双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用

学术论文RESEARCH航空制造技术·2009年第17期84[摘要]根据传动间隙对设备的影响，提出了一种采用双电机驱动消除机械间隙的新方法，并以伺服主从驱动技术为理论基础，论述了双电机驱动消隙技术的原理和实现手段。最后，介绍了在西门子840D数控系统和611D伺服系统环境下，双电机驱动消隙技术在自动制孔设备中的实际应用情况。关键词：数控设备主从驱动双电机驱动消隙[ABSTRACT]Toavoidtheeffectofbacklash,anelectricwayofdrivingsystemwithdouble-motorisputforward.Basedonmaster-slavecontroltheory,thetechnol-ogyofdouble-motoranti-backlashdrivingandit'simple-mentationarediscussed.Asanexample,theusingofthetechnologyinalargeautomaticdrillingmachinewithSIE-MENS840DNCand611Dservoisintroduced.Keywords:NCmachinetoolMaster-slavedriveDouble-motordriveAnti-backlash随着航空航天技术的发展，以及新材料、新工艺的不断发明和应用，为适应越来越复杂的工艺要求，作为加工设备的数控机床也不断朝着高速、高精度的方向发展。在数控设备高速运动的情况下，驱动系统的传动间隙对系统性能的影响将更加突出，这可能造成系统震荡而无法工作，严重时甚至会损坏设备结构。因此，在设备的研制和生产中必须考虑传动间隙的消除方法。结合设备调试情况，本课题对主从驱动及双电机驱动消隙（电子消隙）技术原理及其在数控设备中的应用进行论述。1　传动间隙影响数控设备的原理分析伺服系统中传动间隙的表现形式具有多样性，为方便分析，将伺服传动系统中所有间隙等效为１个来考虑。用2Δ来表示传动间隙的宽度，传动间隙的特性如图1（a）所示，其中φa和φb分别为电机输入轴转角和系统输出轴转角。在控制学领域，间隙是一个非线性环节，采用描述函数法对系统进行稳定性分析，则系统线性部分的频率特性可以表示为G（jω），传动间隙（非线性部分）的描述函数可以表示为N（A），其中A表示系统非线性环节输入转角的振幅。伺服系统闭环情况下的方框图可用图1（b）来表示，系统的闭环特征方程为1+G（jω）N（A）=0。双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用*Double-MotorAnti-BacklashDrivingTechnologyandItsApplicationinNCMachineTool北京航空制造工程研究所105室薛汉杰图1　传动间隙简单分析Fig.1　Simpleanalysisofbacklashφaφb2Δ-ΔΔ（a）传动间隙特性G（jω）N（A）输入R误差E输出C（b）传动间隙方框图根据控制系统奈奎斯特稳定判据（NyquistStabilityCriterion），在奈奎斯特平面上分别绘出线性环节G（jω）和非线性环节-1/N（A）的频率特性曲线，如图2所示。如果２条特征曲线不相交，表明间隙的存在不会影响到系统的稳定性，而且２条曲线离得越远，系统的稳定裕量越大，稳定性就越高；如果相交，则表明间隙的存在会影响系统的稳定性。传动间隙限制了系统精度的提高，而在传动间隙不可避免的情况下，如何采取措施尽可能地消除传动间隙就非常必要。除了在设计传动机构时尽量减小间隙外，大多采用机械消隙的方法，即利用消隙齿轮和弹簧预紧等方法来*　“十一五”国防基础科研项目。学术论文RESEARCH2009年第17期·航空制造技术85实现坐标的精确定位。从动轴仅根据主动轴的运行速度指令实现速度环的控制，并根据负载分配情况完成输出扭矩的控制（电流环控制）。