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数控系统的同步和串联控制功能
xiao_xiao1 发表于 2009/5/21 13:00:35 593 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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在数控系统中，有时采用多台电机联动虚拟为一个坐标轴，来驱动机床坐标的运动。最常用的多电机驱动为同步(Synchronous)运动的形式，比如，要求两台以相同的速度和位移运动的电机带动齿轮与齿条啮合作为一个坐标轴运动。这样的坐标轴被称为“同步轴”，如图1。同步技术被广泛应用在数控技术中，比如大跨距龙门机床的龙门直线移动、大型三坐标测量机的双柱直线移动，为保持运动的均匀，都需要两个电机同步驱动。曲轴车床、曲轴磨床的双头工件夹持架，为保持加工时不扭搓工件，在作旋转运动时也必需同步。
图1 同步轴
除此之外，为保证正确地加工出螺距相同的螺纹，车床在车螺纹时的主轴和进给轴必需同步。滚齿机的工作台的分齿运动与滚刀的运动在滚齿时也必需同步、刚性攻丝的Z轴进给与主轴同步等，但这种同步是指多个电机的运动速度、位移之间成一定的关系，而不是相等的关系，对这种同步运动，本文不予讨论。
实现同步一般有两种方法。一是机械同步：同步系统由机械装置组成。这种同步方法容易实现，但机械传动链复杂，传动件加工精度要求高，所需的零件多，难以更换传动比，且占用的空间大。二是电伺服同步：同步系统由控制器、电子调节器、功率放大器、伺服电机和机械传动箱等组成。所需机械传动链简单、调试方便、精度高、容易改变电子齿轮比。FANUC数控系统的电伺服同步功能对不同生产机械的要求可提供不同的配置，实现其同步要求。
在某些情况下，一个伺服电机驱动机械坐标轴转矩不够用，但改用一个更大的伺服电机又嫌体积或惯量过大，於是以两个伺服电机取代一个伺服电机驱动机床的坐标轴，这种坐标轴被称为串联轴，如图2所示。这样由於两个伺服电机以一个恒定的转矩相互作用，或者通过预加负荷，在机床内部减少间隙。这就是所谓串联控制(Tandem Control)，是另一种多电机控制。
图2 串联轴
同步控制的概念
在电伺服同步系统中，“同步”的概念是指系统中具有两个或两个以上由电子控制的伺服放大器和伺服电机组成的“控制对象”，其中一个为“主(Master)控制对象”，另外一个或多个为“从(Slave)控制对象”，控制量为机械的位移或速度(对旋转运动为转角或转速)。通过控制器使“从控制对象”和“主控制对象”的输出控制量保持一定的严格比例关系，这种运动系统称为同步系统。一般同步系统的输出控制量为位置和速度。前面所提到的“同步轴”，“主控制对象”与“从控制对象”的输出控制量相等。
为了简化讨论，同步系统中的控制装置可被简化为具有一个积分环节的位置系统，其框图如图3A所示。其中KV为简化後控制装置的位置控制器的开环增益，XC、XO为位置输入、输出；FC为速度指令，Δ为位置误差。KF为速度环增益，当KF》1时，可把速度环近似为1；於是该控制装置的开环增益变为KV/S，如图3B所示。
图3 简化的控制装置框图
利用图3的控制装置可以组成两种同步系统：
自同步系统(Active Synchronous System)：该控制系统具有两个相同参数的控制装置和驱动电机，分别驱动主、从轴。控制器送出指令同时给主控制装置和从控制装置，经测量同步误差反馈给从控制装置的输入，用来校正同步的误差，以保证主、从的输出保持严格的比例关系，如图4A所示。
图4 两种同步系统
A)自同步系统 B)他同步系统
其中XAMO为自同步系统主控制装置的输出，XASO为自同步系统从控制装置的输出，由於从控制装置是数字控制的伺服系统，其输出跟随输入变化；也即从控制装置的输出可以自动跟随主控制装置的输出变化，故称它具有自同步能力。用C表示自同步能力：
C＝?ASO/?XAMO (1)
他同步系统(Passive Synchronous System)：在同步系统中，由控制器发出指令提供给主控制装置，同时也提供给从控制装置，用同样的指令控制主从装置使这两种控制装置的输出同步，如图4B所示。其中XPMO为他同步系统的主控制装置的输出，XPSO为他同步系统从控制装置的输出。这种同步系统如果由於某种原因，比如负载发生变化，主控制装置输出XPMO发生变化，从控制装置的输出不受控制，所以不能跟随其变化，即
C＝?XPSO/?XPMO＝0 (2)
因此该系统缺乏自同步能力，被称为他同步系统。
自同步系统主要采用在要求主、从两轴有自同步能力的机械中，并要求从控制装置严格跟随主控制装置运动。
他同步系统主要应用在要求主、从控制装置的输出的位置和速度基本相同并且具有较小的误差的机械。比如大型龙门式双轴同步的驱动系统。除了上面提出的自、他同步系统外，还可以由这两种系统混合组成的混合系统。
FANUC数控系统具有两类不同的同步功能：
