NUM系統反向消隙功能在數控機床中的應用

淮睿， 王蕾

（秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞721009）

1 機床傳動環節存在反向間隙

近年來，數控機床正在朝著自動化、智能化方面迅猛發展，很多機床都配備了機器人和料倉等自動化輔助設備，以此來提高生產效率，節約人工成本。這樣就要求機床制造商生產的主機必須達到高精度，從而保證了加工的零件精度能夠達標。

然而，在機床的傳動環節中都存在著反向間隙，所謂反向間隙，就是機械傳動結構在換向運動時，由于傳動鏈中間存在一定的間隙，此時，要等傳動鏈中的間隙消除以后才能使機械結構運動，這個間隙就是反向間隙。這個間隙是機械傳動（如齒輪齒圈傳動、蝸輪蝸桿傳動等）固有的特性，它會影響機床零件的加工精度。數控機床的旋轉工作臺在換向運動時，由于反向間隙的存在會導致工作臺短時無運動，這在機床運行過程中是不允許的。所以，在機床設計之初就得考慮采取相應的傳動結構來消除反向間隙。

2 如何消除反向間隙

傳統的機械消隙可以減少反向間隙，但同時也降低了傳動效率，并且隨著時間推移這種機構會使機械傳動部分嚴重磨損。現如今，數控系統的功能越來越強大，比如NUM數控系統TANDEM Functions（串聯功能）中的Anti-backlash function（反向消隙功能），可以取代機械消隙實現雙電動機電氣消隙[1]。該功能涉及兩個驅動器，分別是Master驅動器和Slave驅動器，兩個驅動器必須具備相同的規格和性能；兩個電動機通過主從控制可以產生雙倍于單個電動機的轉矩，用于驅動一個軸（串聯控制）；同時，在兩個電動機和傳動結構之間產生預加載力矩用來消除機械傳功中的反向間隙，該功能可用于由同步或異步電動機驅動的線性或旋轉軸。雙電動機電氣消隙原理如圖1所示。

圖1 雙電動機電氣消隙原理圖

雙電動機電氣消隙相比較于機械消隙具有一定的優勢：首先，可以提高定位精度；其次，可以提供兩倍于單電動機的轉矩輸出來控制單個軸，同時，還能提供預緊力矩來消除反向間隙；再次，成本控制上可以使用兩個小電動機驅動[2-3]。

3 應用實例

某數控機床，旋轉工作臺采用雙電動機消隙控制結構。電動機選用兩個同型號、同性能的西門子1PH8主軸同步電動機并配備相同的伺服驅動器，伺服電動機經減速器、齒輪齒圈帶動工作臺分度，實現旋轉運動。安裝在工作臺下面的距離編碼器將旋轉信號反饋到數控系統中，控制伺服電動機的轉動，達到精確、可靠地分度和回轉運動。機床工作臺如圖2所示。

圖2 機床工作臺

配置前準備工作如下：首先，數控系統需要開通Tandem Function功能，如圖3所示；其次，主動軸伺服驅動器和從動軸伺服驅動器的S4口之間需要用一根網線連接實現Local Link connections，如圖4所示，然后才能進行雙驅結構控制的配置。

圖3 數控系統開通“Tandem function”

圖4 主從驅動建立本地連接

配置過程分為以下三個階段：

第一階段：主動軸（定義為@8）和從動軸（定義為@9）半閉環的配置。在半閉環狀態下設置好主從驅動器參數之后，將主動軸和從動軸的電動機均放置在平坦開闊的地面上，手動運行正常且方向一致，如圖5所示。

圖5 主從電動機半閉環配置

另外，需要對主從電動機分別執行EPSM（Electric Position Synchronization With Movement），并設置主從電動機驅動器參數V273（Electrical phase offset management）；否則，該軸在第二反饋下回參考點時會出現驅動報警。

第二階段：雙驅消隙配置和主動電動機的全閉環配置。電動機在半閉環下運行正常后，即可安裝于工作臺之上與傳動機構連接，如圖6所示。

圖6 電動機與工作臺連接

這時打開數控系統調試軟件，配置主動軸@8并勾選“Anti-backlash/torque Synchronized”，再進入主動軸@8和從動軸@9的驅動參數設置界面，分別設置以下參數：

配置好主從驅動的消隙參數及主動電動機的預緊力矩后，觀察負載變化情況并嘗試低速運行臺面，可正常運轉。靜止時，主從電動機的預緊力矩基本一樣大，運行時一大一小。這樣雙驅消隙主從控制功能就配置好了。

接下來就是編碼器的配置。這種主從電動機控制的結構，編碼器只配置在主動軸上。編碼器信號強度要求：（0.6～1.2）Vpp(≈1Vpp)；參考點信號強度要求：0.2V≤R≤0.85V(≈0.5V)。設置好主動軸驅動器與編碼器相關的參數后，測試編碼器信號和參考點信號強度均在要求范圍。手動運行工作臺并執行回參考點后，運轉正常。

第三階段：工作臺的參數優化。對于這種主從控制的軸，只需要優化主動軸即可，從動軸的電流環和速度環參數按照主動軸的驅動參數設置即可。具體的優化方法和普通軸的一樣，此處就不再贅述。

在后續的機床加工過程中，工作臺運行穩定，加工零件也能達到精度要求。至此，雙電動機電氣消隙功能就配置完成了。由此可見該功能性能優越，控制精度高，配置成本低，并且隨著大規格、重型數控機床的日益發展，該功能會得到更加廣泛的應用。