數控系統同步研究管理論文

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在數控系統中，多臺電機可以采用同步軸或串聯軸的方式虛擬為一個數控坐標軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統，同時還介紹了串聯控制概念以及使用預加負荷的方法來消除間隙。

在數控系統中，有時采用多臺電機聯動虛擬為一個坐標軸，來驅動機床坐標的運動。最常用的多電機驅動為同步(Synchronous)運動的形式，比如，要求兩臺以相同的速度和位移運動的電機帶動齒輪與齒條嚙合作為一個坐標軸運動。這樣的坐標軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術被廣泛應用在數控技術中，比如大跨距龍門機床的龍門直線移動、大型三坐標測量機的雙柱直線移動，為保持運動的均勻，都需要兩個電機同步驅動。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時不扭搓工件，在作旋轉運動時也必需同步。

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，車床在車螺紋時的主軸和進給軸必需同步。滾齒機的工作臺的分齒運動與滾刀的運動在滾齒時也必需同步、剛性攻絲的Z軸進給與主軸同步等，但這種同步是指多個電機的運動速度、位移之間成一定的關系，而不是相等的關系，對這種同步運動，本文不予討論。

實現同步一般有兩種方法。一是機械同步：同步系統由機械裝置組成。這種同步方法容易實現，但機械傳動鏈復雜，傳動件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統由控制器、電子調節器、功率放大器、伺服電機和機械傳動箱等組成。所需機械傳動鏈簡單、調試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數控系統的電伺服同步功能對不同生產機械的要求可提供不同的配置，實現其同步要求。

在某些情況下，一個伺服電機驅動機械坐標軸轉矩不夠用，但改用一個更大的伺服電機又嫌體積或慣量過大，於是以兩個伺服電機取代一個伺服電機驅動機床的坐標軸，這種坐標軸被稱為串聯軸，如圖2所示。這樣由於兩個伺服電機以一個恒定的轉矩相互作用，或者通過預加負荷，在機床內部減少間隙。這就是所謂串聯控制(TandemControl)，是另一種多電機控制。

圖2串聯軸

同步控制的概念

在電伺服同步系統中，“同步”的概念是指系統中具有兩個或兩個以上由電子控制的伺服放大器和伺服電機組成的“控制對象”，其中一個為“主(Master)控制對象”，另外一個或多個為“從(Slave)控制對象”，控制量為機械的位移或速度(對旋轉運動為轉角或轉速)。通過控制器使“從控制對象”和“主控制對象”的輸出控制量保持一定的嚴格比例關系，這種運動系統稱為同步系統。一般同步系統的輸出控制量為位置和速度。前面所提到的“同步軸”，“主控制對象”與“從控制對象”的輸出控制量相等。

為了簡化討論，同步系統中的控制裝置可被簡化為具有一個積分環節的位置系統，其框圖如圖3A所示。其中KV為簡化後控制裝置的位置控制器的開環增益，XC、XO為位置輸入、輸出；FC為速度指令，Δ為位置誤差。KF為速度環增益，當KF》1時，可把速度環近似為1；於是該控制裝置的開環增益變為KV/S，如圖3B所示。

圖3簡化的控制裝置框圖

利用圖3的控制裝置可以組成兩種同步系統：

自同步系統(ActiveSynchronousSystem)：該控制系統具有兩個相同參數的控制裝置和驅動電機，分別驅動主、從軸。控制器送出指令同時給主控制裝置和從控制裝置，經測量同步誤差反饋給從控制裝置的輸入，用來校正同步的誤差，以保證主、從的輸出保持嚴格的比例關系，如圖4A所示。

圖4兩種同步系統

A)自同步系統B)他同步系統

其中XAMO為自同步系統主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統從控制裝置的輸出，由於從控制裝置是數字控制的伺服系統，其輸出跟隨輸入變化；也即從控制裝置的輸出可以自動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(PassiveSynchronousSystem)：在同步系統中，由控制器發出指令提供給主控制裝置，同時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為他同步系統的主控制裝置的輸出，XPSO為他同步系統從控制裝置的輸出。這種同步系統如果由於某種原因，比如負載發生變化，主控制裝置輸出XPMO發生變化，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)

因此該系統缺乏自同步能力，被稱為他同步系統。

自同步系統主要采用在要求主、從兩軸有自同步能力的機械中，并要求從控制裝置嚴格跟隨主控制裝置運動。

他同步系統主要應用在要求主、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械。比如大型龍門式雙軸同步的驅動系統。除了上面提出的自、他同步系統外，還可以由這兩種系統混合組成的混合系統。

FANUC數控系統具有兩類不同的同步功能：

簡易同步控制(SimpleSynchronousControl)：控制器發出坐標軸移動信號送給主、從控制裝置和兩伺服放大器，以控制伺服電機運動。系統不進行同步誤差補償，一般情況下不對同步誤差發出警報信號。把主、從伺服電機看做一個坐標軸的運動。但在手動回零時，主、從伺服電機一起運動一直到減速開始動作，然後分別檢測柵格，分別進行螺距補償和間隙補償。這種簡易同步控制見圖4B，是他同步控制系統，由於系統不進行同步誤差補償，根據式(2)可知，系統缺乏自同步能力，說明這種控制比較適合於主動軸與從動軸負載條件不太相同，或者主、從兩軸對同步誤差沒有特別要求，而又要求同步運動工作的情況。簡易同步控制簡單，容易實現；用軟件也很方便實現，在數控系統中得到了廣泛的應用。

