一種四電機驅動同步及消隙控制策略研究

李備備,林 滸,鄭飂默

1(中國科學院大學,北京 100190)2(中國科學院 沈陽計算技術研究所,沈陽 110168)3(沈陽高精數控智能技術股份有限公司,沈陽 110168) E-mail:li5566189@126.com

1 引 言

隨著航空技術的飛速發展,飛機結構件也普遍趨于大型化、復雜化和整體化.這些大型、復雜工件的加工精度往往要求較高,而加工周期則要求較短,傳統數控機床很難滿足要求.龍門式或橋式數控加工中心相較于傳統數控機床具有加工范圍大、高速、高精等特點,可以很好的滿足上述需求,因而在航空制造領域得到了大規模的應用[1].然而龍門式加工中心在使得對大型零部件的加工變得高效便捷的同時,也帶來了運動過程中龍門移動平臺較難的同步控制問題[2].目前龍門移動平臺的傳動方式主要有兩種[3,4]:一種是滾珠絲杠傳動方式,即采用單臺電機加上單個滾珠絲杠傳動的單邊驅動形式或者雙電機加上雙滾珠絲杠的雙邊驅動形式.其中單軸單邊驅動很難將驅動力龍門移動平臺的重心,其產生的不對稱的驅動力會造成絲杠的彎曲變形而影響系統的定位精度.因而龍門移動平臺通常會采用雙軸驅動,雙軸驅動時絲杠位于工作臺兩側對稱放置,電機通過兩側的絲杠共同驅動工作臺的運動,合理的雙軸同步控制可以避免上述情況的發生.

國內外學者對雙軸同步控制進行了深入的研究[5-8],這些研究多采用主從式同步控制方式.在此同步方式下,從動軸將主動軸作為參考對象,從動軸依據主動軸的運動情況對自身進行調整,而其負載干擾不會反饋到主動軸,因而同步控制效果并不理想.另一種傳動方式是齒輪齒條傳動方式.在該傳動方式下,齒條位于工作臺兩側對稱放置,電機通過驅動兩邊的齒輪共同驅動工作臺的運動.若采用雙電機驅動,即每側僅使用一臺電機驅動齒輪,系統在換向時,由于齒輪與齒條之間存在齒輪的側向間隙,會使進給運動反向滯后,從而影響傳動精度.若采用四臺電機驅動,即每側使用兩臺電機驅動兩個齒輪同時與齒條嚙合傳動,若能使兩齒輪的輪齒分別與齒條輪齒的相反兩側相接觸,則可消除反向傳動側隙.因此如何在確保消除齒輪與齒條之間齒側間隙的同時,并使龍門式數控機床兩側的位移量保持同步,是基于開放式數控系統對龍門移動平臺進行控制需要解決的關鍵問題[9-15].

本文以四電機驅動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺為研究對象,提出了一種基于開放式數控系統的龍門平臺的同步及消隙控制策略,該策略以基于實時以太網總線的開放式數控系統作為主要執行平臺,并以實時以太網總線作為數據交換的載體.通過雙軸協調同步控制方法同時對兩個軸的位置進行調節,達到快速雙軸快速同步的目的.與此同時,通過齒輪齒條傳動控制方法使得兩臺電機輸出相同的扭矩,再通過給兩臺電機施加偏置電流,使其在電機中產生偏置力矩,達到消除齒隙的目的.此外,為提高開放式數控系統的控制頻率與精度,本文將數控系統中的插補運算分離為粗插補和精插補兩個過程,粗插補運算的插補周期仍保持原有周期不變,而精插補周期則匹配伺服控制器的最小控制周期.

2 四電機驅動龍門移動平臺結構

四電機驅動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺如圖1(a)所示,由電機、齒輪齒條、移動臺和基座等組成,其中移動平臺橫跨在兩邊的基座上,兩邊分別由雙電機通過減速器和聯軸器驅動雙齒輪與齒條嚙合進行傳動,并從各自的距離碼光柵尺得到反饋位置,從而構成兩套獨立的位置閉合環路,共同驅動龍門移動平臺.

