（机械电子工程专业论文）重型数控机床双电机同步联动伺服系统的设计与研究.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕士学位论文 重型数控机床双电机同步联动伺服系统的 设计与研究 摘要 随着工业的快速发展，人们对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提 高，单针对一台电机的控制在某些场合已经不能满足现代化高科技发展的要 求，而需要人们控制多台电机，使其更好地协调运行。多机传动机械系统的 同步控制正是这样一门机械技术与电子技术有机结合的科学技术，研究它的 理论和方法对保证这类机械有效、可靠地同步运转，具有十分重要的现实意 义。 本文是针对齐重数控装备有限公司的高精度重型数控机床c 轴传动迸 给系统的双电机伺服控制系统的研究而展开的。文中介绍了双电机伺服系统 的总体设计方案，为了满足大功率驱动的需要，采用两台电机联合驱动负 载，真正实现双电机的同步运行。同时，基于双电机的驱动方式，引入偏置 力矩，实现电消齿隙。通过这样的改造，将一个存在严重齿隙的非线性系统 转化为一个近似无齿隙的线性系统，并针对改造后的系统，实现了高质量的 全闭环控制。为了满足系统高性能、高可靠性和高度集成性、低功耗等要 求，利用机理分析法，将电机侧的参数转换到负载侧，建立了双电机同步联 动伺服系统的动力学模型，并通过m a t l a b 仿真，验证了双电机系统较单 电机驱动的优越性。从系统的基本结构入手，研究了伺服系统中普遍存在的 非线性因素，除了从机械上消除这些非线性因素的影响外，本文还研究了基 于描述函数法和最优控制算法的消隙控制器，讨论了这两种控制算法消除齿 隙非线性的机理，得出了有意义的结论。 关键词伺服系统；双电机驱动；重型数控机床：电消齿隙；齿隙非线性 i 哈尔滨理- 丁大学工学硕士学位论文 置薯置| 量矗詈置鼍毒置量- i 一i | 阜皇鼍詈暑寡| 鼍| 皇一 s t r u c t u r ed e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ed o u b l e - m o t o r s y n c h r o n i cd r i v i n g s e r v os y s t e mo fh e a v y n cm a c h i n et o o l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sk i n d so f m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dp r o d u c t sq u a l i t yh a v ei n c r e a s e dg r a d u a l l y o n l y c o n t r o lo n em o t o rc a n tm e e tt h ed e m a n do fm o d e mh i - t e c hd e v e l o p m e n ti n s o m eo c c a s i o n s ，p e o p l en e e dt oc o n t r o ls e v e r a lm o t o r sa n dm a k et h e mr u n c o o r d i n a t e l y n es y n c h r o n o u sc o n t r o lo fm u l t i u n i td r i v es y s t e m s i sj u s ta s c i e n c e t e c h n o l o g yo r g a n i z e d w i t hm e c h a n i c a l t e c h n o l o g ya n d e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y 硒er e s e a r c ho ni t st h e o r ya n dm e t h o dh a sav e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i c m e a n i n gi no r d e rt ok e e pt h i s k i n do fm a c h i n e r yo p e r a t i n ge f f e c t i v e l ya n d r e l i a b l y i nt h i st h e s i s ，t h eh e a v yn cm a c h i n et o o lc a x i s sf e e ds y s t e md e v e l o p e db y q i q i h a rh e a v yc n ce q u i p m e n tc o ，l t di s d r i v e nb yd o u b l e m o t o rd r i v i n g s e r v os y s t e m t h eg e n e r a lp i c t u