简易同步控制(Simple Synchronous Control)：控制器发出坐标轴移动信号送给主、从控制装置和两伺服放大器，以控制伺服电机运动。系统不进行同步误差补偿，一般情况下不对同步误差发出警报信号。把主、从伺服电机看做一个坐标轴的运动。但在手动回零时，主、从伺服电机一起运动一直到减速开始动作，然後分别检测栅格，分别进行螺距补偿和间隙补偿。这种简易同步控制见图4B，是他同步控制系统，由於系统不进行同步误差补偿，根据式(2)可知，系统缺乏自同步能力，说明这种控制比较适合於主动轴与从动轴负载条件不太相同，或者主、从两轴对同步误差没有特别要求，而又要求同步运动工作的情况。简易同步控制简单，容易实现；用软件也很方便实现，在数控系统中得到了广泛的应用。
同步控制(Synchronous Control)：控制器发出主动轴移动的信号同时送给从动轴，於是，主、从具有相同的路径。同时移动过程中不断检测同步误差，并向从动侧输出补偿指令。如图4A所说明，这种控制是一种自同步控制系统，由於系统不断向从动侧输出补偿指令，设主、从控制器的增益为k1、k2，且k1＝k2；那么根据式(1)可以推出，C＝?XSAO/?XAMO＝1，因此系统具有较好的同步能力。比较适合主动轴与从动轴间的转矩干涉较少的机械，但主动轴与从动轴间刚性较低。
对於长行程的同步轴，由於测量尺的绝对精度(误差)和热膨胀可能发生扭搓，在这样的情况下，同步轴的主、辅电机互相拉，由此如果电机流过大电流，电机可能过热，这主要是测量的位置误差所致。螺距补偿可以补偿测量尺的误差，但不能补偿因温度变化而产生的热膨胀误差。在此情况下，FANUC数控系统采用同步轴的自动补偿法进行补偿，该功能检测主、从轴的转矩差值并把这差值用来校正从动轴的位置以减少转矩误差。如图5所示。
图5 同步轴自动补偿
串联控制的概念
串联控制的概念与电机的串联工作相似，以直流伺服电机为例，假定图6为两个相同参数的伺服电机串联在一起，电源电压为U，如果两个伺服电机所承受的负载一样，那麽，两个电机的反电势相等。如果M1电机承受较大的负载，电机的电流就会加大，流过电机M2的电流增大，M2的输出转矩也会加大，电机也加速。如果M1电机承受较大的负载而使电机速度有降低的趋势，那麽，由於M1速度降低，M2将施加较大的电压，因而也使M2反电势加大，其速度有增大的趋势，抵消M1的速度降落，使两个电机转矩相等，速度相等达到平衡。这类串联控制在机床驱动领域很早就得到了应用，如龙门刨床的刨台运动。对於大型机械的控制，在一个伺服电机的转矩不足以移动工作台时，往往采用两个电机。FANUC数控系统串联控制的两个电机，分别称为主(Main)电机和辅(Sub)电机；以区别於同步控制中的主(Master)电机和从(Slave)电机。以上利用两个电机说明了对串联控制的原理。
图6 串联工作的电机
实际FANUC数控系统串联控制功能工作原理见图7。它是由数字伺服控制来实现。对於大型工作台的负荷，如果一个电机的转矩带不动，或者一个电机的惯量太大，那麽可以用两个电机代替，由软件控制给主和辅电机相同的转矩指令。於是可以把它当作一个“串联轴”进行处理，这就构成了串联控制。一般速度反馈从主电机反馈，如果机械具有较大的间隙，并且辅电机的移动在间隙之内，速度控制就进行不了，且机械会发生大的冲击。为了防止这种现象发生，把主、辅电机速度的平均值作为速度反馈值比较合理。
应该注意，同步控制是以同样的位置指令同时送给主轴和从轴；而串联控制是以同样的转矩指令同时送给主轴和辅轴。
图7 串联控制原理
预加负荷与间隙的消除
一般来说，具有大齿轮降速比的机械，总存在机械间隙量。为了减少主、辅轴间的间隙，经常采用预加负荷的方法减少间隙。FANUC数控系统在串联控制时，可以加一个固定的预负荷到主、辅电机的转矩指令上。那麽相反方向的转矩可以一直维持主、辅电机的张力。在串联控制时，预加负荷可以很容易去除齿轮、齿条这样的机构主轴与辅轴间的间隙。不过这种预负荷并不能降低滚珠丝杆和工作台间的间隙。如图8所示，当预加负荷的机械在加速、减速时，主、辅电机产生相同方向的转矩，串联控制系统工作在负荷均分的工作方式，像图8的2和3；
图8 预负荷的功能
当它在常速运行的情况，系统的工作取决於摩擦力与预负荷的情况，工作在负荷均分或者反间隙的工作方式。在预负荷大於摩擦力时，工作在反间隙的状态；在摩擦力大於预负荷时，工作在负荷均分的状态；当系统的进给停止时，这时预负荷在主、辅轴间产生张力，系统工作在反间隙的工作方式。根据上面的分析，可以合理选择预负荷的特性而保证在传动过程中消除间隙。
应用
上文已说明，多电机可采用同步轴和串联轴虚拟为一个数控坐标轴；那么什么情况下采用同步轴？什麽情况采用串联轴呢？串联控制主要用在下列场合：
一个驱动电机转矩不够，可用两个较小的驱动电机代替；
两个较小的驱动电机的惯量和比一个较大的驱动电机小；
机械是否具有“反施”(back feed)的能力，或者能否被称为具有“互为主、辅轴”的性能，简易判定的方法如下：先定两个轴中的一个轴为“主轴”，另一轴为“辅轴”，用手转动“主轴”，“辅轴”也跟着转，反过来，用手转动“辅”轴，“主”轴也转，那麽该机械系统就具有“反施”功能。具有“反施”性能的就采用串行控制，如果不具有这个性能就采用同步控制。