雙電機驅動消隙技術在重型數控機床的應用

范芳洪 石金艷

（湖南鐵道職業技術學院車機學院 湖南株洲）

小型數控機床采用滾珠絲桿螺母副傳動，使用機械預緊的方式消除絲桿螺母間的反向間隙，確保機床傳動精度。重型數控機床采用滾珠絲桿驅動，一是采用機械消隙方式效果不理想，間隙大，容易造成閉環系統振蕩，很難保證機床精度和剛性，并且消隙機構復雜，維護困難[1]；二是超長重載絲桿制造難度大、價格昂貴。因此重型數控機床進給軸采用齒輪和齒條傳動。

一、問題的提出

隨著科技進步，數控機床向高精度、高速度發展，數控機床在高速度運動情況下，進給傳動鏈的傳動間隙將嚴重影響系統性能，使用消隙齒輪和彈簧預緊等傳統的機械消隙方法雖然能消除傳動鏈的靜態誤差，但在高精度快速定位的數控機床中，伺服電機帶動負載頻繁換向，采用機械消隙措施不能克服間隙造成的瞬態誤差，影響系統的動態響應。在數控機床使用過程中，隨著傳動部件磨損和環境因素影響，消隙作用會逐漸降低甚至失去。隨著雙電機主從驅動技術在重型數控機床上廣泛應用，采用雙電機驅動消隙技術能夠很好地消除傳動鏈間隙，提高系統動態響應特性[2]。

二、雙電機驅動消隙技術

1.原理

雙電機消隙是由兩套獨立的伺服驅動器驅動相同參數的兩臺伺服電機[3]，每臺伺服電機通過聯軸器連接齒輪減速機構，兩個齒輪減速機構通過兩個小齒輪和齒條嚙合驅動工作臺（托板）運動（圖1），數控系統對兩個伺服電機實現主從控制。兩臺電機和各自減速機構的初級齒輪是直連的，故沒有傳動間隙。減速機構的初級齒輪到輸出齒輪各級齒輪的傳動間隙可簡化單級齒輪傳動間隙，在靜態時，伺服驅動器通過伺服電機輸出兩個大小相等、方向相反的扭矩（消隙扭矩）作用在減速機構的初級齒輪上，使各級傳動齒輪保持單面嚙合，圖1中左邊的小齒輪和齒條的左齒面相嚙合并有向左的驅動力矩，右邊的小齒輪和齒條的右齒面相嚙合并有右的驅動力矩，即一個是前齒面接觸，一個是后齒面接觸，兩扭矩相等，此時無間隙[4]。系統將兩個同方向的進給伺服軸分別設定為主動軸和從動軸，通過扭矩控制器分配兩個伺服電機之間扭矩。機床加速運動時，主動軸輸出扭矩逐漸增大，從動軸保持消隙扭矩，正轉時由前齒面接觸的齒輪出力驅動機床移動，反轉時由后齒面接觸的齒輪出力驅動機床移動。運動平穩時，從動軸輸出的扭矩減小到零并反向增加到與主動軸扭矩一致，從動齒輪離開反向工作面，與主動齒輪一起運動，主從電機共同承載系統的總負載。機床停止前，系統控制從動軸滯后工作，從動齒輪離開主動面，并以消隙扭矩靠緊從動面，運動停止時恢復到原來靜止狀態。無論機床向何方向運動，至少有一個小齒輪與齒條的齒面始終保持單面貼合，能夠保證系統的無間隙傳動，消隙效果見圖2。

2.特點（表1）

3.實現

圖2 齒輪傳動消隙效果

（1）機床參數的設置。在雙電機主從驅動控制系統中，數控系統只對主動軸進行位置控制，對從動軸進行速度控制，主從軸的速度值是一致的，從動軸的速度和扭矩控制值來自于主動軸。以西門子840D數控系統為例，介紹雙電機主從驅動消隙技術所需設置參數。假設從動軸軸號為AX5，主動軸軸號為AX4，相應的機床參數設置見表2。通過設置，AX5軸的速度和扭矩控制值就可從AX4軸獲得。

表1 雙電機主從驅動消隙和機械消隙對比

表2 840D數控系統參數設置

（2）雙電機驅動消隙扭矩設置。在雙電機主從驅動控制消隙技術中，一個比較關鍵的問題是設置消除間隙的消隙扭矩。每臺機床各零部件的加工和裝配精度不同，消隙扭矩也不相同。最好先由設計人員計算出消隙扭矩，然后在現場調試時再修改，找到一個合適的數值，使機床達到要求的動態響應速度和伺服精度。如西門子840D數控系統，主從消隙扭矩通過軸參數MD37264設置。

三、雙電機驅動消隙技術應用案例

高精度重型機床慣量大，難以控制，是機床行業研究難點。影響其定位精度的因素主要有伺服驅動系統的精度和數控裝置的精度[5]。具有閉環控制的數控機床，數控裝置和機床的傳動系統是伺服系統的一部分，伺服驅動系統的精度主要由檢測元件和機床自身精度、傳動件剛度及傳動系統所引起的誤差決定。數控裝置的精度主要由生產廠家決定。因此，從設計廠家角度來說，提高機床傳動系統的精度就是提高機床的定位精度。從機械設計角度考慮，機床本身齒輪傳動系統的齒隙和傳動鏈的誤差在一定程度決定了機床定位精度。