r eo ft h es e l v os y s t e mi sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h e t e x t i tu s e sd o u b l em o t o r st od r i v et h es y s t e mt o g e t h e ri no r d e rt os a t i s f yt h eb i g i n e r t i a a n dm a k e st h e mh a v ea s y n c h r o n o u sm o v e m e n t a tt h es a m et i m e ，i tu s e s t o r q u eb i a sb a s e do nd r i v e nb yd o u b l em o t o r st or e a l i z et h ee l e c t r i ca n t i b a c k l a s h t h u si tm a k e st h en o n l i n e a r s y s t e mi n c l u d i n gg e a r c l e a r a n c e si n t oa n a p p r o x i m a t e l i n e a r s y s t e m f o rs a t i s f y i n g t h eh i g hp e r f o r m a n c e ，g o o d d e p e n d a b i l i t ya n dl o wp o w e rc o s t e t c t h i st h e s i sb u i l d st h em o d e lo fd o u b l e - m o t o rs y n c h r o n i z e dd r i v i n gs e r v os y s t e m t h ea d v a n t a g e so ft h ed o u b l e m o t o r d r i v i n gs e r v os y s t e mc a nb es e e nc o m p a r e dw i t hs i n g l em o t o rs e r v os y s t e mb y m a t l a bs i m u l a t i o n f r o mt h eb a s i cc o n s t r u c t i o no ft h es y s t e m ，t h en o n l i n e a r f a c t o r si ns o m es e l n os y s t e m sa r es t u d i e d e x c e p tf o rg e t t i n gr i do ft h e s ef a c t o r s f o r mm e c h a n i s m ，d e s c r i b i n gf u n c t i o na n a l y s i so fa l la n t i - b a c k l a s hc o n t r o l l e ra n d o p t i m a lc o n t r o la l g o r i t h m sa r es t u d i e dh o w t ob ea p p l i e dt ot h ee l i m i n a t i o no f i l - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 b a c k l a s hn o n l i n e a r s o m eu s e f u lr e s u l t sa r eg a i n e d n o wt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e ml ss a t i s t i e d 一 k e y w o r d s s e r v os y s t e m ，d o u b l e m o t o rd r i v i n g ，h e a v yn cm a c h i n et o o l ， e l e c t r i ca n t i b a c k l a s h ，b a c k l a s hn o n l i n e a r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文重型数控机床双电机同步联动 伺服系统的设计与研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：磐缝噜 日期：砷葛年年月多日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 重型数控机床双电机同步联动伺服系统的设计与研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：压乏翠 日期：y 咕年中月么日 导师魏即鸭眺刎年乒月么日 哈尔滨理工大学工学硕t 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 高精度重型数控机床c 轴传动及分度装置设计及制造技术研究，一是可带 动我国数控立车、卧车产品向高精度、高效率、高自动化方向发展，促进设计 与制造技术的全面提高和产品的升级换代；二是为所服务的国家重点行业提供 精良的先进设备，替代产品进口，具有良好的经济效益；三是推动数控系统、 伺服系统、电器、液压元件、轴承和传动元件等基础零部件的发展和需求，带 动相关的配套行业技术提高和发展。