范芳洪 石金艷

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)機(jī)學(xué)院 湖南株洲）

小型數(shù)控機(jī)床采用滾珠絲桿螺母副傳動(dòng)，使用機(jī)械預(yù)緊的方式消除絲桿螺母間的反向間隙，確保機(jī)床傳動(dòng)精度。重型數(shù)控機(jī)床采用滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，一是采用機(jī)械消隙方式效果不理想，間隙大，容易造成閉環(huán)系統(tǒng)振蕩，很難保證機(jī)床精度和剛性，并且消隙機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難[1]；二是超長(zhǎng)重載絲桿制造難度大、價(jià)格昂貴。因此重型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸采用齒輪和齒條傳動(dòng)。

一、問(wèn)題的提出

隨著科技進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床向高精度、高速度發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在高速度運(yùn)動(dòng)情況下，進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)間隙將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，使用消隙齒輪和彈簧預(yù)緊等傳統(tǒng)的機(jī)械消隙方法雖然能消除傳動(dòng)鏈的靜態(tài)誤差，但在高精度快速定位的數(shù)控機(jī)床中，伺服電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載頻繁換向，采用機(jī)械消隙措施不能克服間隙造成的瞬態(tài)誤差，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在數(shù)控機(jī)床使用過(guò)程中，隨著傳動(dòng)部件磨損和環(huán)境因素影響，消隙作用會(huì)逐漸降低甚至失去。隨著雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)技術(shù)在重型數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙技術(shù)能夠很好地消除傳動(dòng)鏈間隙，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[2]。

二、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙技術(shù)

1.原理

雙電機(jī)消隙是由兩套獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)相同參數(shù)的兩臺(tái)伺服電機(jī)[3]，每臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接齒輪減速機(jī)構(gòu)，兩個(gè)齒輪減速機(jī)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)小齒輪和齒條嚙合驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)（托板）運(yùn)動(dòng)（圖1），數(shù)控系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)主從控制。兩臺(tái)電機(jī)和各自減速機(jī)構(gòu)的初級(jí)齒輪是直連的，故沒(méi)有傳動(dòng)間隙。減速機(jī)構(gòu)的初級(jí)齒輪到輸出齒輪各級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙可簡(jiǎn)化單級(jí)齒輪傳動(dòng)間隙，在靜態(tài)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)伺服電機(jī)輸出兩個(gè)大小相等、方向相反的扭矩（消隙扭矩）作用在減速機(jī)構(gòu)的初級(jí)齒輪上，使各級(jí)傳動(dòng)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(qū)動(dòng)力矩，右邊的小齒輪和齒條的右齒面相嚙合并有右的驅(qū)動(dòng)力矩，即一個(gè)是前齒面接觸，一個(gè)是后齒面接觸，兩扭矩相等，此時(shí)無(wú)間隙[4]。系統(tǒng)將兩個(gè)同方向的進(jìn)給伺服軸分別設(shè)定為主動(dòng)軸和從動(dòng)軸，通過(guò)扭矩控制器分配兩個(gè)伺服電機(jī)之間扭矩。機(jī)床加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)軸輸出扭矩逐漸增大，從動(dòng)軸保持消隙扭矩，正轉(zhuǎn)時(shí)由前齒面接觸的齒輪出力驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)，反轉(zhuǎn)時(shí)由后齒面接觸的齒輪出力驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)時(shí)，從動(dòng)軸輸出的扭矩減小到零并反向增加到與主動(dòng)軸扭矩一致，從動(dòng)齒輪離開(kāi)反向工作面，與主動(dòng)齒輪一起運(yùn)動(dòng)，主從電機(jī)共同承載系統(tǒng)的總負(fù)載。機(jī)床停止前，系統(tǒng)控制從動(dòng)軸滯后工作，從動(dòng)齒輪離開(kāi)主動(dòng)面，并以消隙扭矩靠緊從動(dòng)面，運(yùn)動(dòng)停止時(shí)恢復(fù)到原來(lái)靜止?fàn)顟B(tài)。無(wú)論機(jī)床向何方向運(yùn)動(dòng)，至少有一個(gè)小齒輪與齒條的齒面始終保持單面貼合，能夠保證系統(tǒng)的無(wú)間隙傳動(dòng)，消隙效果見(jiàn)圖2。

