在數(shù)控系統(tǒng)中，多臺(tái)電機(jī)可以采用同步軸或串聯(lián)軸的方式虛擬為一個(gè)數(shù)控坐標(biāo)軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統(tǒng)，同時(shí)還介紹了串聯(lián)控制概念以及使用預(yù)加負(fù)荷的方法來(lái)消除間隙。
在數(shù)控系統(tǒng)中，有時(shí)采用多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)虛擬為一個(gè)坐標(biāo)軸，來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。最常用的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)為同步(Synchronous)運(yùn)動(dòng)的形式，比如，要求兩臺(tái)以相同的速度和位移運(yùn)動(dòng)的電機(jī)帶動(dòng)齒輪與齒條嚙合作為一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。這樣的坐標(biāo)軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術(shù)被廣泛應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)中，比如大跨距龍門機(jī)床的龍門直線移動(dòng)、大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的雙柱直線移動(dòng)，為保持運(yùn)動(dòng)的均勻，都需要兩個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時(shí)不扭搓工件，在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)也必需同步。
圖1 同步軸
除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時(shí)的主軸和進(jìn)給軸必需同步。滾齒機(jī)的工作臺(tái)的分齒運(yùn)動(dòng)與滾刀的運(yùn)動(dòng)在滾齒時(shí)也必需同步、剛性攻絲的Z軸進(jìn)給與主軸同步等，但這種同步是指多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位移之間成一定的關(guān)系，而不是相等的關(guān)系，對(duì)這種同步運(yùn)動(dòng)，本文不予討論。
實(shí)現(xiàn)同步一般有兩種方法。一是機(jī)械同步：同步系統(tǒng)由機(jī)械裝置組成。這種同步方法容易實(shí)現(xiàn)，但機(jī)械傳動(dòng)鏈復(fù)雜，傳動(dòng)件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動(dòng)比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統(tǒng)由控制器、電子調(diào)節(jié)器、功率放大器、伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)箱等組成。所需機(jī)械傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的電伺服同步功能對(duì)不同生產(chǎn)機(jī)械的要求可提供不同的配置，實(shí)現(xiàn)其同步要求。
在某些情況下，一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩不夠用，但改用一個(gè)更大的伺服電機(jī)又嫌體積或慣量過(guò)大，於是以兩個(gè)伺服電機(jī)取代一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的坐標(biāo)軸，這種坐標(biāo)軸被稱為串聯(lián)軸，如圖2所示。這樣由於兩個(gè)伺服電機(jī)以一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)矩相互作用，或者通過(guò)預(yù)加負(fù)荷，在機(jī)床內(nèi)部減少間隙。這就是所謂串聯(lián)控制(Tandem Control)，是另一種多電機(jī)控制。
圖2 串聯(lián)軸
同步控制的概念
