繕?biāo)值和測(cè)量值的比較見表1，由表1可以看出未采用換向間隙補(bǔ)償碎邊剪側(cè)間隙的調(diào)整控制誤差在±0.05 mm左右，而采用換向間隙補(bǔ)償碎邊剪側(cè)間隙的調(diào)整控制誤差在±0.006 mm以內(nèi)，明顯采用這種換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂品椒ㄌ岣吡嗽O(shè)備的位置控制精度，滿足了設(shè)備的工藝要求。

表1 目標(biāo)值和實(shí)測(cè)值的比較表

這種控制系統(tǒng)和控制方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)機(jī)械設(shè)備采用普通變頻電機(jī)和變頻器，降低了成本；

(2)間接測(cè)量產(chǎn)生的換向間隙，使用一種控制方法來補(bǔ)償，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備高精度位置控制；

(3)提高了機(jī)械設(shè)備的位置控制精度，滿足了工藝要求。

4 結(jié)束語

高精度機(jī)械設(shè)備換向間隙補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)和控制方法已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)(專利號(hào)：ZL201310577414.6)，在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，取得了滿意的效果。這種控制方法降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備的控制精度，滿足了工藝要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

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