雙電機消除間隙

1、雙電機消除間隙由于絲杠傳動存在不可避免的長度限制，而且超長行程的重載滾珠絲桿由于銷量有限售價 也極高，因而大型機床，尤其是重型機床的直線進給軸普遍采用高精度齒輪齒條傳動。直 線電機直接驅(qū)動技術(shù)的出現(xiàn)雖然在理論上可以實現(xiàn)無限接長，以規(guī)避絲杠傳動的長度限制 和超長滾珠絲杠的成本問題，但直線電機尚不足以滿足某些重型機床的驅(qū)動需求，因而高 精度齒輪齒條傳動仍是大型機床直線進給的有效解決方案。大型機床回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動在力矩伺服電機直接驅(qū)動技術(shù)問世之前，一直是齒輪 齒圈傳動和蝸輪蝸桿傳動的天下，近年來除了力矩伺服電機直接驅(qū)動技術(shù)之外，環(huán)面包絡 滾子蝸桿傳動技術(shù)以其無間隙、耐磨損、長壽命的優(yōu)勢在回轉(zhuǎn)工作

2、臺轉(zhuǎn)軸驅(qū)動中也開始站 得一席之地，即便如此，齒輪齒圈傳動和蝸輪蝸桿傳動仍是大型和重型機床回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn) 軸的重要驅(qū)動器方式。眾所周知，在（滾珠）絲杠傳動中，可以采用雙螺母反向預緊的方法以機械方式消除 單螺母傳動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誤差和剛 度損失。環(huán)面包絡滾子蝸桿傳動，也可以借助雙滾子包絡環(huán)面技術(shù)以機械方式實現(xiàn)反向預 緊，消除傳動間隙。同理，在齒輪齒條傳動、齒輪齒圈傳動也可以依靠雙齒輪反向預緊的方式消除反向間 隙，如果兩個齒輪與齒條/齒圈的反向預緊力由機械裝配和調(diào)整關(guān)系來實現(xiàn)，則稱之為機械 消隙，機械消隙屬于單電機輸入兩個齒輪輸出的形式；如果兩個齒輪與齒條

3、/齒圈間的反向 預緊力分別由驅(qū)動這兩個齒輪的兩臺（伺服）電機間的力矩協(xié)調(diào)關(guān)系來保證，則稱之為雙 電機電氣消隙，雙電機電氣消隙屬于雙電機輸入兩個齒輪輸出的形式。相對于機械消隙，雙電機電氣消隙在性能上更具優(yōu)勢：1）更高的重復定位精度，據(jù)稱可達到1道（南方謂之1絲）。2）更大的控制靈活性，一方面，兩個電機以目標策略反方向驅(qū)動可以消除反向間隙， 另一方面，當需要加大驅(qū)動力矩時，兩個電機也可以同向驅(qū)動。3）成本控制，對于可驅(qū)動大型和重型機床的大規(guī)格伺服電機而言，由于可以同時使用 兩臺伺服電機，就有可能允許選用更小規(guī)格的伺服電機，系統(tǒng)綜合成本反而未必高于單一 大規(guī)格伺服電機驅(qū)動的機械消隙?？傊?，由于雙電機

4、電氣消隙性能優(yōu)越、精度高、成本低，在競爭日益激烈的市場中仍 具有良好的發(fā)展前景，并受到大型和重型機床廠家的青睞。蝸輪蝸桿傳動也同樣可以采用由兩臺（伺服）電機分別驅(qū)動的兩個蝸桿實現(xiàn)（雙電機） 電氣消隙，兩個蝸桿間的反向預緊力或驅(qū)動力也分別由驅(qū)動這兩個蝸桿的伺服電機的力矩 協(xié)調(diào)關(guān)系來保證，從而消除單一蝸桿傳動難于避免的反向間隙。以齒輪齒條傳動的雙電機電氣消隙為例，假設兩個齒輪的軸位置固定，安裝于齒輪上 方的齒條在齒輪的驅(qū)動下可帶動工作臺沿水平方向左右移動，則雙電機電氣消隙的工作原理是：1）兩個電機分別驅(qū)動各自的齒輪與齒條嚙合。2）靜態(tài)下，一個齒輪與齒條的左齒面嚙合并適度保持向右的驅(qū)動力，另一個齒輪