圖1 四電機驅動龍移動平臺示意圖Fig.1 Schematic of four-motor driven gantry platform

四電機驅動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺的電氣連接如圖1(b)所示,開放式數控系統使用實時以太網總線以菊花鏈的形式連接四套伺服驅動器和電機.我們將這四套驅動器和電機分為兩組,分別將位于龍門工作臺同側的兩套驅動器和電機劃分在同一組并定義為組1和組2.從數控系統角度來看,每一套驅動器和電機都對應著一個單獨的軸,因此我們將組1中的軸定義為X1軸,其中組內的兩個軸分別為X11軸和X12軸.同理將組2定義為X2軸,組內兩軸分別為X21軸和X22軸.組內采用雙電機驅動消隙技術,將組內兩個軸的其一個軸X11/X21設置為主控軸(Master),另一個軸X21/X22設置被控軸(Slave),它們之間通過串行總線交換數據,借助于被控軸驅動器中消隙卡的控制,雙電機通過驅動同側的兩個齒輪與齒條進行嚙合傳動.組間則采用雙軸同步控制技術,將各組中的主控軸作為雙軸同步的對象,采用雙軸并行同步控制方法進行同步控制,進而共同驅動龍門移動平臺的兩側一起運動.

3 同步及消隙控制策略

本文提出的基于開放式數控系統的四電機驅動同步及消隙控制策略如圖2所示,其控制過程可分為插補運算處理和同步及消隙控制兩個階段.

在插補運算處理階段,開放式數控系統將原有插補運算進行分離,劃分為粗插補和精插補兩部分.粗插補的插補周期保持不變,將精插補的插補周期調整為粗插補的1/n,以匹配伺服驅動器的控制周期,提高控制頻率.在同步及消隙控制階段,其過程又可分為雙軸同步控制和雙電機驅動消隙控制兩部分.對于雙軸同步控制,采用雙軸并行同步控制方法,控制對象為兩組軸中的主控軸(Master).首先依據兩個同步軸的反饋位置計算同步誤差,并將它作為輸入量輸入到雙軸并行同步控制器中,控制器經過運算得到補償量,最后采用補償量分配策略將補償量通過實時以太網總線分配到兩個同步軸中.對于雙電機驅動消隙控制,則采用齒輪齒條傳動控制方法,該方法可使主從軸均輸出相同的扭矩,控制對象為每組中的主控軸(Master)和被控軸(Slave).數控系統依據各組消隙卡中監測到的電機電流計算各個組內主從軸之間需要施加的偏置力矩,并將偏置力矩通過實時以太網總線傳送到消隙卡中.

圖2 同步及消隙控制策略Fig.2 Control strategy of synchronization and anti-backlash

3.1 插補運算分離

開放式數控系統的應用軟件可分為五大模塊如圖3(a),分別為人機操作界面模塊、任務控制模塊、PLC控制模塊、運動控制模塊和實時以太網總線驅動模塊.其中人機操作界面模塊是數控系統最直觀的表現,它為操作用戶提供一致性的方便友好的操作接口.任務控N制模塊負責解釋與執行零件加工程序,并連續控制運動控制模塊與PLC控制模塊以完成一個完整的加工任務.PLC控制器主要負責對離散I/O的控制.運動控制模塊主要負責運動軌跡規劃和插補運算處理.實時以太網總線模塊則負責依據總線通信協議封裝和解析插補數據及控制命令.

通常情況下,數控系統所采用的插補周期要大于伺服驅動器內部的控制周期以及其提供給總線的最小的控制周期.為匹配伺服驅動器的控制周期以提高控制頻率及精度,本文將開放式數控系統原有插補運算進行分離,劃分為粗插補與精插補.其中粗插補的插補周期保持不變,精插補的插補周期調整為粗插補的1/n,n的取值據實際情況可分別設定為1、2和4.當伺服驅動器的最小控制周期大于數控系統的插補周期時,伺服驅動器的控制精度不滿足要求,該情況不作考慮;當伺服驅動器的最小控制周期等于數控系統的粗插補周期時,數控系統的精插補周期和粗插補周期保持一致,此時n設定為1;當伺服驅動器的最小控制周期為數控系統粗插補周期的一半時,設定n的值為2;當伺服驅動器的最小控制周期小于等于數控系統插補周期的四分之一時,設定n的值為4.