四是可抵制入世对机床产品的冲击，增强 企业抗风险和市场竞争能力。 精密大重型机床是标志军工、电力、船舶、航空等行业发展水平的关键设 备，其中c 轴进给定位及其控制系统是实现符合化加工，提高加工精度的关 键技术。目前，我国在中小型数控机床上，这一技术已基本成熟，而在大重型 机床方面距国际先进水平有一定的差距，可以稳定达到的c 轴定位精度只能达 到1 0 7 ，严重制约了大型精密零部件，如核电用压力容器等的制造水平的进一 步提高，因此，针对高精度重型机床c 轴进给系统进行专项研究，将为我国实 现精密大重型关键零部件国产化制造，提供有效的加工手段，对提高我省机床 装备业的加工制造水平，发挥我省的优势，振兴东北老工业基地，都具有非常 重要的现实意义。本文采用双伺服电机同步联动驱动控制方法，利用西门子 8 4 0 d 数控系统的预载功能和伺服电机的主随跟随特性进行消隙，提高精度指 标，采用双齿轮消隙结构实现无间隙传动，c 轴进给与主运动分离，独立进 给，消隙齿轮加阻尼机构； 所谓同步n 1 ，是指两个或两个以上的物件、物体或所观察的对象实现相同 或相似的运动形式或物理形态。在机械行业中，常常要求机械设备中的两个或 两个以上的工作部件，如转轴、机构、杆件、油缸活塞等，甚至是整个机器在 相同的位移、速度、加速度、相位或作用力在同步状态下运行，进而完成所需 的工作过程。 在工程中，许多机械设备在工作时都要求多台或多个部件同步动作回 转轴有接近相同的速度或有相同的相位，其中有要求几台电机的轴严格同步传 动的，如门型吊车、水闸闸门、升降桥等；有的则要求几台电机转角或转速的 哈尔滨理工大学t 学硕 ：学位论文 比值按某一规律连续变化，如造纸机、塑料薄膜机等嘲。另外还有许许多多的 机器，如双电机驱动或多电机驱动的振动给料机、振动输送机、振动筛、振动 干燥机、振动冷却机、振动打桩机、同步轧机、拉伸式矫直机、双滚筒驱动的 带式输送机、辊式破碎机、煤球机、液压顶升机、飞剪机等，都要求其中两个 或两个以上的部件实现同步运转。诸如此类的工程实例，不胜枚举。 同步的概念还可以进一步扩展，模拟和仿真过程，甚至是学习过程，本身 就是对同步性和相似性的一种追求，例如机器人模仿人的动作或按照事先设计 好的运动规律实现所要求的运动，也是一种特殊形式的同步，此外还有平衡现 象。所有这些同步现象之所以能遵循同步规律，依赖于它们之间内在的或外部 的物理( 机械、力学、电学、磁学、光学、声学等) 联系。因此，研究多机传动 机械系统同步的理论和方法对保证机械同步运行，进而使这类机械有效、可靠 地运转，都有着非常重要的现实意义。多机传动机械系统的同步控制是机电一 体化的典型应用，是一门新兴的、跨学科的、综合性的科学技术，是机械技术 与电子技术有机的结合。近年来国内外学者对其进行了许多研究n ，在理论和 实践上均取得了较大的进展。 双电机同步联动要解决的关键问题是确保运行过程中联动电机的动态特性 的一致性，以使得双电机系统的运行如同单一电机系统一样，为此双电机同步 联动伺服系统需要使用同步联动的各种控制方法来达到各电机动态特性的一致 性，其次双电机同步联动伺服系统是一种强耦合性的非线性系统，因此其中存 在着各种非线性因素如饱和非线性、齿隙非线性和摩擦非线性等，如何通过控 制理论来有效地消除这些非线性的影响也是目前研究的主要内容。 伺服系统的根本任务就是实现执行机构对位置指令的跟踪，具有较高的角 速度、角加速度和跟踪精度，当给定信号随机变化时，系统也能够快速、准确 的跟踪并复现给定量。然而，伺服系统不仅有跟踪速度、精度方面的要求，还 有功率方面的要求。由于单电机功率难以做大，有时必须采取双电机驱动，双 电机驱动的优点不仅满足了系统的功率要求，还可以通过采取适当的措施有效 的消除传动链齿隙，从而提高控制精度。但是双电机驱动必须保证双电机速度 很好的同步，因此必须通过一定的控制手段解决双电机同步联动的问题，否则 就会出现所谓的“伺服打架 现象。 哈尔滨理- t 大学t 学硕士学位论文 1 2 多电机同步控制的国内外研究现状 1 2 1 多电机同步控制的国内外研究现状 机械系统的控制同步是机械技术、电力电子技术和信息技术有机结合的一 门新兴的跨学科的综合性科学技术。它的发展和其他相关技术的发展密切联系 在一起，主要的控制对象是电动机，主要控制参数是位移、速度和相位。 随着工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，单单针对 一台电机的控制在某些场合己经不能满足现代高科技发展的要求，而要人们控 制多台电机，让其更好地协调运行。近年来，国内外的学者针对多电机同步技 术进行了广泛的研究工作，在理论和实践上都取得了一定的进展。 