2.特點(diǎn)（表1）

3.實(shí)現(xiàn)

圖2 齒輪傳動(dòng)消隙效果

（1）機(jī)床參數(shù)的設(shè)置。在雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)只對(duì)主動(dòng)軸進(jìn)行位置控制，對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行速度控制，主從軸的速度值是一致的，從動(dòng)軸的速度和扭矩控制值來(lái)自于主動(dòng)軸。以西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)為例，介紹雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)消隙技術(shù)所需設(shè)置參數(shù)。假設(shè)從動(dòng)軸軸號(hào)為AX5，主動(dòng)軸軸號(hào)為AX4，相應(yīng)的機(jī)床參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。通過(guò)設(shè)置，AX5軸的速度和扭矩控制值就可從AX4軸獲得。

表1 雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)消隙和機(jī)械消隙對(duì)比

表2 840D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

（2）雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙扭矩設(shè)置。在雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)控制消隙技術(shù)中，一個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題是設(shè)置消除間隙的消隙扭矩。每臺(tái)機(jī)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(shè)計(jì)人員計(jì)算出消隙扭矩，然后在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)再修改，找到一個(gè)合適的數(shù)值，使機(jī)床達(dá)到要求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和伺服精度。如西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)，主從消隙扭矩通過(guò)軸參數(shù)MD37264設(shè)置。

三、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙技術(shù)應(yīng)用案例

高精度重型機(jī)床慣量大，難以控制，是機(jī)床行業(yè)研究難點(diǎn)。影響其定位精度的因素主要有伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度和數(shù)控裝置的精度[5]。具有閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床，數(shù)控裝置和機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的一部分，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度主要由檢測(cè)元件和機(jī)床自身精度、傳動(dòng)件剛度及傳動(dòng)系統(tǒng)所引起的誤差決定。數(shù)控裝置的精度主要由生產(chǎn)廠家決定。因此，從設(shè)計(jì)廠家角度來(lái)說(shuō)，提高機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的精度就是提高機(jī)床的定位精度。從機(jī)械設(shè)計(jì)角度考慮，機(jī)床本身齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙和傳動(dòng)鏈的誤差在一定程度決定了機(jī)床定位精度。

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院1臺(tái)高精度臥式車(chē)削中心CK61160，數(shù)控系統(tǒng)采用SINENS 840D SL，交流伺服系統(tǒng)采用SIMODRIVE-S120。在該機(jī)床C軸和Z軸采用主從驅(qū)動(dòng)的雙電機(jī)消隙技術(shù)，以提高機(jī)床定位精度、消除反向間隙和增大系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力。

1.雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙在C軸的應(yīng)用

在數(shù)控車(chē)削中心上，C軸是繞主軸（S軸）的回轉(zhuǎn)軸[6]，與其他進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行插補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)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(bǔ)功能的機(jī)床可實(shí)現(xiàn)多工序、復(fù)合化加工，顯著提高加工范圍和大型復(fù)雜零件的加工精度。高精度重型數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)大型精密零部件加工的必備設(shè)備，機(jī)床C軸分度進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是提高零件加工精度的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)無(wú)間隙、傳動(dòng)剛度高、阻尼特性好、傳動(dòng)效率高的分度裝置，是車(chē)銑加工中心C軸傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的必備條件。

