NUM系統(tǒng)反向消隙功能在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

淮睿， 王蕾

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞721009）

1 機(jī)床傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在反向間隙

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

然而，在機(jī)床的傳動(dòng)環(huán)節(jié)中都存在著反向間隙，所謂反向間隙，就是機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在換向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于傳動(dòng)鏈中間存在一定的間隙，此時(shí)，要等傳動(dòng)鏈中的間隙消除以后才能使機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)間隙就是反向間隙。這個(gè)間隙是機(jī)械傳動(dòng)（如齒輪齒圈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等）固有的特性，它會(huì)影響機(jī)床零件的加工精度。數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在換向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反向間隙的存在會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)短時(shí)無(wú)運(yùn)動(dòng)，這在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中是不允許的。所以，在機(jī)床設(shè)計(jì)之初就得考慮采取相應(yīng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)消除反向間隙。

2 如何消除反向間隙

傳統(tǒng)的機(jī)械消隙可以減少反向間隙，但同時(shí)也降低了傳動(dòng)效率，并且隨著時(shí)間推移這種機(jī)構(gòu)會(huì)使機(jī)械傳動(dòng)部分嚴(yán)重磨損?，F(xiàn)如今，數(shù)控系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)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(jī)械消隙實(shí)現(xiàn)雙電動(dòng)機(jī)電氣消隙[1]。該功能涉及兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，分別是Master驅(qū)動(dòng)器和Slave驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器必須具備相同的規(guī)格和性能；兩個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)主從控制可以產(chǎn)生雙倍于單個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)軸（串聯(lián)控制）；同時(shí)，在兩個(gè)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生預(yù)加載力矩用來(lái)消除機(jī)械傳功中的反向間隙，該功能可用于由同步或異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性或旋轉(zhuǎn)軸。雙電動(dòng)機(jī)電氣消隙原理如圖1所示。

圖1 雙電動(dòng)機(jī)電氣消隙原理圖

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

3 應(yīng)用實(shí)例

某數(shù)控機(jī)床，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用雙電動(dòng)機(jī)消隙控制結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)選用兩個(gè)同型號(hào)、同性能的西門子1PH8主軸同步電動(dòng)機(jī)并配備相同的伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器、齒輪齒圈帶動(dòng)工作臺(tái)分度，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安裝在工作臺(tái)下面的距離編碼器將旋轉(zhuǎn)信號(hào)反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到精確、可靠地分度和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床工作臺(tái)如圖2所示。

圖2 機(jī)床工作臺(tái)

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

圖3 數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)通“Tandem function”

圖4 主從驅(qū)動(dòng)建立本地連接

配置過(guò)程分為以下三個(gè)階段：

第一階段：主動(dòng)軸（定義為@8）和從動(dòng)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(dòng)器參數(shù)之后，將主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的電動(dòng)機(jī)均放置在平坦開(kāi)闊的地面上，手動(dòng)運(yùn)行正常且方向一致，如圖5所示。

圖5 主從電動(dòng)機(jī)半閉環(huán)配置

另外，需要對(duì)主從電動(dòng)機(jī)分別執(zhí)行EPSM（Electric Position Synchronization With Movement），并設(shè)置主從電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)V273（Electrical phase offset management）；否則，該軸在第二反饋下回參考點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)報(bào)警。

第二階段：雙驅(qū)消隙配置和主動(dòng)電動(dòng)機(jī)的全閉環(huán)配置。電動(dòng)機(jī)在半閉環(huán)下運(yùn)行正常后，即可安裝于工作臺(tái)之上與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，如圖6所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)與工作臺(tái)連接

這時(shí)打開(kāi)數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試軟件，配置主動(dòng)軸@8并勾選“Anti-backlash/torque Synchronized”，再進(jìn)入主動(dòng)軸@8和從動(dòng)軸@9的驅(qū)動(dòng)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(dòng)的消隙參數(shù)及主動(dòng)電動(dòng)機(jī)的預(yù)緊力矩后，觀察負(fù)載變化情況并嘗試低速運(yùn)行臺(tái)面，可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。靜止時(shí)，主從電動(dòng)機(jī)的預(yù)緊力矩基本一樣大，運(yùn)行時(shí)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(lái)就是編碼器的配置。這種主從電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)構(gòu)，編碼器只配置在主動(dòng)軸上。編碼器信號(hào)強(qiáng)度要求：（0.6～1.2）Vpp(≈1Vpp)；參考點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度要求：0.2V≤R≤0.85V(≈0.5V)。設(shè)置好主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)器與編碼器相關(guān)的參數(shù)后，測(cè)試編碼器信號(hào)和參考點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度均在要求范圍。手動(dòng)運(yùn)行工作臺(tái)并執(zhí)行回參考點(diǎn)后，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

第三階段：工作臺(tái)的參數(shù)優(yōu)化。對(duì)于這種主從控制的軸，只需要優(yōu)化主動(dòng)軸即可，從動(dòng)軸的電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)按照主動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)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(jī)床加工過(guò)程中，工作臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，加工零件也能達(dá)到精度要求。至此，雙電動(dòng)機(jī)電氣消隙功能就配置完成了。由此可見(jiàn)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(jī)床的日益發(fā)展，該功能會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。