高精度機械設備換向間隙補償的控制系統和方法

許展望，景群平，王俊萍，馬永軍，郝宏昭

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在機械設備制造中，存在機械零件公差，舊設備的長期磨損，會使機械零件的公差變大，機械設備換向時，就有換向間隙出現，降低了機械設備位置控制精度，對于高精度設備的位置定位來說，就不能滿足實際要求。在武鋼某個項目的碎邊剪設備改造中，由于舊設備的長期磨損使側間隙機構換向間隙變大，控制精度變差，引起廢邊剪不斷和卡阻的現象，嚴重影響機組生產。

機械設備換向間隙的問題，通過減小機械設備加工精度的公差，提高設備裝配的精度可以縮小間隙，但不能徹底消除間隙，對于高精度要求的機械設備來說就要通過換向間隙補償來解決。

機械設備的位置檢測，大部分都是通過位移傳感器或位置編碼器來間接測量，其中就包含著機械設備換向間隙引起的測量誤差，機械設備的位置不能準確測量，也使機械設備高精度的位置控制無法實現，所以進行機械設備換向間隙補償很有必要。

大多數情況下，機械設備高精度位置控制采用伺服電機和伺服驅動器來實現，無形中就增加了成本，本文采用普通變頻電機和變頻器，使用一種控制方法來補償機械設備的換向間隙，通過軟件編程來實現機械設備高精度位置控制。

1 機械設備換向間隙補償控制系統

1.1 機械設備和檢測元件構成

機械設備一般包括被動件1和主動件2兩部分，機械設備設計中間接測量就是將位移傳感器或位置編碼器和主動件連接在一起，由于主動件和被動件之間存在換向間隙，這樣主動件的測量值并不是被動件的實際位置，機械設備的主動件的測量值和被動件反映的實際位置始終保持一致，是機械設備被動件高精度位置控制的關鍵，需要對機械設備的換向間隙進行補償來實現。機械設備換向間隙圖如圖1所示。

圖1 機械設備換向間隙圖

1.2 控制系統構成

機械設備換向間隙補償的電氣控制系統，包括位移傳感器或位置編碼器、可編程控制器、上位計算機、觸摸屏、操作臺、變頻器、電機等。機械設備換向間隙補償電氣控制系統框圖如圖2所示。

圖2 機械設備換向間隙補償電氣控制系統框圖

2 機械設備換向間隙補償控制方法

2.1 機械設備換向間隙的測量

機械設備換向間隙測量圖如圖3所示。

圖3 機械設備換向間隙測量圖

機械設備換向間隙b0測量過程，首先控制機械設備沿著位移量增大的方向運行，消除掉從小到大的換向間隙后，控制機械設備從大到小換向運行，使用千分表或其他測量工具直接測量機械設備的位置變化量Δdi，記錄位移傳感器或位置編碼器檢測的位置變化量Δai。

以上過程重復進行10次，使用公式計算b0為

2.2 機械設備換向間隙補償的控制方法

機械設備換向間隙補償的控制方法。位移傳感器或位置編碼器檢測的設備位置值為a；機械設備從大到小換向瞬間保存的實際位置值為a′；機械設備從小到大換向瞬間保存的實際位置值為a″；機械設備換向間隙測量值為b0；機械設備從大到小第n次換向的間隙值為bn；機械設備從小到大第n次換向的間隙值為cn；機械設備的實際位置顯示值為d。

(1)機械設備從大到小換向間隙補償。機械設備從大到小換向的瞬間，a值修正為當前的d值；并把d賦值給a′，計算機械設備的實際位置顯示值d。

當a≥a′-bn時，d=a′，bn+1=bn-(a′-a)，cn+1=cn+(a′-a)；

當a

(2)機械設備從小到大換向間隙補償。機械設備從小到大換向的瞬間，a值修正為當前的d值；并把d賦值給a″，計算機械設備的實際位置顯示值d。

當a≤a″+cn時，d=a″，cn+1=cn-(a-a″)，bn+1=bn+(a-a″)；

當a>a″+cn時，d=a-cn，cn+1=0，bn+1=b0

2.3 機械設備換向間隙補償的實現

高精度機械設備換向間隙補償的控制系統，包括連接于機械設備上的位移傳感器或位置編碼器，位移傳感器或位置編碼器測量值進入可編程控制器，可編程控制器分別與觸摸屏、上位計算機、操作臺和變頻器相連，并有信號交換，變頻器與電機相連接，電機與機械設備相連接。

首先在上位計算機或觸摸屏上進行機械設備實際位置顯示值的標定操作，然后設定機械設備的換向間隙測量值、機械設備位置控制的目標值等，并傳送給可編程控制器。

可編程控制器是整個控制系統的核心，采用高精度和高速運算特點的CPU，通過程序和算法進行機械設備換向間隙的補償，并實現整個工藝控制功能。位移傳感器或位置編碼器測量機械設備主動件的位移量，并反饋數值給可編程控制器。機械設備的手動和自動控制操作在操作臺上進行，可編程控制器按照控制指令，進行機械設備被動件位置控制的目標值與經過換向間隙補償的機械設備主動件實際位置值比較，通過變頻器控制電機轉動，實現機械設備準確位置定位?？删幊炭刂破靼芽刂频倪^程和結果數據上傳到上位計算機和觸摸屏，在畫面上顯示。

3 應用效果

這種高精度機械設備換向間隙補償的控制系統和方法已應用在寶鋼、鞍鋼、武鋼等多個工程項目中，取得了滿意的效果。

例如應用在武鋼的某個項目的碎邊剪側間隙的調整控制，設備的換向間隙為0.05 mm,影響設備的位置控制精度，不能滿足工藝要求，影響產品質量。采用這種高精度機械設備換向間隙補償的控制系統和方法解決了問題。

未采用換向間隙補償和采用換向間隙補償的位置控制目標值和測量值的比較見表1，由表1可以看出未采用換向間隙補償碎邊剪側間隙的調整控制誤差在±0.05 mm左右，而采用換向間隙補償碎邊剪側間隙的調整控制誤差在±0.006 mm以內，明顯采用這種換向間隙補償的控制方法提高了設備的位置控制精度，滿足了設備的工藝要求。

表1 目標值和實測值的比較表

這種控制系統和控制方法有以下優點：

(1)機械設備采用普通變頻電機和變頻器，降低了成本；

(2)間接測量產生的換向間隙，使用一種控制方法來補償，通過軟件編程來實現機械設備高精度位置控制；

(3)提高了機械設備的位置控制精度，滿足了工藝要求。

4 結束語

高精度機械設備換向間隙補償的控制系統和控制方法已獲得國家發明專利授權(專利號：ZL201310577414.6)，在多個工程項目中得到了應用，取得了滿意的效果。這種控制方法降低了設備成本，提高了設備的控制精度，滿足了工藝要求，提高了產品質量。

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