实现机械系统同步的方法h 1 随着科学技术的发展也不断发展，其发展过程 大致可分为三个阶段： 第一阶段：刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动( 如链或带传动) 实现同步： 第二阶段：振动同步( 对于双激振动器式振动机) 或电轴同步( 对于一般机 械) ； 第三阶段：控制同步或控制同步与振动同步相结合的复合同步。 随着控制理论和方法的迅速发展，实现同步不仅己成为现实，而且也获得 了良好的控制效果，实现同步的方法也逐渐过渡到第三阶段。 为了确保多电机同步运行过程中每个联动电机的动态特性的一致性，以使 得多电机系统的运行如同单一电机系统一样，目前系统大都采用了同步联动的 主从结构配置方法，电流均衡的控制方法，抑制差速振荡的差速负反馈的控制 方法等各种方法来达到各电机动态特性的一致性。但为了研制适合工程应用的 多电机同步联动控制方案，有必要建立系统的数学模型来分析研究该系统，并 通过计算机仿真来研究其机理，为控制方案建立理论基础。然而多电机联动的 大功率，高精度，系统负载惯量大，传动链存在柔性和齿隙非线性以及同步联 动的多电机特性不一致性等因素使得由多电机联动组成的系统是多变量、强耦 合的复杂系统，因此给系统的动力学建模带来了一定的困难。 多电机的同步控制在国外己经有长足的发展，国内在这方面也取得了相当 的成绩。文献【5 】给出了通过弹性耦合轴来进行同步控制的方案；文献 6 】给出 了双机和多机驱动的机械系统同步控制的变结构符合控制模型；文献 7 】给出了 多个直流电动机同步控制的模型参考自适应方案；文献【8 】给出了具有弱磁的三 3 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 台电机比例同步连轧同步控制系统；文献【9 】给出了在轧机压下双侧同步控制中 的自适应调节方法。 1 2 2 多电机同步控制的控制方法 随着现代科技的发展，在许多工业场合都提出了对大功率、大惯量、高精 度交流伺服系统的需求。但是由于单电机功率难以做大，必须采取多电机联动 以满足大功率需求。然而简单的将两个或多个电机并联，共同驱动负载是不行 的。因为在多电机联动控制过程中涉及到多电机同步工作，不能因为各个电机 的各自性能的差异而导致控制性能的下降，因此需要采用一定的控制策略，此 外，多电机同步联动可以解决传动链齿隙的问题。在普通的单电机控制系统 中，总是或多或少的存在着传动链齿隙，就算制造精度很高也会因为齿轮传动 而存在齿隙。而双电机同步联动消隙是在双电机联动的基础上引入偏置力矩， 使两电机输出大小相等、方向相反的力矩，使小齿轮以相反的方向紧紧咬住大 齿轮，并作用于系统运行的全过程，达到消隙的目的。 多电机同步联动伺服系统的强耦合性使得系统的精度受到影响，为了达到 系统高精度的要求，有必要研究多电机同步联动伺服系统中的非线性因素，并 分析其特性，以采取措施消除其影响。在伺服驱动系统中齿隙的存在是影响系 统动态性能和稳态精度的重要因素，因此研究适合该系统的消隙控制方法，无 论是对现有系统的改造或新型号的研制都是十分重要的。从工程实际应用中， 人们就消除齿隙问题提出了许多有益的方法，主要有偏心轴套调整法、轴向垫 片调整法、双片薄齿轮错齿调整法、弹簧力偏置法和双电机或多电机消隙法 等。这些工程解决方法在实际的工程中已经得到了应用，取得了一定效果n 。 1 2 3 非线性环节对伺服系统的影响 在伺服系统中，传动链齿隙、摩擦死区等非线性因素的存在会对高精度伺 服系统的控制性能产生严重的影响，因此引起了学术和工程界广泛的关注。对 其研究内容主要包括非线性环节的建模，系统分析以及控制方法研究等。 1 传动链齿隙大功率伺服系统通常采用齿轮传递动力，相互啮合的齿 轮，总有微量的传动间隙。齿隙的存在，影响了系统的控制精度和性能。若将 动力传动链置于闭环之外( 即采用半闭环的控制方式) ，齿隙作用虽然不至于影 响系统的稳定性但控制精度无法保证。 若要提高系统的精度，位置反馈必须取自负载侧，则齿隙环节必将包含于 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 闭环以内。研究表明，齿隙非线性存在的情况下，二型无静差系统必然产生极 限环振荡，因此必须要克服传动链齿隙对系统的影响。 国内外有不少学者就齿隙非线性系统的控制方法进行了研究并取得了许多 进展，多数研究成果都采取了补偿控制方法，主要包括逆模型补偿、直接补 偿、切换控制等。 逆模型补偿法大多采用齿隙的迟滞模型作为逆补偿对象，在系统控制信号 输入端引入齿隙非线性的逆从而抵消系统中齿隙的影响1 。 基于线性控制的补偿方式，在线性控制的基础上采用观测器方式、智能方 式、描述函数法等n 列对齿隙非线性实施补偿策略。 基于切换控制的补偿方法n 3 1 主要是针对系统的齿隙阶段和接触阶段分别采 用不同的控制策略，在接触阶段，控制目标使系统达到期望指标：在齿隙阶段 则将系统分成驱动部分和从动部分并分别处理。 然而，从控制算法入手一般难以完全消除齿隙的影响，而多电机驱动系统 则为彻底消隙提供了可能。文献 1 4 】针对双电机消隙提出了一种控制策略，文 献 1 5 n 对偏置电压的选取和各种调整策略进行了探讨。