圖3 開放式數控系統體系結構Fig.3 Architecture of open CNC system

分離插補運算所涉及到的模塊為開放式數控系統應用軟件層中的運動控制模塊與實時以太網總線驅動模塊,如圖3(b)所示.粗插補運算取代原有插補運算在運動控制模塊中的位置, 而精插補運算被置于底層的實時以太網總線驅動模塊中.上層運動控制模塊與底層實時以太網總線驅動模塊之間采用兩個緩沖區進行數據交換.一個用于模塊之間的非周期性數據交換,采用普通的共享緩沖區,其交換的數據包括伺服驅動器配置及報警信息等.另一個用于模塊之間的周期性數據交換,采用環形緩沖區,以確保被交換數據的一致性.其中運動控制模塊負責向環形緩沖區尾部插入粗插補值,總線驅動模塊則負責從環形緩沖區的頭部取出粗插補值進而進行精插補運算.

3.2 雙軸同步控制

對于雙軸同步控制,采用雙軸并行同步控制方法,控制對象為兩組軸中的主控軸(Master).首先數控系統會依據兩個同步軸的反饋位置計算各自的位置跟隨誤差以及兩個軸之間的位置同步誤差.緊接著將位置同步誤差作為輸入量輸入到雙軸并行同步控制器中,控制器經過運算得到補償量.并將位置跟隨誤差作為補償量分配的依據,計算兩個同步軸的補償分量.最后通過實時以太網總線將計算得到的補償分量分配到相應的同步軸中.

雙軸同步控制器采用專家PID控制算法,所謂專家控制是根據專家所掌握的控制規律及經驗對被控對象進行智能控制,具體到專家PID控制中,其核心為分區域或是分段的對被控對象進行PID控制,即針對不同的區域采用不同的控制策略.本文根據同步誤差e(k)及其變化量Δe(k)對專家PID控制器進行設計,可分3種情況如圖4所示,其中emin、emid和emax分別為所設定的同步誤差的最小值、中間值和最大值.較強的控制作用和一般的控制作用分別是讓PID控制器輸出較大和較小的補償量,可以通過在控制器中增加調節PID參數的放大系數和抑制系數來實現.

圖4 專家PID控制器分區結構Fig.4 Partition structure of expert PID controller

此外,本文依據兩同步軸跟隨誤差之間的正負性對控制器輸出的補償量進行補償分量的劃分,其補償分量的大小由兩個同步軸各自跟隨誤差的大小決定,補償分量分配給兩個同步軸并補償到各自的速度環中.采用這種方式對兩個軸同時進行調節,可以快速減小兩個同步軸之間的同步誤差.

3.3 雙電機驅動消隙控制

對于雙電機驅動消隙控制,采用齒輪齒條傳動控制方法(Rack-and-Pinion Drive Control,RPDC),該方法集成在消隙卡中,可使主從軸均輸出相同的扭矩,控制對象為每組中的主控軸(Master)和被控軸(Slave).數控系統依據各組消隙卡中監測到的電機電流計算各個組內主從軸之間需要施加的偏置力矩,并將偏置力矩通過實時以太網總線傳送到消隙卡中.

RPDC是一種用于控制齒輪齒條傳動機構或者行星齒輪傳動機構的雙電機驅動控制方法.該方法在兩個電機之間施加一個大小相等方向相反的預緊力,用于消除齒輪在啟動或是換向時產生的齒側間隙.此外齒輪齒條傳動控制采用了主從式(Master/Slave)控制結構,在該控制結構下,當所需扭矩不斷增大并高于預緊力產生的扭矩時,從(Slave)驅動器也逐漸越過補償后的間隙并開始輔助主(Master)驅動器共同驅動負載.

