雙電機(jī)消除間隙

1、雙電機(jī)消除間隙由于絲杠傳動(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)以其無間隙、耐磨損、長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)在回轉(zhuǎn)工作

2、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)面臨的反向間隙問題，以降低頻繁反向過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

3、/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?？傊?，由于雙電機(jī)

4、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

5、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，無 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+I。，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

6、流，不論消隙偏置 電流I。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）=2K t*It。不同廠商的消隙控制曲線會(huì)有各自的特色，不過都必須遵循一個(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

7、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

8、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) 行過程中，無論兩個(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