对于多电机联动消隙 控制研究成果较少，大部分处于工程实践阶段，还有待深入研究。 2 摩擦和死区高精度伺服系统中，摩擦和死区的存在会导致系统出现低 速“爬行一现象和极限环振荡并严重影响跟踪精度。在进行系统设计时，必须 予以考虑。 多年来，学者们对摩擦和死区的作用机理、控制方法进行了大量的研究， 建立了多种模型n 引：r e y n o l d s 首先引入了粘滞摩擦的概念并形成了经典的“静 摩擦+ c o u l o m b 摩擦+ 粘滞摩擦”的模型；1 9 5 8 年，r a b i n o w i e z 将增加的静摩 擦和摩擦的记忆现象纳入模型。近年来，又有学者在前人的基础上提出了状态 变量模型n 7 1 ，鬃毛模型因n 引等。 针对摩擦和死区特性，有许多控制方法被提出以克服其影响。其中包括谐 波线性化法嗍：通过加入高频谐波信号改变摩擦和死区的输入输出特性从而改 善系统性能；自适应控制法啪1 ：基于非线性环节模型，通过对模型参数的辨识 产生多种自适应控制方案；补偿控制法船：由于死区非线性特性可逆，对己知 参数可通过构造逆模块来抵消死区的影响，若参数未知则可采用自适应控制， 预测控制或通过观测器重构状态的方法在系统运行中实时辨识参数，再进行补 偿，从而有效的削弱或抵消死区非线性的影响。 哈尔滨理工大学工学硕一 ：学位论文 1 3 本文所做的工作 本文以重型数控机床c 轴双电机同步联动伺服系统的研制为背景，研究了 双电机同步联动伺服系统的机械结构上的消隙原理，以及伺服系统的控制机 理，并建立了双电机同步联动伺服系统的数学模型，通过仿真验证了模型的优 越性。针对交流伺服系统中存在的一些非线性因素，结合双电机同步联动伺服 的工程实际研究了目前一些消隙的控制算法。 本文主要内容如下： 1 介绍选题的背景和意义，简要概括目前多电机同步联动伺服系统的研 究状况，介绍本文所做的主要工作和研究的主要内容。 2 详细介绍双伺服电机驱动机床c 轴的分度消隙结构，为进一步建立系 统的动力学模型打下了基础。 3 详细介绍伺服系统元件的选择，通过机理分析法研究多电机同步联动 伺服系统的机理，并利用动力学原理以及所选的驱动元件和检测位置，对单电 机以及双电机驱动系统进行建模，并通过仿真进行比较，验证双电机同步联动 的性能的优越性。 4 简单介绍伺服系统中存在的一些非线性因素，并分析非线性因素对伺 服系统的影响。 5 研究目前使用的消齿隙的控制算法，主要有基于描述函数的消隙控制 器，通过分析最优控制算法的消隙原理，来迸一步理解消隙的目的和原理。 最后，结合自己的体会对本文的工作进行总结和展望。 哈尔滨理工大学工学硕 二学位论文 第2 章双电机驱动机床c 轴的消隙结构 机床分度装置是高精度机床的一个重要机构，随着机床向高速和高精的方 向发展，必须研究机床的分度装置来提高其定位精度。本章介绍数控回转台传 动消隙结构，通过s i e m e n s 8 4 0 d 系统控制双伺服电机，消除传动副间隙，来控 制机床主轴分度定位。实际应用中取得了良好的效果，回转定位精度高，定位 精度可达5 重复定位精度可达3 ”，解决了数控转台的精密分度定位问题。 2 1c 轴伺服传动系统现状 我们常见的数控机床c 轴分度装置消隙传动系统都采用比较成熟的模块式 伺服传动系统设计，其传动原理简图如图2 1 所示。 图2 1 传动原理图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed r i v i n gp r i n c i p l e 这种伺服传动系统用电机带动减速器转动，减速增力后，再通过减速器输 出齿轮带动主轴大齿轮转动；同时，通过同步数据传递系统反馈回主轴转动数 据，对电机输出转角进行修正，以形成闭环负反馈控制系统，提高主轴传动链 的传动精度，完成其特定性能，达到总体指标要求。 现阶段伺服传动系统啪1 的设计情况：现在我们对于较高精度要求的伺服传 动系统，通常根据以下两条原则进行设计：( 1 ) 合理安排传动链的结构，适当 提高关键环节的制造、安装调整精度；( 2 ) 对不易达到要求的环节增加一些调 整机构，这种设计原则对现阶段的伺服传动系统的研制起到了良好的作用，基 本上满足了现阶段生产的要求。但是，如何适应形式的发展，满足新时期对装 备的更高要求住射，如果我们还是根据以前的指导思想进行研制，则必然会使伺 服传动系统的设计，制造难度加大，制造成本提高，甚至提高成本也难以达到 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 设计要求。因此在这种情况下，探索一种比较容易实现的传动方式就显得特别 重要。 在高精度的齿轮传动系统中，对传动链传动精度影响最大的因素就来自于 各传动环节的制造，装配误差，它以传动误差和回程误差的形式对传动链的传 动精度胁构成影响。因此，如何降低这两类误差，就成了提高传动系统精度的 关键性的问题。经过调查研究和具体的分析以后，我们认为：采用西门子 8 4 0 d 系统控制双伺服电机驱动的传动模式来解决高精度数控机床c 轴分度装 置消隙传动系统的实现问题是一种较好的、切实可行的方法。 2 2s i e m e n s 8 4 0 d 双电机传动系统的分析 2 2 1 概述 在高精度的伺服传动系统中，提高伺服系统精度的最有效措施就是降低传 动误差和回程误差；传动误差可以用机械的或者电气的负反馈系统船钉加以降 低；回程误差则可以通过消隙机构给予消除。