在電伺服同步系統(tǒng)中，“同步”的概念是指系統(tǒng)中具有兩個(gè)或兩個(gè)以上由電子控制的伺服放大器和伺服電機(jī)組成的“控制對(duì)象”，其中一個(gè)為“主(Master)控制對(duì)象”，另外一個(gè)或多個(gè)為“從(Slave)控制對(duì)象”，控制量為機(jī)械的位移或速度(對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速)。通過(guò)控制器使“從控制對(duì)象”和“主控制對(duì)象”的輸出控制量保持一定的嚴(yán)格比例關(guān)系，這種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)稱為同步系統(tǒng)。一般同步系統(tǒng)的輸出控制量為位置和速度。前面所提到的“同步軸”，“主控制對(duì)象”與“從控制對(duì)象”的輸出控制量相等。
為了簡(jiǎn)化討論，同步系統(tǒng)中的控制裝置可被簡(jiǎn)化為具有一個(gè)積分環(huán)節(jié)的位置系統(tǒng)，其框圖如圖3A所示。其中KV為簡(jiǎn)化後控制裝置的位置控制器的開(kāi)環(huán)增益，XC、XO為位置輸入、輸出；FC為速度指令，Δ為位置誤差。KF為速度環(huán)增益，當(dāng)KF》1時(shí)，可把速度環(huán)近似為1；於是該控制裝置的開(kāi)環(huán)增益變?yōu)镵V/S，如圖3B所示。
圖3 簡(jiǎn)化的控制裝置框圖
利用圖3的控制裝置可以組成兩種同步系統(tǒng)：
自同步系統(tǒng)(Active Synchronous System)：該控制系統(tǒng)具有兩個(gè)相同參數(shù)的控制裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)主、從軸?？刂破魉统鲋噶钔瑫r(shí)給主控制裝置和從控制裝置，經(jīng)測(cè)量同步誤差反饋給從控制裝置的輸入，用來(lái)校正同步的誤差，以保證主、從的輸出保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，如圖4A所示。
圖4 兩種同步系統(tǒng)
A)自同步系統(tǒng) B)他同步系統(tǒng)
其中XAMO為自同步系統(tǒng)主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出，由於從控制裝置是數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)，其輸出跟隨輸入變化；也即從控制裝置的輸出可以自動(dòng)跟隨主控制裝置的輸出變化，故稱它具有自同步能力。用C表示自同步能力：
C＝?ASO/?XAMO (1)
他同步系統(tǒng)(Passive Synchronous System)：在同步系統(tǒng)中，由控制器發(fā)出指令提供給主控制裝置，同時(shí)也提供給從控制裝置，用同樣的指令控制主從裝置使這兩種控制裝置的輸出同步，如圖4B所示。其中XPMO為他同步系統(tǒng)的主控制裝置的輸出，XPSO為他同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出。這種同步系統(tǒng)如果由於某種原因，比如負(fù)載發(fā)生變化，主控制裝置輸出XPMO發(fā)生變化，從控制裝置的輸出不受控制，所以不能跟隨其變化，即
C＝?XPSO/?XPMO＝0 (2)
因此該系統(tǒng)缺乏自同步能力，被稱為他同步系統(tǒng)。
自同步系統(tǒng)主要采用在要求主、從兩軸有自同步能力的機(jī)械中，并要求從控制裝置嚴(yán)格跟隨主控制裝置運(yùn)動(dòng)。
他同步系統(tǒng)主要應(yīng)用在要求主、從控制裝置的輸出的位置和速度基本相同并且具有較小的誤差的機(jī)械。比如大型龍門式雙軸同步的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。除了上面提出的自、他同步系統(tǒng)外，還可以由這兩種系統(tǒng)混合組成的混合系統(tǒng)。
FANUC數(shù)控系統(tǒng)具有兩類不同的同步功能：
簡(jiǎn)易同步控制(Simple Synchronous Control)：控制器發(fā)出坐標(biāo)軸移動(dòng)信號(hào)送給主、從控制裝置和兩伺服放大器，以控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)不進(jìn)行同步誤差補(bǔ)償，一般情況下不對(duì)同步誤差發(fā)出警報(bào)信號(hào)。把主、從伺服電機(jī)看做一個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。但在手動(dòng)回零時(shí)，主、從伺服電機(jī)一起運(yùn)動(dòng)一直到減速開(kāi)始動(dòng)作，然後分別檢測(cè)柵格，分別進(jìn)行螺距補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償。