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1、主从驱动双传动链消隙控制应用 张效忠 (天水星火机床有限责任公司技术中心 741024) 摘 要 ：本文介绍了双齿轮齿条传动链消隙的硬件组成，并以Sinumerik840D 数控系统为例证， 阐明了主从驱动控制的工作原理及相关机床参数的设定。 关键词 ：消隙；主从驱动；张力转矩 Application of master/slave drive control to double pinion-rack drive chain for backlash elimination Abstract:This article hardware structure of double pinion-r
2、ack drive chain for backlash elimination It takes Sinumerik840D system for example, Illuminates Work theory of master/slave drive control, and how to set relative machine data. Key words : backlash elimination; master/slave drive; tension torque; 重型卧式数控车床的纵向进给运动由伺服电动机驱动双齿轮进给箱，经高精度齿条实现纵向快速 和进给运动。采用齿轮
3、齿条传动机构，齿轮齿条齿隙会造成伺服进给系统的死区误差，伺服系统的死 区误差（不灵敏区） ，也就是指传动系统启动或反向时产生的输入运动与输出运动之间的差值。数控 进给系统由于启动或反向死区误差的存在，直接影响了工件与刀具的定位精度。如在加工工件圆弧插 补时，在过象限轮廓处出现凸肩现象。对于光栅反馈的闭环伺服进给系统，由于齿侧间隙引入的滞环 非线性特性，会引起伺服进给系统振荡过冲现象。因此，传动机构的间隙直接影响机床进给系统的定 位精度和重复定位精度。对于高精度要求的机床进给系统是不容忽视的。产生死区误差的主要原因之 一就是机械传动系统中的间隙。为了减小死区误差，应力图消除传动间隙。不同位置传动
4、副间隙的影 响是不同的，越是靠近工作台影响越大，所以齿轮齿条传动副间隙更应严格控制。 目前，较多采用机械弹簧预紧消除间隙方法。这种方法调整简单，但传动链机构较为复杂，每个齿轮 的精度等级要求高，制造成本高、 经济性不好。 本文介绍一种电气主从驱动消隙机构，传动结构简单， 容易制造装配。 采用两个伺服电动机通过减速箱分别联接到末级齿轮。控制系统在两个伺服电动机之 间建立一个偏置转矩，形成张力预紧自动补偿齿隙，驱动部分零间隙，提高机床传动高定位精度。 1. 主从驱动消隙系统组成 这种消除传动链间隙系统的具体 组成框如右图所示： 1.1 两个伺服电动机分别由彼此 独立的两套伺服驱动器控制。 1.2
5、两个相同的伺服电动机分别 722 通过弹性联轴器与减速箱联接。 1.3 两个减速箱联接两个小齿轮， 在同一齿条上啮合驱动纵向拖 板移动。 1.4 控制系统通过控制两套伺服驱动器，实现伺服电动 机 SM1 、SM2主从驱动控制。 当两个伺服电动机之间存在张力转矩时，这样可以 消除齿轮齿条之间的间隙，以及齿轮箱自身的间隙。 2主从驱动消隙工作原理 当两个伺服电动机通过机械传动连接到同一个驱动进给轴时，两个伺服电机驱动之间应建立永 久固定的主从驱动控制关系。如主从驱动控制系统框图2 所示，当主从驱动功能接通后，从动驱动的 运行根据主动驱动设定的速度旋转运动。因此从动驱动只是一个速度控制方式，而不是位
6、置控制方式。 PI 转矩控制器确保两个伺服驱动器产生一定大小的输出转矩。为了在主驱动和从驱动之间保持一定 的张力，可以指定一个附加转矩用来实现主从驱动之间的张力。在转矩控制器上可以使用PT 滤波器 由机床数据定义的张力，相互张紧状态的驱动可以无间隙运动。从动驱动单元，用于与主动单元之间 产生张力。粗加工或快速进给（加速度较大），两个伺服电动机朝一个方向转动工作。精加工（加速 度较小），两个伺服电动机驱动扭矩方向相反消除传动间隙。 对于 Sinumerik840D数控系统， 在 NCU572.2硬件基础上才能使用主从驱动控制的功能，系统软 件 V6.5，主从驱动功能选项软件为6FC5251-0A
7、C07-0AA0 。驱动模块只能配置数字611D模块。 主动轴可以如同其它NC轴一样操作和编程，从操作和编程上看，可以认为从动轴不存在。回参 考点方式，只有主动轴才可以回参考点，从动轴的参考点 不变化，主动轴的位置与从动轴的位置不相同，这个不相同的位置没有意义。由于从动轴没有激活位 置环控制，因此从动轴的螺距误差补偿，温度等补偿也不激活。为了主从动轴伺服电动机的响应特性 相同，主从动轴动态响应参数如增益参数等应设置相同值。 图 1 主从驱动传动示意图 723 图2 主从驱动控制框图 3主从驱动之间张力设定 主从电动机扭矩图如右图2 所示： 当 扭 矩 控 制 器 激 活 时 ， 通 过 机 床
8、 参 数 MD37264定义一个附加转矩实现一个张力转矩， 张力转矩输入额定转矩的百分数。MD27266定义 PT 滤波器时间常数。张力转矩必须足够大，保 证不低于驱动进给轴加速时所需的最小张力转 矩，为了防止电动机不必要的发热，当进给轴处 于静止状态时，可以降低张力转矩。 图3 主从电动机扭矩图 张力转矩产生的预紧力矩M不应过大或过小。M过小起不到消隙的作用，M过大会加大齿轮的齿面的 摩擦力而加剧磨损。对于数控机床来说，有时为了完全消除反向间隙并增加齿轮的接触刚度，调节适 当的张力预紧力矩。以保证机床的定位精度及重复定位精度。 4相关机床参数设置 MD 37250 速度连接的主动轴机床轴 2
9、 MD 37252 扭矩控制的主动轴机床轴 2 MD 37255 扭矩补偿控制激活 1 MD 37256 扭矩补偿控制增益系数 2 MD 37258 扭矩补偿控制积分时间 5 MD 37262 固定有效的主从驱动控制 1 MD 37264 主从驱动张力分配 10% 724 MD 37266 张力扭矩PT滤波时间常数 10 MD 37268 从驱动扭矩分配 50% MD 37270 主从驱动速度粗容差 5 MD 37272 主从驱动速度精容差 1 MD 37274 主从驱动运行方向相反 0 5结束语 本文介绍的主从驱动消隙控制在我公司生产的重型数控车床上实际应用，其控制性能稳定可靠。 经激光干涉
10、仪实际检测，进给控制轴的定位精度及重复定位精度均达到了设计预定目标。根据机床实 际运行情况，可适当调整张力转矩控制参数。因此，这种主从驱动消隙控制将在重型数控车床得到广 泛的应用。 参考文献 ： 1. Function Manual Special Functions SINUMERIK 810D/840Di/810D 09.2006 Edition SIEMENS 2. Parameter Manual SIMODRIVE 611D SINUMERIK 810D/840Di/810D 09.2006 Edition SIEMENS 3机床设计手册（第三册） 机械工业出版社， 1996 作者简介 ：张效忠 1967年 10 月 2 日出生，男， 2007 年 1 月毕业于兰州理工大学，甘肃天水星 火机床有限责任公司，工程师，主要从事数控机床的电控设计与应用工作。 邮箱： ZXZ321126.COM 725