而以前对回程误差，基本上都采 用机械消隙的方法嘲，但机械消隙要么会增加机械部分的复杂性，要么不适用 于较大功率的动力传动，且常规的机械消隙也不大可靠，因此，对于本课题所 研究的高精度的伺服传动系统，机床工作台为精密数控回转工作台，要求回转 定位精度为5 什，重复定位精度3 ”，为了达到精度要求，保证精度定位，比较 有效的办法就是采用s i c m c n s 8 4 0 d 系统控制双伺服电机驱动蜗杆，再通过互联 的二级传动副的啮合传动，利用电气伺服控制达到电消隙的目的，实现准确定 位，提高分度定位精度。二级传动副消隙结构为：( 1 ) 双c 轴齿轮与大齿圈传 动副；( 2 ) 双导程蜗杆传动副。 2 2 2 双电机驱动的消隙原理 西门子8 4 0 d 系统和双伺服电机传动消隙结构组成整个消隙结构的主体。 西门子8 4 0 d 系统通过控制双电机电流的变化来控制电机的扭矩即西门子8 4 0 d 系统的预载功能。8 4 0 d 系统发出位置指令，通过位置( 速度) 反馈控制的扭 矩对消隙结构施加偏置( 预载) ，然后通过电流控制装置将扭矩转换成电流指 令，通过电流控制主轴( 主电机) 和副轴( 副电机) ，双电机分别带动两套完 全相同的减速机构，再由两减速机构的输出小齿轮带动主轴大齿轮传动，通过 哈尔滨理工大学丁学硕上学位论文 电气控制使主轴大齿轮在启动和换向的过程中始终受到偏置力矩的作用( 双电 机驱动机构的扭矩关系如图2 2 ) 两个输出小齿轮分别贴紧大齿轮的两个 相反的啮合面，使主轴大齿轮不能在齿轮间隙中来回摆动，从而达到消除间 隙，提高系统精度的目的，双电机驱动消隙原理幢7 1 如图2 3 ，整个伺服控制框 图如图2 _ 4 。 l 输出力矩m 水 m = - 巾r e l o a d叹 矾 彤3 阶蚴三 渺。一i f , xj 。p m l o a d i 为电机驱动电流 7 作状态 图2 2 双电机驱动的力矩关系图 f 逸2 - 2d i a 鄹咖o f t h et o r q u ee q u a t i o n so f d o u b l e - m o t o rd r i v i n gs y s t e m 图2 - 3 双电机驱动的消隙原理简图 f i g 2 - 3s i m p l i f i e dc h a r to f t h ea n t i - b a c k l a s ho f d o u b l e - m o t o rd r i v i n gs y s t e m - 9 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 4 伺服系统方框图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es e r v os y s t e m 2 3 双电机传动消隙过程分析 2 3 1 启动过程分析 对应于传动机构力矩关系图2 2 的第l 点，两小齿轮力矩方向相反，且有 j m 。j = i m ，i = l p r e l o a d i ，大齿轮受到两个相等且反向的偏置力矩，在此力矩作 用下，两个小齿轮分别贴在大齿轮的两个相反的啮合面上。 对应于第2 点，l m 。i i m ：l ，两力矩方向相反，主轴齿轮在合力矩 i m i = l m i i m ：i 的作用下开始转动。 对应于第3 点，小齿轮i i 逐渐减速，直至m ：= 0 ，i m i = l m ，l ( 负载力矩) ， 小齿轮i i 的齿面开始和大齿轮的齿面脱离接触，大齿轮在齿轮i 的作用下转 动。 对应于第4 点，肘，方向开始转变，其齿面逐渐贴向大齿轮的另一啮合 面，此时m ，和m 2 同向，大齿轮在两个小齿轮的合力矩l m l = l m l l + l m 2 i 的作用 下转动。 对应于第5 点，觚、膨，同向，m ：逐渐增大，直到m = m ，为止，此时， 两电机共同均分负载力矩l m l - i m ，l + l m ：| = m 嘣。 因此，到第5 点为止，主轴已完成起动动作，进入正常、平稳的工作状 态，此时，主轴的整个负载力矩由两个小齿轮共同承担。由以上的起动过程分 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 析可以看出：在主轴起动时，主轴大齿轮就受到偏置力矩的作用，它的两个相 反的啮合面分别与两个小齿轮的齿面啮合，在偏置力矩的作用下，它不能在齿 轮齿隙内来回摆动，这就基本上完全消除了回程误差，提高了系统的传动精 度。 2 3 2 换向过程分析 对应于第5 点，两力矩同向，主轴处于平稳状态。 对应于第4 点，主轴处于换向初期：主轴转向不变，输出转矩减小，膨 和膨，同向，但小齿轮i i 的输出力矩逐渐减小，小齿轮i 的输出力矩逐渐减 小，有力矩关系m m ，。 对应于第3 点，机床主轴的转向不变，m ，继续减小，直到膨，= 0 ，在这一 瞬间小齿轮i i 的齿面和主轴齿轮的齿面脱离接触。 对应于第2 点，主轴的转向不变，肘，反向，m ，作为偏置力矩使小齿轮i i 的齿面贴紧大齿轮的另一啮合面，小齿轮i 继续带动主轴大齿轮转动。 