5、與齒 條的右齒面嚙合并適度保持向左的驅(qū)動力。3）工作臺右移時，由和齒條左齒面嚙合的齒輪向右驅(qū)動齒條；工作臺左移時，由和齒 條右齒面嚙合的齒輪向左驅(qū)動齒條。4）負載較輕時，兩個齒輪對齒條的左右齒面施加足夠大的反向驅(qū)動力，這樣一來，無 論朝哪個方向反向運行，都不會產(chǎn)生反向間隙。5）負載足夠大時，兩個齒輪對齒條的同向齒面施加方向一致的驅(qū)動力，以提高負載驅(qū) 動能力。雙電機電氣消隙需按照特定的消隙控制曲線驅(qū)動兩臺電機。假設用于雙電機電氣消隙 的兩個伺服電機的規(guī)格參數(shù)完全一致，兩臺電機的驅(qū)動電流的最簡單關(guān)系為I1=It+I。，I2 = It-Io，其中Io為消隙偏置電流，It是和輸出合力矩對應的目標驅(qū)動電

6、流，不論消隙偏置 電流I。的大小如何，兩個伺服電機的輸出合力矩為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有各自的特色，不過都必須遵循一個統(tǒng)一的原則，以確保 永遠不會出現(xiàn)兩個齒輪對齒條的實際驅(qū)動力同時為零的情況，即任何時候兩個電機中至少 有一個電機會通過齒輪對齒條施加不為零且足夠大的驅(qū)動力。原則上，雙電機電氣消隙運行過程中，可分為以下幾種工作情形：1）當系統(tǒng)需要的輸出合力矩為零（靜止或勻速）時，兩臺伺服電機的驅(qū)動電流分別為 Io,對應的輸出力矩大小相等、方向相反。Io為消隙偏置電流，對應的輸出力矩為消隙偏 置力矩，消隙偏置力矩必

7、須足以克服傳動鏈本身的動靜摩擦阻力，以及彈性形變等傳動死 區(qū)環(huán)節(jié)等所需的力矩總和。2）當系統(tǒng)需要的輸出合力矩增大時，兩臺伺服電機的驅(qū)動電流按照特定的電流曲線變 化，其中一臺伺服電機的輸出力矩將繼續(xù)增大，另一臺伺服電機的輸出力矩逐漸減小至零， 再反向增大，由阻力變?yōu)轵?qū)動力。3）當兩臺伺服電機輸出同向力矩使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個方向運行過程中 需要減速停止時，兩臺伺服電機的驅(qū)動電流將按照特定的電流曲線反轉(zhuǎn)，其中輸出力矩較 大的一臺伺服電機的驅(qū)動電流將逐漸減小到消隙偏置電流，另一臺伺服電機的驅(qū)動電流則 會在前一臺伺服電機的驅(qū)動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、相應地由驅(qū)動力恢復為阻力。4）當兩臺伺服電機輸出同向力矩使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個方向運行過程中 需要減速并反向運行時，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電氣消隙：1）由兩個電機分別驅(qū)動的齒輪與齒條嚙合時，兩個齒輪都對齒條出力，不過在絕大多 數(shù)情況下都是一個力大，另一個力小。2）輕載下，兩個齒輪出力的方向相反，哪個力大就往那個方向移動，只不過出力大的 齒輪驅(qū)動齒條移動，出力小的齒輪阻止齒條移動。3）載荷足夠大時，兩個齒輪的出力方向都變得與移動方向相同，共同驅(qū)動齒條移動。4）載荷從輕載逐漸加大的過程中，原出力方向與移動方向相反的那個齒輪的出力會逐 漸變小，并越過零點，再反向變大。5）當載荷從足夠大的重載逐漸減小為輕載的過程中，原出力較小的那個齒輪的出力會 逐漸變小到零，越過零點后再逐漸反向變大。此前一直都在講雙電機電氣消隙的力矩控制原理，需要注意的是雙電機電氣消隙的運 行過程中，無論兩個齒輪的出力方向相反，還是相同，哪怕其中一個齒輪的出力恰好為零， 兩個齒輪的實際