這種簡(jiǎn)易同步控制見(jiàn)圖4B，是他同步控制系統(tǒng)，由於系統(tǒng)不進(jìn)行同步誤差補(bǔ)償，根據(jù)式(2)可知，系統(tǒng)缺乏自同步能力，說(shuō)明這種控制比較適合於主動(dòng)軸與從動(dòng)軸負(fù)載條件不太相同，或者主、從兩軸對(duì)同步誤差沒(méi)有特別要求，而又要求同步運(yùn)動(dòng)工作的情況。簡(jiǎn)易同步控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；用軟件也很方便實(shí)現(xiàn)，在數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
同步控制(Synchronous Control)：控制器發(fā)出主動(dòng)軸移動(dòng)的信號(hào)同時(shí)送給從動(dòng)軸，於是，主、從具有相同的路徑。同時(shí)移動(dòng)過(guò)程中不斷檢測(cè)同步誤差，并向從動(dòng)側(cè)輸出補(bǔ)償指令。如圖4A所說(shuō)明，這種控制是一種自同步控制系統(tǒng)，由於系統(tǒng)不斷向從動(dòng)側(cè)輸出補(bǔ)償指令，設(shè)主、從控制器的增益為k1、k2，且k1＝k2；那么根據(jù)式(1)可以推出，C＝?XSAO/?XAMO＝1，因此系統(tǒng)具有較好的同步能力。比較適合主動(dòng)軸與從動(dòng)軸間的轉(zhuǎn)矩干涉較少的機(jī)械，但主動(dòng)軸與從動(dòng)軸間剛性較低。
對(duì)於長(zhǎng)行程的同步軸，由於測(cè)量尺的絕對(duì)精度(誤差)和熱膨脹可能發(fā)生扭搓，在這樣的情況下，同步軸的主、輔電機(jī)互相拉，由此如果電機(jī)流過(guò)大電流，電機(jī)可能過(guò)熱，這主要是測(cè)量的位置誤差所致。螺距補(bǔ)償可以補(bǔ)償測(cè)量尺的誤差，但不能補(bǔ)償因溫度變化而產(chǎn)生的熱膨脹誤差。在此情況下，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)采用同步軸的自動(dòng)補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償，該功能檢測(cè)主、從軸的轉(zhuǎn)矩差值并把這差值用來(lái)校正從動(dòng)軸的位置以減少轉(zhuǎn)矩誤差。如圖5所示。
圖5 同步軸自動(dòng)補(bǔ)償
串聯(lián)控制的概念
串聯(lián)控制的概念與電機(jī)的串聯(lián)工作相似，以直流伺服電機(jī)為例，假定圖6為兩個(gè)相同參數(shù)的伺服電機(jī)串聯(lián)在一起，電源電壓為U，如果兩個(gè)伺服電機(jī)所承受的負(fù)載一樣，那麼，兩個(gè)電機(jī)的反電勢(shì)相等。如果M1電機(jī)承受較大的負(fù)載，電機(jī)的電流就會(huì)加大，流過(guò)電機(jī)M2的電流增大，M2的輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)加大，電機(jī)也加速。如果M1電機(jī)承受較大的負(fù)載而使電機(jī)速度有降低的趨勢(shì)，那麼，由於M1速度降低，M2將施加較大的電壓，因而也使M2反電勢(shì)加大，其速度有增大的趨勢(shì)，抵消M1的速度降落，使兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，速度相等達(dá)到平衡。這類串聯(lián)控制在機(jī)床驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域很早就得到了應(yīng)用，如龍門刨床的刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)。對(duì)於大型機(jī)械的控制，在一個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足以移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)，往往采用兩個(gè)電機(jī)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)串聯(lián)控制的兩個(gè)電機(jī)，分別稱為主(Main)電機(jī)和輔(Sub)電機(jī)；以區(qū)別於同步控制中的主(Master)電機(jī)和從(Slave)電機(jī)。以上利用兩個(gè)電機(jī)說(shuō)明了對(duì)串聯(lián)控制的原理。