对应于第6 点，小齿轮i i 的输出力矩逐渐增大，而小齿轮i 的输出力矩逐 渐减小，在f m i = l m ，l = i p r e l o a d l 的瞬间，主轴的转速为o ，随后i m ：i 进一步增 大，l 肘，i 进一步减小，主轴大齿轮在小齿轮i i 的带动下开始反向转动。 对应于第7 点，小齿轮i 的输出力矩逐渐减小，直到m i = 0 ，在这一瞬间 小齿轮i 的齿面和主轴齿轮的齿面脱离接触。 对应于第8 点，小齿轮i 的另一啮合面和大齿轮的另一啮合面靠紧，同时 小齿轮i 开始反向转动，并且输出力矩逐渐增大，直到第9 点i m 。l = i m ，i 为 止。此时，两电机共同均分负载力矩i 膨 = i m 。l + f 膨：i = 竹一。 由以上换向过程分析可知： 到第9 点为止，主轴已完成换向动作，进入正常，平稳的工作状态，此 时，主轴的整个负载力矩由两个c 轴小齿轮共同承担。在主轴换向时，两个小 齿轮中的一个先减速至0 ，然后反向转动，此时该小齿轮的另一齿面贴紧大齿 轮的另外一个啮合面，另一小齿轮才逐步减速，反向。此过程中形成偏置力 矩，在偏置力矩的作用下，大齿轮换向时也不能在齿轮的齿隙内来回摆动，这 就完全消除了传动链的齿隙误差，提高了系统的传动精度。 2 4 双电机驱动在分度结构中的实现 机床c 轴分度装置如图2 5 ，机床c 轴分度装置由交流伺服电机1 f t 6 1 3 2 哈尔滨理工大学工学颂i ：学位论文 6 a c 7 1 、减速器、胀紧套联轴器、双导程蜗轮蜗杆副、与蜗轮同轴的斜齿轮c 轴，斜齿轮c 轴与主轴大齿轮啮合，主轴带动工作台回转。工作台回转中心安 装一个编码器，检测和反馈回转角度信号。 图2 - 5c 轴分度装置消隙结构 f i g 2 5a n t i b a c k l a s hs t r u c t u r eo fc a x i si n d e x i n gm a c h i n e 当分度定位装置要求回转台精确定位时，即需要主轴精确定位，主轴的精 确定位是通过s i e m e n s 8 4 0 d 系统控制二级传动副进行精确定位的。主轴精确定 位分为两步： 1 机床c 轴消隙结构预载通过s i e m e n s 8 4 0 d 系统设定预载的大小，设 置完毕，数控系统驱动双伺服电机反方向旋转达到图2 2 中的预载p r e l o a d ，两 个输出小齿轮分别贴紧大齿轮的两个相反的啮合面，使主轴大齿轮不能在齿轮 间隙中来回摆动，消除齿轮及二级传动副的l 白j 隙。 2 机床c 轴分度装置的精确定位机床c 轴分度装置的精确定位是在机 床c 轴分度装置预载完成的基础上，s i e m e n s 8 4 0 d 系统发出位置指令，通过位 置和速度控制转换成扭矩指令，最后转换成控制双伺服电机的电流信号控制电 机的旋转，实现回转台的精确定位，其控制过程如图2 4 。具体过程为双伺服 电机旋转，驱动两套蜗杆旋转，通过蜗轮带动c l 和c 2 轴旋转，c 轴的斜齿轮 与主轴大齿轮啮合实现主轴的精确定位，末端齿轮啮合关系如图2 - 6 。这个过 程中两个电机在s i e m e n s 8 4 0 d 系统的控制下按照图2 2 机构的力矩关系旋转 的。分加速、减速和恒速，移动过程中其驱动扭矩关系如图2 7 所示。 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 网 1 一 图2 - 6 末端齿轮啮合关系 f i g 2 - 6m e s h i n gr e l a t i o n s h i po ft h et e r m i n a lt r a n s a c t i o ng e a r s 副电机主电机 副电机 主电机 图2 7 移动中的扭矩变化模式图 f i g 2 - m o d ec h a r tf o rc h a n g i n go f t o r q u ei nm o v e m e n t 1 3 甲回 圈 哈尔滨理工大学工学硕l 学位论文 机床c 轴分度装置是机床主轴箱的一部分功能，当不需要c 轴分度装置 传动系统进行消隙和定位时，通过c 轴拨叉将两啮合盘齿轮分离，实现c 轴 进给系统与主传动系统的分离。两啮合盘齿轮作用相当于离合器。这样主轴箱 就可通过i 轴实现主传动了。 2 5 本章小结 高精度重型数控机床c 轴分度结构采用s i e m e n s 8 4 0 d 系统控制双伺服电 机驱动，对各传动环节的制造精度要求不高，系统消隙效果好，传动精度可达 到角秒量级。这种传动方式实质上是电消隙，对系统的伺服控制系统要求较 高，控制系统的构造也较为复杂，各传动链中不能采用柔性传动环节，两条传 动链必须相同，制造成本较高，宜应用在高精度的伺服传动系统中。实践证明 应用在高精度重型数控机床c 轴分度结构中，完全满足精密定位的要求，是钢 铁、冶金、军工企业的理想设备，弥补了我国在高精度重型数控机床c 轴传动 进给及分度装置技术上的不足。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第3 章双电机同步联动伺服系统的建模 3 1 伺服系统元件的选择 系统的精度和动态指标主要由伺服驱动系统的性能决定，下面根据伺服系 统的特点选择适当的伺服元件。 