雙電機(jī)電氣消隙的工作原理

由于絲杠傳動(dòng)存在不可避免的長(zhǎng)度限制，而且超長(zhǎng)行程的重載滾珠絲桿由于銷量有限售價(jià)也極高，因而大型機(jī)床， 尤其是重型機(jī)床的直線進(jìn)給軸普遍采用高精度齒輪齒條傳動(dòng)。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)雖然在理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限接長(zhǎng)，以規(guī)避絲杠傳動(dòng)的長(zhǎng)度限制和超長(zhǎng)滾珠 絲杠的成本問(wèn)題，但直線電機(jī)尚不足以滿足某些重型機(jī)床的驅(qū)動(dòng)需求，因而高精度齒輪齒條傳動(dòng)仍是大型機(jī)床直線進(jìn)給的有效解決方案。

      大型機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)在力矩伺服電機(jī)直 接驅(qū)動(dòng)技術(shù)問(wèn)世之前，一直是齒輪齒圈傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的天下，近年來(lái)除了力矩伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)之外，環(huán)面包絡(luò)滾子蝸桿傳動(dòng)技術(shù)以其無(wú)間隙、耐磨損、 長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)中也開始站得一席之地，即便如此，齒輪齒圈傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)仍是大型和重型機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)軸的重要驅(qū)動(dòng)器方式。

      眾所周知，在（滾珠）絲杠傳動(dòng)中，可以采用雙螺母反向預(yù)緊的方法以機(jī)械方式消除單螺母?jìng)鲃?dòng)面臨的反向間隙問(wèn)題，以降低頻繁反向過(guò)程中因反向間隙引入的傳動(dòng)誤差和剛度損失。環(huán)面包絡(luò)滾子蝸桿傳動(dòng)，也可以借助雙滾子包絡(luò)環(huán)面技術(shù)以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)反向預(yù)緊，消除傳動(dòng)間隙。

      同理，在齒輪齒條傳動(dòng)、齒輪齒圈傳動(dòng)也可以依靠雙齒輪反向預(yù)緊的方式消除反向間隙，如果兩個(gè)齒輪與齒條/齒圈的反向預(yù)緊力由機(jī)械裝配和調(diào)整關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，則 稱之為機(jī)械消隙，機(jī)械消隙屬于單電機(jī)輸入兩個(gè)齒輪輸出的形式；如果兩個(gè)齒輪與齒條/齒圈間的反向預(yù)緊力分別由驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)齒輪的兩臺(tái)（伺服）電機(jī)間的力矩協(xié) 調(diào)關(guān)系來(lái)保證，則稱之為雙電機(jī)電氣消隙，雙電機(jī)電氣消隙屬于雙電機(jī)輸入兩個(gè)齒輪輸出的形式。

      相對(duì)于機(jī)械消隙，雙電機(jī)電氣消隙在性能上更具優(yōu)勢(shì)：
      1）更高的重復(fù)定位精度，據(jù)稱可達(dá)到1道（南方謂之1絲）。
      2）更大的控制靈活性，一方面，兩個(gè)電機(jī)以目標(biāo)策略反方向驅(qū)動(dòng)可以消除反向間隙，另一方面，當(dāng)需要加大驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，兩個(gè)電機(jī)也可以同向驅(qū)動(dòng)。
      3）成本控制，對(duì)于可驅(qū)動(dòng)大型和重型機(jī)床的大規(guī)格伺服電機(jī)而言，由于可以同時(shí)使用兩臺(tái)伺服電機(jī)，就有可能允許選用更小規(guī)格的伺服電機(jī)，系統(tǒng)綜合成本反而未必高于單一大規(guī)格伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械消隙。

      總之，由于雙電機(jī)電氣消隙性能優(yōu)越、精度高、成本低，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)中仍具有良好的發(fā)展前景，并受到大型和重型機(jī)床廠家的青睞。

      蝸輪蝸桿傳動(dòng)也同樣可以采用由兩臺(tái)（伺服）電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)蝸桿實(shí)現(xiàn)（雙電機(jī)）電氣消隙，兩個(gè)蝸桿間的反向預(yù)緊力或驅(qū)動(dòng)力也分別由驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)蝸桿的伺服電機(jī)的力矩協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)保證，從而消除單一蝸桿傳動(dòng)難于避免的反向間隙。

      以齒輪齒條傳動(dòng)的雙電機(jī)電氣消隙為例，假設(shè)兩個(gè)齒輪的軸位置固定，安裝于齒輪上方的齒條在齒輪的驅(qū)動(dòng)下可帶動(dòng)工作臺(tái)沿水平方向左右移動(dòng)，則雙電機(jī)電氣消隙的工作原理是：
      1）兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各自的齒輪與齒條嚙合。
      2）靜態(tài)下，一個(gè)齒輪與齒條的左齒面嚙合并適度保持向右的驅(qū)動(dòng)力，另一個(gè)齒輪與齒條的右齒面嚙合并適度保持向左的驅(qū)動(dòng)力。
      3）工作臺(tái)右移時(shí)，由和齒條左齒面嚙合的齒輪向右驅(qū)動(dòng)齒條；工作臺(tái)左移時(shí)，由和齒條右齒面嚙合的齒輪向左驅(qū)動(dòng)齒條。
      4）負(fù)載較輕時(shí)，兩個(gè)齒輪對(duì)齒條的左右齒面施加足夠大的反向驅(qū)動(dòng)力，這樣一來(lái)，無(wú)論朝哪個(gè)方向反向運(yùn)行，都不會(huì)產(chǎn)生反向間隙。
      5）負(fù)載足夠大時(shí)，兩個(gè)齒輪對(duì)齒條的同向齒面施加方向一致的驅(qū)動(dòng)力，以提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

