砂型3D打印的龍門軸同步控制技術(shù)研究

林風(fēng)

摘 要 為了簡化大型無模砂型3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及降低機(jī)械加工、安裝精度，對傳統(tǒng)的兩軸通過機(jī)械軸由單電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步，改進(jìn)為由雙電機(jī)驅(qū)動的龍門軸電氣控制方法實(shí)現(xiàn)同步。

關(guān)鍵詞 砂型3D打印;龍門軸;雙電機(jī)驅(qū)動;同步控制

引言

現(xiàn)在國內(nèi)外無模砂型3D打印機(jī)械設(shè)備，基本還都是只能打印中小型的砂型，尺寸一般在2000mmX1000mm以下，近年來，市場對大型無模砂型3D打印設(shè)備的需求越來越大，各生產(chǎn)設(shè)備廠商都相繼推出更大成型尺寸的大型無模砂型3D打印設(shè)備，隨著機(jī)型的不斷增大，傳統(tǒng)兩軸的同步通過機(jī)械軸由單電機(jī)驅(qū)動的方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工及安裝要求高，精度難于達(dá)到要求，越來越不能適應(yīng)機(jī)型的發(fā)展的需要。

通過雙電機(jī)驅(qū)動的龍門軸同步控制方的式來實(shí)現(xiàn)兩軸同步，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械加工及安裝要求，以滿足機(jī)型向越來越大方向發(fā)展的趨勢要求。

1控制策略

隨著近年來工業(yè)的發(fā)展，需要控制兩臺及其兩臺以上的電機(jī)。保持多電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)常用的兩種方法：一種是機(jī)械方法，另一種是電的方式。對于電方式的多臺電機(jī)協(xié)調(diào)控制的研究主要是深入到速度和力矩的雙重協(xié)調(diào)控制研究，目前存在的同步控制技術(shù)包括并行控制，主從控制，交叉耦合控制，虛擬總軸控制，偏差耦合控制等[1]。

根據(jù)我司多年的實(shí)踐，從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可行性考慮，選用交叉耦合控制的方式進(jìn)行龍門軸同步控制。

控制原理框圖如下：

2控制系統(tǒng)構(gòu)成

主控制單元采用倍福PLC：CX5140-0120，電機(jī)采用松下伺服（驅(qū)動器MEDLN83BE，電機(jī)MDMF202L1H6M），總線采用EtheraCat總線。砂型3D打印設(shè)備要求同步及精度高：動態(tài)同步誤差小于0.05mm，靜態(tài)同步誤差小于0.02mm，重復(fù)精度小于0.02mm，同時要求龍門承重大于5噸，因此主從軸采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)連接的硬龍門結(jié)構(gòu)。控制方法應(yīng)用倍福PLC之電子齒輪耦合功能[2]，實(shí)時監(jiān)控主從軸的同步偏差，動態(tài)實(shí)時調(diào)整從軸的速度，從而實(shí)現(xiàn)從軸跟隨主軸運(yùn)行。而主、從軸各自又進(jìn)行位置閉環(huán)控制，所以響應(yīng)迅速平穩(wěn)，動態(tài)誤差小，達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。

同時，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)常用的找手動回參功能，寸動及連動功能，以及參數(shù)設(shè)置功能。

3控制系統(tǒng)測試結(jié)果

主軸與從軸設(shè)置速度與實(shí)際速度，設(shè)置位置與實(shí)際位置的曲線圖[3]

主軸與從軸的實(shí)際位置曲線圖

4控制系統(tǒng)性能

經(jīng)過實(shí)踐測試，系統(tǒng)完全能夠達(dá)到預(yù)期的要求，本控制方法是可行的：

（1）動態(tài)同步誤差小于0.04mm;

（2）靜態(tài)同步誤差小于0.02mm;

（3）重復(fù)精度小于0.01mm;

（4）龍門承重：4噸。

5結(jié)束語

無軸傳動（也稱為無齒輪傳動）設(shè)計(jì)現(xiàn)已逐漸取代印刷機(jī)等制造業(yè)中的常規(guī)機(jī)械長軸和齒輪。機(jī)械零部件總是容易磨損。雖然積極維護(hù)可減少磨損，但卻無法消除這一問題。采用機(jī)械方式進(jìn)行連接的設(shè)備會逐漸降低精度，最后導(dǎo)致工作人員必須不斷重新調(diào)節(jié)或者更換磨損的零部件。對于采用電子同步技術(shù)的機(jī)械而言，磨損問題已經(jīng)成為過去，因?yàn)橛脩艨赏ㄟ^軟件來控制同步功能。同時也大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)以及降低了機(jī)械加工、安裝的難度。

相較傳統(tǒng)同步控制，本龍門軸同步控制具有極大的優(yōu)勢及經(jīng)濟(jì)效益。將拓寬砂型3D打印技術(shù)的應(yīng)用場合，給本領(lǐng)域帶來更大的活力和技術(shù)優(yōu)勢[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊晨娜，張怡.雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22（1）：36-37.

[2] 李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：177.

[3] 王孝武，方敏，葛鎖良.自動控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：215.

[4] 王威立，栗文雁.高精度伺服控制系統(tǒng)[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2016：69.