陳東生

( 中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900)

如圖1 所示，是一個(gè)龍門結(jié)構(gòu)形式的升降機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)中，采用兩個(gè)電動(dòng)推桿雙驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械裝置進(jìn)行加載，由于推桿與加載裝置之間是剛性連接，系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的推桿有一個(gè)同步要求，否則機(jī)械裝置會(huì)受到破壞。該升降機(jī)構(gòu)對(duì)工件需施加一噸多的壓力，這時(shí)候仍然必須保證升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置保持同步，以達(dá)到均勻施加載荷的目的。電動(dòng)推桿只是一個(gè)推力裝置，并不是一個(gè)定位裝置，這就對(duì)該同步控制設(shè)計(jì)提出了一個(gè)難題。另外為滿足設(shè)備工作位置初始化和設(shè)備校準(zhǔn)需要，升降機(jī)構(gòu)還需具有同步回零功能。

圖1 升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

作者針對(duì)特定裝置提出了同步控制方案，以供大家借鑒。

1 雙驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿同步控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架

整個(gè)硬件系統(tǒng)由5 個(gè)部分組成:

(1)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，由PC (上位機(jī))、6K 控制器和PLC(下位機(jī))組成。下位機(jī)6K 控制器實(shí)現(xiàn)如插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、速度控制、多軸運(yùn)動(dòng)控制、操作面板開(kāi)關(guān)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸入輸出處理以及運(yùn)動(dòng)邏輯功能等實(shí)時(shí)性功能;PLC 主要完成電動(dòng)推桿同步超差保護(hù)控制功能。

(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由安川驅(qū)動(dòng)器和安川電機(jī)組成。

(3)測(cè)量反饋系統(tǒng)。由電機(jī)編碼器、減速機(jī)處編碼器、電動(dòng)推桿處接觸式位移傳感器、RS485 轉(zhuǎn)RS232 通訊接口組成。電機(jī)編碼器信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成速度環(huán);減速機(jī)處編碼器信號(hào)反饋到6K 控制器，構(gòu)成位置環(huán);電動(dòng)推桿處接觸式位移傳感器通過(guò)RS232 將位置信號(hào)反饋到工控機(jī)。

(4)傳動(dòng)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。減速機(jī)可以提高電動(dòng)推桿的輸出扭矩，兩個(gè)電動(dòng)推桿是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)控制的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)推桿將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)電動(dòng)推桿之間使用剛性連接，正因?yàn)樗鼈兊膭傂赃B接，才對(duì)同步提出了較高的要求。兩個(gè)電機(jī)同步運(yùn)行，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿作一個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。圖2 為系統(tǒng)的控制框架。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 雙驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿加載同步控制技術(shù)

兩軸同步控制，顧名思義就是要兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)是一致的。該裝置需要兩個(gè)軸的位置要一致。要實(shí)現(xiàn)兩軸的位置同步，必須要啟動(dòng)同步、停止同步、速度同步、加速度同步。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)兩軸的位置同步:一種是機(jī)械同步，機(jī)械同步一般不用在高精度同步控制中;另一種是電子控制同步，使用可編程的步進(jìn)或伺服電機(jī)系統(tǒng)替代機(jī)械同步傳動(dòng)部分，同步軸由各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩軸的速度和位置同步關(guān)系由控制器來(lái)控制。電子控制同步可以很容易改變同步軸的同步關(guān)系，并且沒(méi)有齒隙和齒輪磨損等問(wèn)題出現(xiàn)，它減少了同步機(jī)械裝置，并且使用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，提高了控制同步精度。

該系統(tǒng)采用電子同步控制技術(shù)，其核心是控制器的精確控制和各伺服軸的精密定位。以下是一些運(yùn)用在加載中的同步控制方法，實(shí)際運(yùn)行時(shí)非常有效，其同步精度可控制在10 μm。

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)推桿，由于電動(dòng)推桿沒(méi)有很好的導(dǎo)向，即使有導(dǎo)向，其導(dǎo)向精度也不會(huì)太高，另外在推桿推出一定行程后，它就成為一個(gè)懸臂機(jī)構(gòu)了。文中要求的同步控制目的:①保證在加載時(shí)兩個(gè)桿同時(shí)受力不至于機(jī)械受損;②解決兩個(gè)桿不平衡會(huì)導(dǎo)致加載壓力不均勻的問(wèn)題。

由此，加載時(shí)的同步控制必須要考慮到機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要是推桿要有一定的剛性，要足夠粗，在給定的加載壓力下彎曲要非常小;另外，需要設(shè)計(jì)裝配保證兩個(gè)推桿之間具有良好的平行度、推桿與加載機(jī)構(gòu)之間具有較好的垂直度。另外必須考慮由于升降桿不同步導(dǎo)致的橫梁破壞問(wèn)題，在橫梁和升降桿的連接部位，可通過(guò)增加一個(gè)剛度極大的彈性元件，同時(shí)橫梁和兩個(gè)升降桿的連接采用銷釘連接，銷釘?shù)臄嗔褟?qiáng)度要比橫梁與基座的強(qiáng)度小得多。