CK61160高精度臥式車(chē)銑中心，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)SIEMENS交流伺服主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)雙減速器控制的機(jī)械二擋的變換，使主軸可獲得所需轉(zhuǎn)速。通過(guò)裝在主軸后端部的SIEMENS雙通道編碼器實(shí)現(xiàn)C軸全閉環(huán)控制，C軸轉(zhuǎn)速范圍是0.01～5r/min，床頭外觀效果見(jiàn)圖3。機(jī)床安裝后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試找到合適的C軸消隙扭矩為2.1 N·m，經(jīng)檢測(cè)C軸定位精度達(dá)到10"以內(nèi)，重復(fù)定位精度達(dá)到6"，反向差值達(dá)到6"以內(nèi)，C軸精度達(dá)到用戶要求（C軸定位精度和重復(fù)定位精度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別是15"和10"之內(nèi)，用戶對(duì)C軸的定位和重復(fù)定位精度要求在12"和8"之內(nèi)）。

2.雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙在Z軸的應(yīng)用

圖3 床頭箱外觀

Z軸為縱向進(jìn)給軸（圖4、圖 5），由兩個(gè) SIEMENS交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別帶動(dòng)兩個(gè)精密行星減速機(jī)，通過(guò)電氣系統(tǒng)控制兩臺(tái)電機(jī)，將動(dòng)力傳至末端的斜齒輪-齒條機(jī)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)消隙，從而帶動(dòng)整個(gè)托板沿Z軸運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)伺服電機(jī)分別安裝在刀架大托板的左右兩側(cè)，當(dāng)?shù)都芤苿?dòng)時(shí)，其中一個(gè)伺服電機(jī)作主拖動(dòng)電機(jī)提供正向扭矩，而另一個(gè)伺服電機(jī)作為提供反向扭矩而消除齒輪間隙的反向消隙電機(jī)，使刀架在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持高精度及高穩(wěn)定性傳動(dòng)。齒條是用專用工具及精密磨床磨制出來(lái)的，并經(jīng)表面高頻淬火磨削而成的高精度齒輪。機(jī)床安裝后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(cè)Z軸的定位精度為 0.012 mm/2000 mm，重復(fù)定位精度為0.008 mm/2000 mm，均好于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和用戶提出的精度要求（同類機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別是不大于0.025 mm/2000 mm和0.015 mm/2000 mm[6]，用戶對(duì)Z軸提出的定位精度和重復(fù)定位精度分別不能超過(guò)0.015 mm/2000 mm和0.01 mm/2000 mm）。

圖4 Z軸齒輪齒條消隙實(shí)物

圖5 齒輪齒條消隙原理

四、結(jié)束語(yǔ)

重型數(shù)控機(jī)床采用雙電機(jī)消隙技術(shù)，消隙精度高、穩(wěn)定性好，間隙發(fā)生變化時(shí)能自動(dòng)消除，確保機(jī)床定位精度，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低成本，能夠用普通精度的減速齒輪箱代替具有機(jī)械消隙功能的高精度減速機(jī)構(gòu)[7]。系統(tǒng)負(fù)載由兩個(gè)電機(jī)共同承擔(dān)，每個(gè)電機(jī)承擔(dān)的最大負(fù)載只有系統(tǒng)負(fù)載的一半，可以選用較小容量的電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器。雙電機(jī)消隙實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床零間隙傳動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，提高了數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度和伺服精度[8]，在高精度重型數(shù)控機(jī)床上有廣泛應(yīng)用前景。

1 張 童.李英杰.蔣君平.幾種消隙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（08）

2 石秀敏.戴 怡.馬紀(jì)孝.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)械與電子，2012（02）

3 魏裕國(guó).主從驅(qū)動(dòng)控制在雙電機(jī)消隙中的應(yīng)用[J].電子制作，2013（05）

4 黃小林.宋良輝.雙電機(jī)消隙在龍門(mén)移動(dòng)式機(jī)床上應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2011（11）

5 周忠博.王紅軍.黃 民.數(shù)控系統(tǒng)最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].裝備制造技術(shù)，2013（01）

6 王建平.數(shù)控機(jī)床定位精度與補(bǔ)償[J].機(jī)床與液壓，2011（04）

7 何華勇.數(shù)控機(jī)床雙軸同步控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011

8 張德江.門(mén)延會(huì).毛 羽.SIEMENS 840D系統(tǒng)在GS30型數(shù)控機(jī)床改造中應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，011（02）