同步控制(SynchronousControl)：控制器發出主動軸移動的信號同時送給從動軸，於是，主、從具有相同的路徑。同時移動過程中不斷檢測同步誤差，并向從動側輸出補償指令。如圖4A所說明，這種控制是一種自同步控制系統，由於系統不斷向從動側輸出補償指令，設主、從控制器的增益為k1、k2，且k1＝k2；那么根據式(1)可以推出，C＝¶XSAO/¶XAMO＝1，因此系統具有較好的同步能力。比較適合主動軸與從動軸間的轉矩干涉較少的機械，但主動軸與從動軸間剛性較低。

對於長行程的同步軸，由於測量尺的絕對精度(誤差)和熱膨脹可能發生扭搓，在這樣的情況下，同步軸的主、輔電機互相拉，由此如果電機流過大電流，電機可能過熱，這主要是測量的位置誤差所致。螺距補償可以補償測量尺的誤差，但不能補償因溫度變化而產生的熱膨脹誤差。在此情況下，FANUC數控系統采用同步軸的自動補償法進行補償，該功能檢測主、從軸的轉矩差值并把這差值用來校正從動軸的位置以減少轉矩誤差。如圖5所示。

圖5同步軸自動補償

串聯控制的概念

串聯控制的概念與電機的串聯工作相似，以直流伺服電機為例，假定圖6為兩個相同參數的伺服電機串聯在一起，電源電壓為U，如果兩個伺服電機所承受的負載一樣，那麼，兩個電機的反電勢相等。如果M1電機承受較大的負載，電機的電流就會加大，流過電機M2的電流增大，M2的輸出轉矩也會加大，電機也加速。如果M1電機承受較大的負載而使電機速度有降低的趨勢，那麼，由於M1速度降低，M2將施加較大的電壓，因而也使M2反電勢加大，其速度有增大的趨勢，抵消M1的速度降落，使兩個電機轉矩相等，速度相等達到平衡。這類串聯控制在機床驅動領域很早就得到了應用，如龍門刨床的刨臺運動。對於大型機械的控制，在一個伺服電機的轉矩不足以移動工作臺時，往往采用兩個電機。FANUC數控系統串聯控制的兩個電機，分別稱為主(Main)電機和輔(Sub)電機；以區別於同步控制中的主(Master)電機和從(Slave)電機。以上利用兩個電機說明了對串聯控制的原理。

圖6串聯工作的電機

實際FANUC數控系統串聯控制功能工作原理見圖7。它是由數字伺服控制來實現。對於大型工作臺的負荷，如果一個電機的轉矩帶不動，或者一個電機的慣量太大，那麼可以用兩個電機代替，由軟件控制給主和輔電機相同的轉矩指令。於是可以把它當作一個“串聯軸”進行處理，這就構成了串聯控制。一般速度反饋從主電機反饋，如果機械具有較大的間隙，并且輔電機的移動在間隙之內，速度控制就進行不了，且機械會發生大的沖擊。為了防止這種現象發生，把主、輔電機速度的平均值作為速度反饋值比較合理。

應該注意，同步控制是以同樣的位置指令同時送給主軸和從軸；而串聯控制是以同樣的轉矩指令同時送給主軸和輔軸。

圖7串聯控制原理

預加負荷與間隙的消除

一般來說，具有大齒輪降速比的機械，總存在機械間隙量。為了減少主、輔軸間的間隙，經常采用預加負荷的方法減少間隙。FANUC數控系統在串聯控制時，可以加一個固定的預負荷到主、輔電機的轉矩指令上。那麼相反方向的轉矩可以一直維持主、輔電機的張力。在串聯控制時，預加負荷可以很容易去除齒輪、齒條這樣的機構主軸與輔軸間的間隙。不過這種預負荷并不能降低滾珠絲桿和工作臺間的間隙。如圖8所示，當預加負荷的機械在加速、減速時，主、輔電機產生相同方向的轉矩，串聯控制系統工作在負荷均分的工作方式，像圖8的2和3；

圖8預負荷的功能

當它在常速運行的情況，系統的工作取決於摩擦力與預負荷的情況，工作在負荷均分或者反間隙的工作方式。在預負荷大於摩擦力時，工作在反間隙的狀態；在摩擦力大於預負荷時，工作在負荷均分的狀態；當系統的進給停止時，這時預負荷在主、輔軸間產生張力，系統工作在反間隙的工作方式。根據上面的分析，可以合理選擇預負荷的特性而保證在傳動過程中消除間隙。

應用

上文已說明，多電機可采用同步軸和串聯軸虛擬為一個數控坐標軸；那么什么情況下采用同步軸？什麼情況采用串聯軸呢？串聯控制主要用在下列場合：

一個驅動電機轉矩不夠，可用兩個較小的驅動電機代替；

兩個較小的驅動電機的慣量和比一個較大的驅動電機小；

機械是否具有“反施”(backfeed)的能力，或者能否被稱為具有“互為主、輔軸”的性能，簡易判定的方法如下：先定兩個軸中的一個軸為“主軸”，另一軸為“輔軸”，用手轉動“主軸”，“輔軸”也跟著轉，反過來，用手轉動“輔”軸，“主”軸也轉，那麼該機械系統就具有“反施”功能。具有“反施”性能的就采用串行控制，如果不具有這個性能就采用同步控制。