湖南鐵道職業技術學院1臺高精度臥式車削中心CK61160，數控系統采用SINENS 840D SL，交流伺服系統采用SIMODRIVE-S120。在該機床C軸和Z軸采用主從驅動的雙電機消隙技術，以提高機床定位精度、消除反向間隙和增大系統驅動能力。

1.雙電機驅動消隙在C軸的應用

在數控車削中心上，C軸是繞主軸（S軸）的回轉軸[6]，與其他進給軸聯動進行插補，可實現主軸的精確定位，完成特殊軌跡的加工。在一次裝夾中，具有C軸插補功能的機床可實現多工序、復合化加工，顯著提高加工范圍和大型復雜零件的加工精度。高精度重型數控機床是實現大型精密零部件加工的必備設備，機床C軸分度進給系統的設計是提高零件加工精度的關鍵技術。同時無間隙、傳動剛度高、阻尼特性好、傳動效率高的分度裝置，是車銑加工中心C軸傳動進給系統的必備條件。

CK61160高精度臥式車銑中心，主傳動機構采用兩個SIEMENS交流伺服主軸電機驅動，通過雙減速器控制的機械二擋的變換，使主軸可獲得所需轉速。通過裝在主軸后端部的SIEMENS雙通道編碼器實現C軸全閉環控制，C軸轉速范圍是0.01～5r/min，床頭外觀效果見圖3。機床安裝后，現場調試找到合適的C軸消隙扭矩為2.1 N·m，經檢測C軸定位精度達到10"以內，重復定位精度達到6"，反向差值達到6"以內，C軸精度達到用戶要求（C軸定位精度和重復定位精度的國家標準分別是15"和10"之內，用戶對C軸的定位和重復定位精度要求在12"和8"之內）。

2.雙電機驅動消隙在Z軸的應用

圖3 床頭箱外觀

Z軸為縱向進給軸（圖4、圖 5），由兩個 SIEMENS交流伺服電機驅動，分別帶動兩個精密行星減速機，通過電氣系統控制兩臺電機，將動力傳至末端的斜齒輪-齒條機構，同時實現消隙，從而帶動整個托板沿Z軸運動。兩個伺服電機分別安裝在刀架大托板的左右兩側，當刀架移動時，其中一個伺服電機作主拖動電機提供正向扭矩，而另一個伺服電機作為提供反向扭矩而消除齒輪間隙的反向消隙電機，使刀架在整個運動過程中保持高精度及高穩定性傳動。齒條是用專用工具及精密磨床磨制出來的，并經表面高頻淬火磨削而成的高精度齒輪。機床安裝后，現場調試找到合適的Z軸消隙扭矩為3.2 N·m，用激光干涉儀檢測Z軸的定位精度為 0.012 mm/2000 mm，重復定位精度為0.008 mm/2000 mm，均好于國家標準和用戶提出的精度要求（同類機床定位精度和重復定位精度的國家標準分別是不大于0.025 mm/2000 mm和0.015 mm/2000 mm[6]，用戶對Z軸提出的定位精度和重復定位精度分別不能超過0.015 mm/2000 mm和0.01 mm/2000 mm）。

圖4 Z軸齒輪齒條消隙實物

圖5 齒輪齒條消隙原理

四、結束語

重型數控機床采用雙電機消隙技術，消隙精度高、穩定性好，間隙發生變化時能自動消除，確保機床定位精度，簡化機械結構，降低成本，能夠用普通精度的減速齒輪箱代替具有機械消隙功能的高精度減速機構[7]。系統負載由兩個電機共同承擔，每個電機承擔的最大負載只有系統負載的一半，可以選用較小容量的電機和伺服驅動器。雙電機消隙實現了數控機床零間隙傳動，動態響應速度快，提高了數控機床的傳動精度和伺服精度[8]，在高精度重型數控機床上有廣泛應用前景。

1 張 童.李英杰.蔣君平.幾種消隙驅動結構在機床回轉工作臺上的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2012（08）

2 石秀敏.戴 怡.馬紀孝.數控機床進給系統仿真研究[J].機械與電子，2012（02）

3 魏裕國.主從驅動控制在雙電機消隙中的應用[J].電子制作，2013（05）

4 黃小林.宋良輝.雙電機消隙在龍門移動式機床上應用[J].金屬加工（冷加工），2011（11）

5 周忠博.王紅軍.黃 民.數控系統最新進展及發展趨勢研究[J].裝備制造技術，2013（01）

6 王建平.數控機床定位精度與補償[J].機床與液壓，2011（04）

7 何華勇.數控機床雙軸同步控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2011

8 張德江.門延會.毛 羽.SIEMENS 840D系統在GS30型數控機床改造中應用[J].組合機床與自動化加工技術，011（02）