双电机电气消隙的工作原理

由于丝杠传动存在不可避免的长度限制，而且超长行程的重载滚珠丝杆由于销量有限售价也极高，因而大型机床， 尤其是重型机床的直线进给轴普遍采用高精度齿轮齿条传动。直线电机直接驱动技术的出现虽然在理论上可以实现无限接长，以规避丝杠传动的长度限制和超长滚珠 丝杠的成本问题，但直线电机尚不足以满足某些重型机床的驱动需求，因而高精度齿轮齿条传动仍是大型机床直线进给的有效解决方案。

      大型机床回转工作台的转轴驱动在力矩伺服电机直 接驱动技术问世之前，一直是齿轮齿圈传动和蜗轮蜗杆传动的天下，近年来除了力矩伺服电机直接驱动技术之外，环面包络滚子蜗杆传动技术以其无间隙、耐磨损、 长寿命的优势在回转工作台转轴驱动中也开始站得一席之地，即便如此，齿轮齿圈传动和蜗轮蜗杆传动仍是大型和重型机床回转工作台转轴的重要驱动器方式。

      众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺母反向预紧的方法以机械方式消除单螺母传动面临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向间隙引入的传动误差和刚度损失。环面包络滚子蜗杆传动，也可以借助双滚子包络环面技术以机械方式实现反向预紧，消除传动间隙。

      同理，在齿轮齿条传动、齿轮齿圈传动也可以依靠双齿轮反向预紧的方式消除反向间隙，如果两个齿轮与齿条/齿圈的反向预紧力由机械装配和调整关系来实现，则 称之为机械消隙，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输出的形式；如果两个齿轮与齿条/齿圈间的反向预紧力分别由驱动这两个齿轮的两台（伺服）电机间的力矩协 调关系来保证，则称之为双电机电气消隙，双电机电气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。

      相对于机械消隙，双电机电气消隙在性能上更具优势：
      1）更高的重复定位精度，据称可达到1道（南方谓之1丝）。
      2）更大的控制灵活性，一方面，两个电机以目标策略反方向驱动可以消除反向间隙，另一方面，当需要加大驱动力矩时，两个电机也可以同向驱动。
      3）成本控制，对于可驱动大型和重型机床的大规格伺服电机而言，由于可以同时使用两台伺服电机，就有可能允许选用更小规格的伺服电机，系统综合成本反而未必高于单一大规格伺服电机驱动的机械消隙。

      总之，由于双电机电气消隙性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中仍具有良好的发展前景，并受到大型和重型机床厂家的青睐。

      蜗轮蜗杆传动也同样可以采用由两台（伺服）电机分别驱动的两个蜗杆实现（双电机）电气消隙，两个蜗杆间的反向预紧力或驱动力也分别由驱动这两个蜗杆的伺服电机的力矩协调关系来保证，从而消除单一蜗杆传动难于避免的反向间隙。

      以齿轮齿条传动的双电机电气消隙为例，假设两个齿轮的轴位置固定，安装于齿轮上方的齿条在齿轮的驱动下可带动工作台沿水平方向左右移动，则双电机电气消隙的工作原理是：
      1）两个电机分别驱动各自的齿轮与齿条啮合。
      2）静态下，一个齿轮与齿条的左齿面啮合并适度保持向右的驱动力，另一个齿轮与齿条的右齿面啮合并适度保持向左的驱动力。
      3）工作台右移时，由和齿条左齿面啮合的齿轮向右驱动齿条；工作台左移时，由和齿条右齿面啮合的齿轮向左驱动齿条。
      4）负载较轻时，两个齿轮对齿条的左右齿面施加足够大的反向驱动力，这样一来，无论朝哪个方向反向运行，都不会产生反向间隙。
      5）负载足够大时，两个齿轮对齿条的同向齿面施加方向一致的驱动力，以提高负载驱动能力。

 

      双电机电气消隙需按照特定的消隙控制曲线驱动两台电机。假设用于双电机电气消隙的两个伺服电机的规格参数完全一致，两台电机的驱动电流的最简单关系为 I1＝It+Io，I2＝It-Io，其中Io为消隙偏置电流，It是和输出合力矩对应的目标驱动电流，不论消隙偏置电流Io的大小如何，两个伺服电机的 输出合力矩为Kt*I1+Kt*I2＝Kt*(It+Io)+Kt*(It-Io)＝2Kt*It。不同厂商的消隙控制曲线会有各自的特色，不过都必须遵 循一个统一的原则，以确保永远不会出现两个齿轮对齿条的实际驱动力同时为零的情况，即任何时候两个电机中至少有一个电机会通过齿轮对齿条施加不为零且足够 大的驱动力。

 

      原则上，双电机电气消隙运行过程中，可分为以下几种工作情形：
      1）当系统需要的输出合力矩为零（静止或匀速）时，两台伺服电机的驱动电流分别为±Io，对应的输出力矩大小相等、方向相反。Io为消隙偏置电流，对应的 输出力矩为消隙偏置力矩，消隙偏置力矩必须足以克服传动链本身的动静摩擦阻力，以及弹性形变等传动死区环节等所需的力矩总和。
      2）当系统需要的输出合力矩增大时，两台伺服电机的驱动电流按照特定的电流曲线变化，其中一台伺服电机的输出力矩将继续增大，另一台伺服电机的输出力矩逐渐减小至零，再反向增大，由阻力变为驱动力。
      3）当两台伺服电机输出同向力矩使系统以足够大的输出合力矩朝某个方向运行过程中需要减速停止时，两台伺服电机的驱动电流将按照特定的电流曲线反转，其中 输出力矩较大的一台伺服电机的驱动电流将逐渐减小到消隙偏置电流，另一台伺服电机的驱动电流则会在前一台伺服电机的驱动电流减小到消隙电流之前减小到零， 再反向增大至消隙电流，输出力矩也相应地由驱动力恢复为阻力。
      4）当两台伺服电机输出同向力矩使系统以足够大的输出合力矩朝某个方向运行过程中需要减速并反向运行时，将执行由3）到1）再到2）的变化规律。

      也不妨换一种描述方式来理解双电机电气消隙：
      1）由两个电机分别驱动的齿轮与齿条啮合时，两个齿轮都对齿条出力，不过在绝大多数情况下都是一个力大，另一个力小。
      2）轻载下，两个齿轮出力的方向相反，哪个力大就往那个方向移动，只不过出力大的齿轮驱动齿条移动，出力小的齿轮阻止齿条移动。
      3）载荷足够大时，两个齿轮的出力方向都变得与移动方向相同，共同驱动齿条移动。
      4）载荷从轻载逐渐加大的过程中，原出力方向与移动方向相反的那个齿轮的出力会逐渐变小，并越过零点，再反向变大。
      5）当载荷从足够大的重载逐渐减小为轻载的过程中，原出力较小的那个齿轮的出力会逐渐变小到零，越过零点后再逐渐反向变大。

      此前一直都在讲双电机电气消隙的力矩控制原理，需要注意的是双电机电气消隙的运行过程中，无论两个齿轮的出力方向相反，还是相同，哪怕其中一个齿轮的出力恰好为零，两个齿轮的实际运行速度名义上总是相同的。
      在双电机电气消隙的实际应用中，用于消隙控制的两台电机同时就是直线伺服轴的驱动电机，在机床中驱动进给轴的伺服系统一般不会简单地工作于电流模式，虽然不排除这种应用方法，为此有必要讨论工作于速度模式或位置模式的伺服系统如何实现双电机电气消隙。