 

      雙電機(jī)電氣消隙需按照特定的消隙控制曲線驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)。假設(shè)用于雙電機(jī)電氣消隙的兩個(gè)伺服電機(jī)的規(guī)格參數(shù)完全一致，兩臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流的最簡(jiǎn)單關(guān)系為 I1＝It+Io，I2＝It-Io，其中Io為消隙偏置電流，It是和輸出合力矩對(duì)應(yīng)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流，不論消隙偏置電流Io的大小如何，兩個(gè)伺服電機(jī)的 輸出合力矩為Kt*I1+Kt*I2＝Kt*(It+Io)+Kt*(It-Io)＝2Kt*It。不同廠商的消隙控制曲線會(huì)有各自的特色，不過(guò)都必須遵 循一個(gè)統(tǒng)一的原則，以確保永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)齒輪對(duì)齒條的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力同時(shí)為零的情況，即任何時(shí)候兩個(gè)電機(jī)中至少有一個(gè)電機(jī)會(huì)通過(guò)齒輪對(duì)齒條施加不為零且足夠 大的驅(qū)動(dòng)力。

 

      原則上，雙電機(jī)電氣消隙運(yùn)行過(guò)程中，可分為以下幾種工作情形：
      1）當(dāng)系統(tǒng)需要的輸出合力矩為零（靜止或勻速）時(shí)，兩臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流分別為±Io，對(duì)應(yīng)的輸出力矩大小相等、方向相反。Io為消隙偏置電流，對(duì)應(yīng)的 輸出力矩為消隙偏置力矩，消隙偏置力矩必須足以克服傳動(dòng)鏈本身的動(dòng)靜摩擦阻力，以及彈性形變等傳動(dòng)死區(qū)環(huán)節(jié)等所需的力矩總和。
      2）當(dāng)系統(tǒng)需要的輸出合力矩增大時(shí)，兩臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流按照特定的電流曲線變化，其中一臺(tái)伺服電機(jī)的輸出力矩將繼續(xù)增大，另一臺(tái)伺服電機(jī)的輸出力矩逐漸減小至零，再反向增大，由阻力變?yōu)轵?qū)動(dòng)力。
      3）當(dāng)兩臺(tái)伺服電機(jī)輸出同向力矩使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個(gè)方向運(yùn)行過(guò)程中需要減速停止時(shí)，兩臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流將按照特定的電流曲線反轉(zhuǎn)，其中 輸出力矩較大的一臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流將逐漸減小到消隙偏置電流，另一臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流則會(huì)在前一臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流減小到消隙電流之前減小到零， 再反向增大至消隙電流，輸出力矩也相應(yīng)地由驅(qū)動(dòng)力恢復(fù)為阻力。
      4）當(dāng)兩臺(tái)伺服電機(jī)輸出同向力矩使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個(gè)方向運(yùn)行過(guò)程中需要減速并反向運(yùn)行時(shí)，將執(zhí)行由3）到1）再到2）的變化規(guī)律。

      也不妨換一種描述方式來(lái)理解雙電機(jī)電氣消隙：
      1）由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的齒輪與齒條嚙合時(shí)，兩個(gè)齒輪都對(duì)齒條出力，不過(guò)在絕大多數(shù)情況下都是一個(gè)力大，另一個(gè)力小。
      2）輕載下，兩個(gè)齒輪出力的方向相反，哪個(gè)力大就往那個(gè)方向移動(dòng)，只不過(guò)出力大的齒輪驅(qū)動(dòng)齒條移動(dòng)，出力小的齒輪阻止齒條移動(dòng)。
      3）載荷足夠大時(shí)，兩個(gè)齒輪的出力方向都變得與移動(dòng)方向相同，共同驅(qū)動(dòng)齒條移動(dòng)。
      4）載荷從輕載逐漸加大的過(guò)程中，原出力方向與移動(dòng)方向相反的那個(gè)齒輪的出力會(huì)逐漸變小，并越過(guò)零點(diǎn)，再反向變大。
      5）當(dāng)載荷從足夠大的重載逐漸減小為輕載的過(guò)程中，原出力較小的那個(gè)齒輪的出力會(huì)逐漸變小到零，越過(guò)零點(diǎn)后再逐漸反向變大。

      此前一直都在講雙電機(jī)電氣消隙的力矩控制原理，需要注意的是雙電機(jī)電氣消隙的運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)論兩個(gè)齒輪的出力方向相反，還是相同，哪怕其中一個(gè)齒輪的出力恰好為零，兩個(gè)齒輪的實(shí)際運(yùn)行速度名義上總是相同的。
      在雙電機(jī)電氣消隙的實(shí)際應(yīng)用中，用于消隙控制的兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)就是直線伺服軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在機(jī)床中驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸的伺服系統(tǒng)一般不會(huì)簡(jiǎn)單地工作于電流模式，雖然不排除這種應(yīng)用方法，為此有必要討論工作于速度模式或位置模式的伺服系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)電氣消隙。