3 1 1 伺服电机的选择 选择伺服电机，应满足下列条件啪1 ： 1 在所有的进给速度范围内( 包括快速移动) ，空载进给力矩应小于电动 机额定转矩； 2 最大切削力矩应小于电动机额定转矩； 3 加、减速时间应符合所希望的时间常数； 4 快速进给频繁度在希望值以内； 5 为了满足上述条件的电机，需要进行负载扭矩计算、惯量匹配计算和 加减速扭矩计算。 常用的伺服电机主要有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。这 三种伺服电机的主要特点啪1 如下： 直流伺服电机作为机电一体化产品的一种重要的执行元件，它具有体积 小、转矩大、功率重量比大、功率体积比大、稳定性好等优点，缺点是维护性 不好，散热不好。 步进电机转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的频率，优 点是误差不会长期积累，它的最大缺点在于容易失步，特别是在大负载和高速 的情况下，失步更容易发生。 交流伺服电机具有可靠性高、维护保养要求低，易散热等特点，转子转动 惯量小，快速性好，功率体积比更大，交流伺服电机保留了一些直流伺服电机 的优点而克服了某些局限性。 在重型机床c 轴控制系统中，由于要求转速范围比较宽，特别有低速要 求，采用伺服电机的话常常必须与减速机构相连。由于采用减速器，一方面使 系统装置变得复杂，另一方面也是闭环控制系统产生自激振荡啪1 的重要原因之 一，影响了系统性能的提高。因此系统采用一种低转速、大转矩的伺服电机。 哈尔滨理工大学1 = 学硕上学位论文 1 电机转速计算如果伺服电机通过减速机构带动回转台工作，那么 n m f ( 3 - 1 ) 式中：，为电机至回转工作台传动比；为回转工作台快进转速( r r a i n ) 。 其中，回转台工作转速为0 4 8 0r m i n ，电机至回转工作台传动比 i = 2 4 5 1 ，计算得以h = 1 9 6 0 8 ( r m i n ) 。查看西门子电机样本手册，选2 0 0 0r m i n 的电机。 2 电机负载扭矩计算在实际机床上，由于存在效率和摩擦系数因素，齿 轮传动需克服预载荷p r e l o a d 做功所需力矩按下式计算： 炉卜訾+ 嘉鹕谚 。一萄 式中：材。为等速运动时电机的驱动力矩( n m m ) ；kl a ，、0 t t s p 为机床c 轴与主轴 的预载力矩( n 舢n ) ；厶为机床c 轴与主轴的预载力( n ) ；k 为蜗杆倒程 ( t u r n ) ；k 为c 轴预紧力系数；p 为加载主轴轴向的外部载荷( n ) ：m b 为支撑 轴承的摩擦力矩叫衄n ) ；f 为电机至回转工作台传动比。 其中只o = 2 5 0 0 0 n ，k 取o 1 5 ，k = i t m ，考虑实际情况尸、均以零 计算，j = 号专竽署= 2 4 5 1 。最后计算得m 上= 3 0 6 n - n u n 3 定位加速时的最大转矩计算定位加速时的最大转矩m ，按下式计算： m = - = 二_ o g t a ( j 材+ ，l ) + m l ( 3 - 3 ) o 4 式中：为快速移动的电机转速( r m i n ) ；f 口为电机加速、减速时间通常取 1 5 0 2 0 0 m s ；，材为电机惯量( k g i n 2 ) ，可从样本中查到；以为负载惯量 ( k g m 2 ) 。 其中疗研= 2 0 0 0r m i n ，t a 取2 0 0 m s ，厶从产品样本手册中可查到， 将在 下面计算。 ( 1 ) c 轴系的质量等已知条件 工件重量g ，= 3 0 0 x 1 0 3 k g ，工件切削直径= 3 5 m ： 花盘重量g ，= 1 7 x 1 0 了k g ，直径- 2 5 m ； 主轴齿轮质量= 1 6 9 1 9 7 k g ，回转半径= o 8 3 6 m ； m 轴质量g ，- 7 0 7 k g ，回转半径= o 4 7 m ： 轴齿轮质量g 6 = 8 3 2 k g ，回转半径= o 3 m ； 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 昌曩置皇鲁詈一 = - 一ii 置詈鼍皇童| 昌皇皇鲁暑詈皇! 兰詈暑詈墨置鲁詈暑皇詈詈昌摹喜暑暑号= 昌皇皇墨= 皇皇寡鲁皇曩量置量量皇置一 c 轴2 质量= 2 6 8 k g ，回转半径= o 3 5 6 m ： 蜗轮质量= 1 3 3 5 k g ，回转半径= 0 3 m ； c 轴1 质量= 311 5 k g ，回转半径= 0 3 7 6 m ： 蜗杆质量= 1 0 2 k g ，回转半径= o 3 m ； ( 2 ) 工件的惯量 工件的惯量按下式计算： 。 一 件2 嘣 ，= m p 2 j u x x e = m d 2 8 _ ( 3 0 0 1 0 3 ) ( 3 5 = 4 6 x 1 0 5k g m 2 以花量= 吲= ( 1 7 1 0 3 ) ( 2 5 = 1 3 3 1 0 3 k g m 2 以轴大齿轮= m p 2 = 1 6 x 9 1 9 7 x 0 8 3 6 6 =