淮睿， 王蕾

（秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞721009）

1 機床傳動環(huán)節(jié)存在反向間隙

近年來，數(shù)控機床正在朝著自動化、智能化方面迅猛發(fā)展，很多機床都配備了機器人和料倉等自動化輔助設(shè)備，以此來提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本。這樣就要求機床制造商生產(chǎn)的主機必須達到高精度，從而保證了加工的零件精度能夠達標。

然而，在機床的傳動環(huán)節(jié)中都存在著反向間隙，所謂反向間隙，就是機械傳動結(jié)構(gòu)在換向運動時，由于傳動鏈中間存在一定的間隙，此時，要等傳動鏈中的間隙消除以后才能使機械結(jié)構(gòu)運動，這個間隙就是反向間隙。這個間隙是機械傳動（如齒輪齒圈傳動、蝸輪蝸桿傳動等）固有的特性，它會影響機床零件的加工精度。數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)工作臺在換向運動時，由于反向間隙的存在會導(dǎo)致工作臺短時無運動，這在機床運行過程中是不允許的。所以，在機床設(shè)計之初就得考慮采取相應(yīng)的傳動結(jié)構(gòu)來消除反向間隙。

2 如何消除反向間隙

傳統(tǒng)的機械消隙可以減少反向間隙，但同時也降低了傳動效率，并且隨著時間推移這種機構(gòu)會使機械傳動部分嚴重磨損。現(xiàn)如今，數(shù)控系統(tǒng)的功能越來越強大，比如NUM數(shù)控系統(tǒng)TANDEM Functions（串聯(lián)功能）中的Anti-backlash function（反向消隙功能），可以取代機械消隙實現(xiàn)雙電動機電氣消隙[1]。該功能涉及兩個驅(qū)動器，分別是Master驅(qū)動器和Slave驅(qū)動器，兩個驅(qū)動器必須具備相同的規(guī)格和性能；兩個電動機通過主從控制可以產(chǎn)生雙倍于單個電動機的轉(zhuǎn)矩，用于驅(qū)動一個軸（串聯(lián)控制）；同時，在兩個電動機和傳動結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生預(yù)加載力矩用來消除機械傳功中的反向間隙，該功能可用于由同步或異步電動機驅(qū)動的線性或旋轉(zhuǎn)軸。雙電動機電氣消隙原理如圖1所示。

圖1 雙電動機電氣消隙原理圖

雙電動機電氣消隙相比較于機械消隙具有一定的優(yōu)勢：首先，可以提高定位精度；其次，可以提供兩倍于單電動機的轉(zhuǎn)矩輸出來控制單個軸，同時，還能提供預(yù)緊力矩來消除反向間隙；再次，成本控制上可以使用兩個小電動機驅(qū)動[2-3]。

3 應(yīng)用實例

某數(shù)控機床，旋轉(zhuǎn)工作臺采用雙電動機消隙控制結(jié)構(gòu)。電動機選用兩個同型號、同性能的西門子1PH8主軸同步電動機并配備相同的伺服驅(qū)動器，伺服電動機經(jīng)減速器、齒輪齒圈帶動工作臺分度，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。安裝在工作臺下面的距離編碼器將旋轉(zhuǎn)信號反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動，達到精確、可靠地分度和回轉(zhuǎn)運動。機床工作臺如圖2所示。

圖2 機床工作臺

配置前準備工作如下：首先，數(shù)控系統(tǒng)需要開通Tandem Function功能，如圖3所示；其次，主動軸伺服驅(qū)動器和從動軸伺服驅(qū)動器的S4口之間需要用一根網(wǎng)線連接實現(xiàn)Local Link connections，如圖4所示，然后才能進行雙驅(qū)結(jié)構(gòu)控制的配置。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)開通“Tandem function”

圖4 主從驅(qū)動建立本地連接

配置過程分為以下三個階段：

第一階段：主動軸（定義為@8）和從動軸（定義為@9）半閉環(huán)的配置。在半閉環(huán)狀態(tài)下設(shè)置好主從驅(qū)動器參數(shù)之后，將主動軸和從動軸的電動機均放置在平坦開闊的地面上，手動運行正常且方向一致，如圖5所示。

圖5 主從電動機半閉環(huán)配置

另外，需要對主從電動機分別執(zhí)行EPSM（Electric Position Synchronization With Movement），并設(shè)置主從電動機驅(qū)動器參數(shù)V273（Electrical phase offset management）；否則，該軸在第二反饋下回參考點時會出現(xiàn)驅(qū)動報警。

第二階段：雙驅(qū)消隙配置和主動電動機的全閉環(huán)配置。電動機在半閉環(huán)下運行正常后，即可安裝于工作臺之上與傳動機構(gòu)連接，如圖6所示。

圖6 電動機與工作臺連接

這時打開數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試軟件，配置主動軸@8并勾選“Anti-backlash/torque Synchronized”，再進入主動軸@8和從動軸@9的驅(qū)動參數(shù)設(shè)置界面，分別設(shè)置以下參數(shù)：

配置好主從驅(qū)動的消隙參數(shù)及主動電動機的預(yù)緊力矩后，觀察負載變化情況并嘗試低速運行臺面，可正常運轉(zhuǎn)。靜止時，主從電動機的預(yù)緊力矩基本一樣大，運行時一大一小。這樣雙驅(qū)消隙主從控制功能就配置好了。

接下來就是編碼器的配置。這種主從電動機控制的結(jié)構(gòu)，編碼器只配置在主動軸上。編碼器信號強度要求：（0.6～1.2）Vpp(≈1Vpp)；參考點信號強度要求：0.2V≤R≤0.85V(≈0.5V)。設(shè)置好主動軸驅(qū)動器與編碼器相關(guān)的參數(shù)后，測試編碼器信號和參考點信號強度均在要求范圍。手動運行工作臺并執(zhí)行回參考點后，運轉(zhuǎn)正常。

第三階段：工作臺的參數(shù)優(yōu)化。對于這種主從控制的軸，只需要優(yōu)化主動軸即可，從動軸的電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)按照主動軸的驅(qū)動參數(shù)設(shè)置即可。具體的優(yōu)化方法和普通軸的一樣，此處就不再贅述。

在后續(xù)的機床加工過程中，工作臺運行穩(wěn)定，加工零件也能達到精度要求。至此，雙電動機電氣消隙功能就配置完成了。由此可見該功能性能優(yōu)越，控制精度高，配置成本低，并且隨著大規(guī)格、重型數(shù)控機床的日益發(fā)展，該功能會得到更加廣泛的應(yīng)用。