NUM系統(tǒng)反向消隙功能在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用
2021-1-22 來源： 秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司 作者：淮睿， 王蕾
摘要：闡述了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了NUM數(shù)控系統(tǒng)反向消隙功能和其使用方法及該功能在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；反向消隙；主從控制
1 、機(jī)床傳動環(huán)節(jié)存在反向間隙
近年來，數(shù)控機(jī)床正在朝著自動化、智能化方面迅猛發(fā)展，很多機(jī)床都配備了機(jī)器人和料倉等自動化輔助設(shè)備，以此來提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本。這樣就要求機(jī)床制造商生產(chǎn)的主機(jī)必須達(dá)到高精度，從而保證了加工的零件精度能夠達(dá)標(biāo)。
然而，在機(jī)床的傳動環(huán)節(jié)中都存在著反向間隙，所謂反向間隙，就是機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)在換向運(yùn)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(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動，這個間隙就是反向間隙。這個間隙是機(jī)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(jī)床零件的加工精度。
數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺在換向運(yùn)動時，由于反向間隙的存在會導(dǎo)致工作臺短時無運(yùn)動，這在機(jī)床運(yùn)行過程中是不允許的。所以，在機(jī)床設(shè)計(jì)之初就得考慮采取相應(yīng)的傳動結(jié)構(gòu)來消除反向間隙。
2 、如何消除反向間隙
傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)構(gòu)會使機(jī)械傳動部分嚴(yán)重磨損。現(xiàn)如今，數(shù)控系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，比如NUM數(shù)控系統(tǒng)NUM TANDEMFunctions （串聯(lián)功能） 中的Anti-backlash function（反向消隙功能），可以取代機(jī)械消隙實(shí)現(xiàn)雙電動機(jī)電氣消隙[1]。
該功能涉及兩個驅(qū)動器，分別是Master驅(qū)動器和Slave驅(qū)動器，兩個驅(qū)動器必須具備相同的規(guī)格和性能；兩個電動機(jī)通過主從控制可以產(chǎn)生雙倍于單個電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，用于驅(qū)動一個軸（串聯(lián)控制）；同時，在兩個電動機(jī)和傳動結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生預(yù)加載力矩用來消除機(jī)械傳功中的反向間隙，該功能可用于由同步或異步電動機(jī)驅(qū)動的線性或旋轉(zhuǎn)軸。雙電動機(jī)電氣消隙原理如圖1所示。
雙電動機(jī)電氣消隙相比較于機(jī)械消隙具有一定的優(yōu)勢：首先，可以提高定位精度；其次，可以提供兩倍于單電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出來控制單個軸，同時，還能提供預(yù)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(jī)驅(qū)動[2-3]。
3 、應(yīng)用實(shí)例
某數(shù)控機(jī)床，旋轉(zhuǎn)工作臺采用雙電動機(jī)消隙控制結(jié)構(gòu)。電動機(jī)選用兩個同型號、同性能的西門子1PH8主軸同步電動機(jī)并配備相同的伺服驅(qū)動器，伺服電動機(jī)經(jīng)減速器、齒輪齒圈帶動工作臺分度，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。安裝在工作臺下面的距離編碼器將旋轉(zhuǎn)信號反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，達(dá)到精確、可靠地分度和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)床工作臺如圖2所示。
配置前準(zhǔn)備工作如下：首先，數(shù)控系統(tǒng)需要開通Tandem Function功能，如圖3所示；其次，主動軸伺服驅(qū)動器和從動軸伺服驅(qū)動器的S4口之間需要用一根網(wǎng)線連接實(shí)現(xiàn)Local Link connections，如圖4所示，然后才能進(jìn)行雙驅(qū)結(jié)構(gòu)控制的配置。
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(huán)的配置。在半閉環(huán)狀態(tài)下設(shè)置好主從驅(qū)動器參數(shù)之后，將主動軸和從動軸的電動機(jī)均放置在平坦開闊的地面上，手動運(yùn)行正常且方向一致，如圖5所示。
另外，需要對主從電動機(jī)分別執(zhí)行EPSM （Electric Position Synchro－nization With Movement），并設(shè)置主從電動機(jī)驅(qū)動器參數(shù) V273（Electrical phase offset management）；否 則 ，該軸在第二反饋下回參考點(diǎn)時會出現(xiàn)驅(qū)動報(bào)警。第二階段：雙驅(qū)消隙配置和主動電動機(jī)的全閉環(huán)配置。電動機(jī)在半閉環(huán)下運(yùn)行正常后，即可安裝于工作臺之上與傳動機(jī)構(gòu)連接，如圖6所示
。
這時打開數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試軟件，配置主動軸@8并勾選“Anti-backlash/torque Synchronized”，再進(jìn)入主動軸@8和從動軸@9的驅(qū)動參數(shù)設(shè)置界面，分別設(shè)置以下參數(shù)：
說明：V171僅設(shè)置主動軸驅(qū)動參數(shù)，設(shè)置范圍不得超過電動機(jī)額定電流的30%，主從電動機(jī)預(yù)緊力矩大小相同但方向相反。配置好主從驅(qū)動的消隙參數(shù)及主動電動機(jī)的預(yù)緊力矩后，觀察負(fù)載變化情況并嘗試低速運(yùn)行臺面，可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。靜止時，主從電動機(jī)的預(yù)緊力矩基本一樣大，運(yùn)行時一大一小。這樣雙驅(qū)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(jī)控制的結(jié)構(gòu)，編碼器只配置在主動軸上。
編碼器信號強(qiáng)度要求：（0.6～1.2）Vpp(≈1Vpp)；參考點(diǎn)信號強(qiáng)度要求：0.2V≤R≤0.85V(≈0.5V)。設(shè)置好主動軸驅(qū)動器與編碼器相關(guān)的參數(shù)后，測試編碼器信號和參考點(diǎn)信號強(qiáng)度均在要求范圍。手動運(yùn)行工作臺并執(zhí)行回參考點(diǎn)后，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。第三階段：工作臺的參數(shù)優(yōu)化。對于這種主從控制的軸，只需要優(yōu)化主動軸即可，從動軸的電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)按照主動軸的驅(qū)動參數(shù)設(shè)置即可。具體的優(yōu)化方法和普通軸的一樣，此處就不再贅述。
在后續(xù)的機(jī)床加工過程中，工作臺運(yùn)行穩(wěn)定，加工零件也能達(dá)到精度要求。至此，雙電動機(jī)電氣消隙功能就配置完成了。由此可見該功能性能優(yōu)越，控制精度高，配置成本低，并且隨著規(guī)格、重型數(shù)控機(jī)床的日益發(fā)展，該功能會得到更加廣泛的應(yīng)用。
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