系统不考虑从动轴与主动轴之间的位置偏差。采用主从驱动方式，即２个伺服电机共同承担负载。采用扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平衡分配，且扭矩补偿控制器根据伺服电机的具体性能分配相应的负载扭矩。一般地，在同一坐标进给上应尽量采用同型号、同性能的伺服电机，以简化系统的设置。当主、从伺服电机性能不相同时，需要根据其扭矩平衡系数调整扭矩匹配。主从驱动控制的原理如图4所示。与一般伺服轴的控制相比，主从驱动控制采用一个扭矩补偿控制器为主、从轴提供偏置扭矩，同时对主、从轴速度控制器反馈的速度输出值iset以及张力扭矩的设定值进行计算，并将其计算值输出nΔ实时传递到主、从轴上，与位置控制器的输出nset叠加后作为速度环的设定输入，这样就保证了从动轴获得的速度指令在任何情况下都能与主动轴保持协调一致，从而实现了２个伺服电机的协调运行。由图4可知，当位置设定值为０时，位置控制器的输出nset=0，此时扭矩补偿控制器为主、从轴提供的扭矩刚好大小相等、方向相反，系统输出的扭矩合力为∑M=0。当位置控制器输出nset≠0时，主、从轴上的速度控制器输入值分别为nset＋nΔ和nset－nΔ。随着系统输出扭矩的增加，扭矩补偿控制器的输出nΔ逐渐变小，当系统输出的扭矩与设定的张力扭矩相等时，扭矩补偿控制器的输出变为０，此时，位置控制器传递到主、图3　主从驱动结构形式Fig.3　Structureofmaster-slavedrive齿轮齿条传动系统２电机之间的连接减速机减速机伺服电机１编码器编码器伺服驱动器１伺服驱动器２伺服电机２扭矩补偿控制单元可编程控制器CPU数控系统消除间隙。这些方法可以有效地消除传动间隙的静态误差，但在高精度快速随动系统（如高精度快速重复定位伺服控制、精密跟踪型雷达天线伺服驱动）中，电机驱动负载频繁换向，即使采用机械消隙措施仍难以克服间隙造成的瞬态误差。在高速运动的设备中，随着传动部件的磨损和环境因素的影响等，消隙作用会逐渐降低甚至失去。电气控制系统也可以通过补偿手段对传动间隙进行一定补偿，但并不能完全消除间隙，而且只能采用固定值进行间隙补偿，对消除磨损和环境因素的影响等并不能起到很好的效果。2　主从驱动及双电机消隙的原理及实现目前，随着双电机主从驱动技术的广泛应用，双电机驱动消隙也越来越多地被采用。与机械消隙方法相比，双电机驱动消隙方法降低了传动机构的复杂性，省去了为消除传动间隙而附加设计的消隙机构，采用先进的电气控制方法替代传统的机械消隙方法，间接地实现了机床控制的零间隙传动。主从驱动的结构形式如图3所示。在坐标移动方向上采用２个相互机械连接的伺服电机完成驱动进给。在进给过程中控制系统仅对主动轴进行位置环的控制，图2　存在间隙环节的系统稳定性分析图Fig.2　StabilityanalysisofsystemwithbacklashG（jω）幅值Im（-1，j0）-1/N（A）（a）系统稳定情况频率σG（jω）幅值Im（-1，j0）-1/N（A）（b）系统不稳定情况频率σ学术论文RESEARCH航空制造技术·2009年第17期86从轴上的输出值nset相等，即主、从轴输出的扭矩大小相等，方向相同。扭矩补偿控制器的参数需要根据系统的实际情况进行设置，以获得昀优化的控制效果。张力扭矩针对扭矩补偿控制器进行设置，用于保持主从驱动方式下２个伺服电机之间的扭矩平衡。主从驱动技术主要有２大应用：（１）增大系统的驱动能力；（２）通过在主、从电机之间增加伺服张力来消除齿轮侧隙，即双电机驱动消隙功能。下面将对双电机驱动消隙功能的原理及应用进行论述。双电机消隙的驱动采用２套伺服系统构成的联动系统，如图5所示，２个伺服电机分别驱动小齿轮1和小齿轮2，共同驱动大齿轮（负载）。在静止状态下，２个小齿轮的驱动扭矩大小相等、方向相反，这样对于单个小齿轮来说，在其驱动扭矩方向上是不存在传动间隙图5　齿轮传动消隙方式示意图Fig.5　Diagramofanti-backlashwithdouble-geardrive大齿轮小齿轮1M1M2小齿轮2的。