(2)直線插補(bǔ)同步控制技術(shù)

6K 是開(kāi)環(huán)方式的輪廓控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制器采用直線插補(bǔ)的二軸聯(lián)動(dòng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步控制。聯(lián)動(dòng)工作方式不僅對(duì)于所驅(qū)動(dòng)的軸發(fā)出同步動(dòng)作脈沖，而且在每個(gè)伺服周期對(duì)聯(lián)動(dòng)軸的位置、速度反饋信息進(jìn)行比較判別，并隨時(shí)校正同步誤差。

采用45°直線插補(bǔ)方式驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的兩個(gè)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的位置同步控制，這時(shí)候的同步誤差為兩個(gè)軸的定位精度之和。

(3)提高單推桿的控制精度

要提高同步精度，必須要提高單軸的運(yùn)動(dòng)控制精度，這樣就可以通過(guò)控制兩個(gè)推桿的控制信號(hào)的同步來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的位置同步。

由于電動(dòng)推桿的結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法安裝直線光柵尺，故無(wú)法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)最終位置，不能采用全閉環(huán)控制。通過(guò)采用雙編碼器半閉環(huán)控制方式，可以提高電動(dòng)推桿的控制精度。定位精度主要受滾珠、絲杠的精度(導(dǎo)程精度、軸向游隙影響)、機(jī)械安裝、機(jī)械傳動(dòng)精度、控制方式的影響較大。提高滾珠絲杠的精度可以采用高精度滾珠絲杠。機(jī)械傳動(dòng)誤差主要由電機(jī)與減速器之間傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)引起，故在滾珠絲杠輸入端增加圓盤編碼器，將滾珠絲杠輸入端的位置反饋到控制器，而電機(jī)編碼器位置反饋到驅(qū)動(dòng)器，從而消除部分機(jī)械傳動(dòng)誤差。

該系統(tǒng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙半閉環(huán)系統(tǒng)，圖3 是伺服系統(tǒng)控制原理圖，其速度反饋來(lái)自于電機(jī)編碼器，而位置反饋來(lái)自于減速器末端的圓光柵反饋。內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。通過(guò)位置控制，可以消除減速器前端的機(jī)械誤差。

圖3 單電動(dòng)推桿伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

(4)電動(dòng)推桿同步超差三重冗余軟件保護(hù)控制

當(dāng)一個(gè)軸由于某種原因運(yùn)動(dòng)過(guò)慢或者過(guò)快甚至停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)軸的位置同步超差就會(huì)很大，特別是在一個(gè)軸異常停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致升降機(jī)構(gòu)的破壞。運(yùn)動(dòng)中為防止兩個(gè)電動(dòng)推桿出現(xiàn)同步超差，提高控制的可靠性，設(shè)計(jì)了三重保護(hù)監(jiān)控，防止錯(cuò)位過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備損壞。

第一重是上位軟件同步誤差監(jiān)控。在上位軟件中，設(shè)置了一個(gè)同步誤差監(jiān)控線程，對(duì)兩個(gè)電動(dòng)推桿圓盤編碼器的值(同步軸的位置)進(jìn)行采樣比較，如果發(fā)現(xiàn)位置同步誤差超過(guò)設(shè)定值，則發(fā)出運(yùn)動(dòng)停止命令，運(yùn)動(dòng)停止后，根據(jù)兩個(gè)升降桿的位置偏差進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種方法由于軟件的滯后性導(dǎo)致停止后同步誤差偏大。

第二重是運(yùn)動(dòng)控制器同步誤差監(jiān)控。6K 運(yùn)動(dòng)控制屬于智能設(shè)備，本身作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，該系統(tǒng)給用戶提供了基于“循環(huán)調(diào)度+ 中斷檢測(cè)方式的多任務(wù)”調(diào)度算法。為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，在6K 運(yùn)動(dòng)控制器中也設(shè)計(jì)了同步監(jiān)控和超差保護(hù)程序，工作機(jī)制和工控機(jī)的程序相同，但實(shí)時(shí)性僅能限于一個(gè)插補(bǔ)周期之內(nèi)。

第三重是用PLC 同步誤差控制。PLC 中高速計(jì)數(shù)模塊對(duì)兩個(gè)電動(dòng)推桿的外部編碼器值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，超過(guò)設(shè)定誤差時(shí)通過(guò)PLC 的輸出口輸出信號(hào)接通繼電器線圈，立即停止兩個(gè)電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)。它與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是獨(dú)立的，即便運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它依然能起到保護(hù)作用。