圖5 齒輪齒條傳動控制結構Fig.5 Structure of rack and pinion drive control

RPDC控制結構如圖5所示,被控對象為同組內的兩個軸X11(X21)和X12(X22),采用主從式控制結構,X11(X21)軸被設置為主控軸,其驅動器內部采用位置控制模式,X12(X22)軸被設置為從動軸,其驅動器內部采用速度控制模式.主從驅動器之間通過串行總線進行數據交換,為了使主從軸之間輸出相同的扭矩,主從驅動器首先交換各自的參考電流,在得到雙方的參考電流后,將其與各自的參考電流相加,從而使主從驅動器的參考電流保持相同.雖然這樣可以確保兩個軸輸出相同的扭矩從而得到相同的負載,但是兩個驅動器內速度環的輸出可能變得大不相同.位于從驅動器內的過程控制器(Process Controller,PRC)用于對此進行補償,它通過調整從驅動器內的速度控制器使其輸出量與主驅動器內速度控制器的輸出量之間的偏差趨近于零.

最后分別對主從驅動器施加一個偏置力矩,該偏置力矩始終保持大小相等并且方向相反,這樣齒輪的側間隙便可以消除,此外偏置力矩是等值反向的所以也不會導致齒輪的運動.在這種情況下,一旦主驅動器接收到一個位置指令,主從驅動器便會產生大小相同的扭矩輸出.當該扭矩大于所設置的偏置力矩后,從驅動器控制會協助主驅動器共同驅動負載.當位置控制結束時,主從驅動器產生的扭矩又會減小為零,在整個過程中偏置力矩始終存在因而齒隙也不會存在.

4 測試與分析

開放式數控系統LT-GJ400的物理連接如圖6(a)所示,其采用雙處理器的分體式結構,由人機接口單元(HMU)和機床控制單元(MCU)組成.分體式結構將MCU與HMU分離開來,減輕了MCU的工作負載,使其可以專注于處理機床的相關控制任務.數控系統采用以太網加現場總線架構,HMU和MCU之間分別通過Ethernet和SSB-III總線連接,伺服驅動器和電機則通過EtherCAT總線串聯在一起.

目前,這套開放式數控系統及其配套的龍門式五軸加工中心如圖6(b)所示,已應用在航空制造領域,用于對飛機機身的大型結構件的加工中.本文通過′S′試件的加工來對所提出的四電機驅動同步及消隙控制策略的控制效果進行測試,加工后得到的′S′試件如圖6(c)所示,其表面光滑,沒有明顯的加工痕跡.測試結果如表1所示,從中可以看出GJ400加工試件的緣條厚度最大測量偏差為0.08毫米,雖然略大于西門子840D的0.03毫米,但是仍在允許偏差0.1毫米的范圍之內.在以0.05毫米的理想輪廓度為測量標準時,本系統加工的試件只有一個測量點超出了輪廓偏差,測量結果接近于840D系統.在以0.08毫米的允許輪廓度為測量標準時,本系統未出現超出輪廓偏差的測量點,因而滿足對航空典型結構件的加工要求,同時也反映出所提出的同步及消隙控制策略取得了良好控制的效果.

表1 S試件加工結果
Table 1 Testing result of “S”specimen

數控系統LT-GJ400 SINUMERIK 840D緣條 厚度 允許偏差3mm±0.13mm±0.1最大測量偏差±0.08mm±0.03mm輪廓度理想輪廓度±0.05mm±0.05mm超差點數10允許輪廓度±0.08mm±0.08mm超差點數00

5 結束語

本文在分析了現有龍門移動平臺的傳動方式的基礎之上,針對傳統的基于運動控制器對龍門移動平臺進行同步控制存在的問題,提出了基于開放式數控系統的四電機驅動同步及消隙控制策略.該策略既克服了雙電機驅動消隙效果差以及驅動力小的缺點,同時又發揮了開放式數控系統控制方式靈活以及實時以太網高傳輸速率低延時的優勢.最后本文以實際加工現場的大型龍門五軸加工中心為平臺,對航空制造領域的′S′試件進行了實際加工測試,證明了該策略可以取得較好的控制精度.該控制策略為龍門式五軸機床或加工中心存在的同步及消隙問題提供了一種有效的解決方案,同時使得國產數控系統配套大型龍門式機床或加工中心在航空制造領域的應用成為可能.