当朝某一方向运动时，伺服电机驱动相应的小齿轮（假设为小齿轮1）转动，同时克服小齿轮2的反向扭矩，带动大齿轮运动，反之亦然。可以看出，不论朝哪个方向运动，在伺服运行过程中，总有１个小齿轮与大齿轮始终保持单面贴合，从而保证系统的无间隙传动。为实现上述的消隙控制，昀理想的方案是采用２个伺服电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机。正向驱动电机在系统反向运动时保持输出一个足以消除传动间隙的正向扭矩，而反向驱动电机在正向运动时保持输出一个足以消除传动间隙的反向扭矩，如图6（a）中的双电机消隙理想消隙曲线所示，２个伺服电机各自承担系统正、负方向上的驱动扭矩，同时在系统运动方向与本身驱动相反时提供消除传动间隙的反向扭矩。在这个理想的方案中，任意时刻都有１个伺服电机处于反向出力状态，相当于对驱动电机附加了１个额外的负载，所以要求每个驱动电机的功率都大于系统实际所需功率，即W总=W驱动+W消隙，实际上是增加了系统实现的成本（增加了１套伺服驱动系统，电机实际驱动能力降低）。因此，在实际的消隙应用中一般都不采用这种理想的方案，而是采用一种更为经济的近似方案。当系统在单方向运动时，伺服系统输出的驱动扭矩方向保持不变，经传动系统传递后也保持不变，所以并图4　主从驱动控制原理图Fig.4　Controlprinciplechartofmaster-slavedrive位置控制器速度控制器扭矩控制器电流实际值iact电流设定值isetPT1过滤器PI控制器位置控制器速度控制器扭矩控制器编码器2编码器1电机M1电机M2从动轴主动轴平衡系数平衡系数张力扭矩伺服轨迹机械连接张力扭矩位置设定值速度设定值输入扭矩补偿控制器位置实际值位置设定值位置实际值nsetnset=0----+++++差补输入nactnactiactisetnΔ学术论文RESEARCH2009年第17期·航空制造技术87系统具有良好的动、静态性能。表1为双电机驱动消隙方法与机械消隙方法的比较，由表１可以看出，采用双电机驱动消隙方法具有以下优点：（1）可以有效消除由传动间隙带来的定位精度误差，确保系统经过长期运行磨损后，即使齿轮间隙变大也不会影响定位精度；（2）以普通精度的减速齿轮箱代替具有机械消隙功能的高精度减速机构，驱动系统的结构简单、成本减小，并且不需要定期调整机械消隙机构，后期的维护费用大大降低；（3）采用２套伺服驱动系统共同承担系统负载，每个伺服电机仅负担系统昀大功率的１/2，可以选择较小容量的伺服驱动器和伺服电机；（4）特别是对于高精度、高速随动系统，伺服电机驱动负载频繁换向，难以克服由间隙造成的瞬态误差，而采用双电机驱动消隙方法可以有效地解决此问题。3　双电机驱动消隙技术应用情况双电机驱动消隙技术在本所承担的柔性装配项目中的自动制孔设备的研制上已得到应用。该自动制孔设备用于飞机翼面类部件的钻孔、测量、定位等操作，其控制系统采用SIEMENS840D数控系统和611D伺服系统。设备在X坐标方向上采用移动立柱式结构，但由于移动立柱质量大（超过20t），采用单电机驱动方式会造成驱动电机的容量过大，而采用机械消隙机构也会增加系统驱动结构的复杂性，提高制造成本，因此在系统总体设计时考虑在X坐标方向上采用主从驱动方式，利用双伺服电机实现增大系统驱动能力和双电机驱动消隙功能。X轴采用齿轮齿条传动，２套驱动系统配置如下：·1个伺服驱动器：2×18A双轴功率模块；·2个伺服电机：额定扭矩22.5N·m，转速3000r/图6　双电机消隙曲线Fig.6　Curvesofdouble-motoranti-backlash∑M电机1转矩曲线电机２转矩曲线uin（a）双电机消隙理想消隙曲线∑M电机1转矩曲线电机２转矩曲线uinuset-uset（b）双电机消隙实际消隙曲线不存在传动间隙问题，只有当伺服系统输出的驱动扭矩变换方向，传动系统朝相反方向传递扭矩时，间隙问题才凸显出来。基于此点，在实际的消隙控制应用中，当伺服系统输出的驱动扭矩改变方向时，可以考虑通过伺服系统的协调控制