(5)電動(dòng)推桿同步超差硬件保護(hù)控制

作者在軟件上針對(duì)這兩個(gè)軸進(jìn)行了一系列的同步設(shè)計(jì)，但為了獲得更高的裝置安全性，在硬件邏輯電路控制中，增加了安全性設(shè)計(jì)。如圖4，KM1 和KM2分別控制兩個(gè)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器主電源，但對(duì)控制電源不控制。這個(gè)電路正常工作時(shí)，如果任何一個(gè)電動(dòng)推桿限位信號(hào)觸發(fā)、任何一個(gè)電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)器報(bào)警、上位軟件同步超差報(bào)警、PLC 同步監(jiān)控超差報(bào)警、急停信號(hào)觸發(fā)，KM3 和KM4 將同時(shí)斷開(kāi)，同時(shí)切斷兩個(gè)電機(jī)的制動(dòng)器。

圖4 硬件保護(hù)控制電路圖

3 回零時(shí)的雙驅(qū)動(dòng)同步控制技術(shù)

設(shè)備絕對(duì)零點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)控制中起著非常重要的作用，為了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的坐標(biāo)系進(jìn)行校準(zhǔn)，每次啟動(dòng)前都要進(jìn)行一次回零操作。采用聯(lián)動(dòng)控制電動(dòng)推桿同步存在一個(gè)回零的問(wèn)題。從6K 控制器常用的回零方式上來(lái)看，對(duì)單軸而言，電機(jī)一接到回零的命令，便開(kāi)始尋找零位信號(hào)，在接到零位觸發(fā)信號(hào)后，馬上記錄當(dāng)前位置，開(kāi)始減速并回退到觸發(fā)信號(hào)處，但對(duì)于走插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)缸來(lái)講，不可能同時(shí)按照單軸的方式回零，一是控制器不支持，二是零位觸發(fā)不可能安裝得讓兩個(gè)缸同時(shí)觸發(fā)，否則就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)缸的不同步。這是回零同步控制面臨的難題。對(duì)于剛性連接的電動(dòng)推桿的回零可以有幾種方式來(lái)完成:

(1)用“軟”零位方式，即軟件上定義一個(gè)理論零點(diǎn)，每次回零就插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)到該位置。這種方式在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，兩個(gè)缸會(huì)產(chǎn)生積累誤差。

(2)先用插補(bǔ)方式回到一個(gè)接近零位的坐標(biāo)，然后用跟隨方式來(lái)回零。所謂跟隨方式就是一個(gè)主運(yùn)動(dòng)，一個(gè)從運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)根隨主運(yùn)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)單軸回零。這種方式在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，兩個(gè)缸仍會(huì)產(chǎn)生積累誤差，只是要小于“軟”零位方式。

(3)使用絕對(duì)零位方式。該方式同時(shí)使用高精度接觸式位移傳感器和非接觸零位傳感器，在兩個(gè)電動(dòng)推桿的底部安裝高精度接觸式位移傳感器，在兩個(gè)接觸式位移傳感器可檢測(cè)位置設(shè)定一個(gè)位置為零位，將該位置接觸式位移傳感器的讀數(shù)置為零，回零運(yùn)動(dòng)分三部分:第一步，讓電動(dòng)推桿以第一種方式回零，根據(jù)當(dāng)前位置采用45°直線插補(bǔ)命令進(jìn)行邏輯回零，以確保大行程范圍的同步控制要求，記下主運(yùn)動(dòng)軸對(duì)應(yīng)的接觸式位移傳感器的數(shù)值V1;第二步，兩個(gè)缸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)－V1值到絕對(duì)零位處，記錄下從運(yùn)動(dòng)軸對(duì)應(yīng)的接觸式位移傳感器的數(shù)值V2;第三步，從運(yùn)動(dòng)軸單軸調(diào)整－V2值，最后兩個(gè)缸對(duì)應(yīng)的接觸式位移傳感器的數(shù)值都為零。這樣就完成了整個(gè)絕對(duì)回零調(diào)整。

在實(shí)際運(yùn)行中作者采用混合回零方式，它是最為優(yōu)化、精度最高的回零方式。最終的回零精度達(dá)到了1 μm。

4 結(jié)論

電動(dòng)推桿的同步控制設(shè)計(jì)方案在實(shí)際運(yùn)用中獲得了很好的效果。

(1)采用雙編碼器半閉環(huán)控制方式，大大提高了電動(dòng)推桿的位置控制精度。

(2)兩個(gè)電動(dòng)推桿的回零采用混合絕對(duì)回零方式在工程中是可行并有效的。

(3)為防止兩個(gè)電動(dòng)推桿出現(xiàn)同步超差，使用三重冗余軟件和硬件同時(shí)控制，提高了電動(dòng)推桿同步控制的可靠性。

【1】趙運(yùn)龍.數(shù)控機(jī)床及運(yùn)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

【2】Parker-Hannifin.Multi-Axis Synchronization［M］.

【3】Parker Hannifin Corporation. 6K Series Command Reference［M］.