圖6 串聯(lián)工作的電機(jī)
實(shí)際FANUC數(shù)控系統(tǒng)串聯(lián)控制功能工作原理見(jiàn)圖7。它是由數(shù)字伺服控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)於大型工作臺(tái)的負(fù)荷，如果一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩帶不動(dòng)，或者一個(gè)電機(jī)的慣量太大，那麼可以用兩個(gè)電機(jī)代替，由軟件控制給主和輔電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩指令。於是可以把它當(dāng)作一個(gè)“串聯(lián)軸”進(jìn)行處理，這就構(gòu)成了串聯(lián)控制。一般速度反饋從主電機(jī)反饋，如果機(jī)械具有較大的間隙，并且輔電機(jī)的移動(dòng)在間隙之內(nèi)，速度控制就進(jìn)行不了，且機(jī)械會(huì)發(fā)生大的沖擊。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，把主、輔電機(jī)速度的平均值作為速度反饋值比較合理。
應(yīng)該注意，同步控制是以同樣的位置指令同時(shí)送給主軸和從軸；而串聯(lián)控制是以同樣的轉(zhuǎn)矩指令同時(shí)送給主軸和輔軸。
圖7 串聯(lián)控制原理
預(yù)加負(fù)荷與間隙的消除
一般來(lái)說(shuō)，具有大齒輪降速比的機(jī)械，總存在機(jī)械間隙量。為了減少主、輔軸間的間隙，經(jīng)常采用預(yù)加負(fù)荷的方法減少間隙。FANUC數(shù)控系統(tǒng)在串聯(lián)控制時(shí)，可以加一個(gè)固定的預(yù)負(fù)荷到主、輔電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令上。那麼相反方向的轉(zhuǎn)矩可以一直維持主、輔電機(jī)的張力。在串聯(lián)控制時(shí)，預(yù)加負(fù)荷可以很容易去除齒輪、齒條這樣的機(jī)構(gòu)主軸與輔軸間的間隙。不過(guò)這種預(yù)負(fù)荷并不能降低滾珠絲桿和工作臺(tái)間的間隙。如圖8所示，當(dāng)預(yù)加負(fù)荷的機(jī)械在加速、減速時(shí)，主、輔電機(jī)產(chǎn)生相同方向的轉(zhuǎn)矩，串聯(lián)控制系統(tǒng)工作在負(fù)荷均分的工作方式，像圖8的2和3；
圖8 預(yù)負(fù)荷的功能
當(dāng)它在常速運(yùn)行的情況，系統(tǒng)的工作取決於摩擦力與預(yù)負(fù)荷的情況，工作在負(fù)荷均分或者反間隙的工作方式。在預(yù)負(fù)荷大於摩擦力時(shí)，工作在反間隙的狀態(tài)；在摩擦力大於預(yù)負(fù)荷時(shí)，工作在負(fù)荷均分的狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)的進(jìn)給停止時(shí)，這時(shí)預(yù)負(fù)荷在主、輔軸間產(chǎn)生張力，系統(tǒng)工作在反間隙的工作方式。根據(jù)上面的分析，可以合理選擇預(yù)負(fù)荷的特性而保證在傳動(dòng)過(guò)程中消除間隙。
應(yīng)用
上文已說(shuō)明，多電機(jī)可采用同步軸和串聯(lián)軸虛擬為一個(gè)數(shù)控坐標(biāo)軸；那么什么情況下采用同步軸？什麼情況采用串聯(lián)軸呢？串聯(lián)控制主要用在下列場(chǎng)合：
一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不夠，可用兩個(gè)較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替；
兩個(gè)較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的慣量和比一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)??；
機(jī)械是否具有“反施”(back feed)的能力，或者能否被稱為具有“互為主、輔軸”的性能，簡(jiǎn)易判定的方法如下：先定兩個(gè)軸中的一個(gè)軸為“主軸”，另一軸為“輔軸”，用手轉(zhuǎn)動(dòng)“主軸”，“輔軸”也跟著轉(zhuǎn)，反過(guò)來(lái)，用手轉(zhuǎn)動(dòng)“輔”軸，“主”軸也轉(zhuǎn)，那麼該機(jī)械系統(tǒng)就具有“反施”功能。具有“反施”性能的就采用串行控制，如果不具有這個(gè)性能就采用同步控制。
（轉(zhuǎn)載）
