CN213305297U - 一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，包括伺服控制器、驱动器、电机、传动机构、负载、电机编码器，还包括负载编码器，所述驱动器与电机电连接，电机编码器、电机、传动机构、负载、负载编码器依次连接；所述负载编码器和电机编码器均与伺服控制器电连接。本实用新型可有助于降低设备振动，较少磨损和损伤，延长寿命，减弱噪音，改善工作条件。

Description

一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置

技术领域

本实用新型涉及传动系统的机械间隙调控技术领域，特别涉及一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置。

背景技术

数控机床由伺服电机产生动力，经过齿轮、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆或螺纹螺杆等传动机构推动负载运动，从而实现各种加工任务。

由于机械传动系统中存在间隙，驱动电机加减速时经常发生从一个接触面到另一个接触面的过渡过程，过渡时系统处于间隙状态。在间隙状态下，伺服电机相当于空载运行，若不加控制，会以很高的速度撞击到另外的接触面，从而产生很大的冲击，不仅伴随巨大噪音，而且容易损坏设备，加速磨损，缩短使用寿命。

目前行业一般采用高精度零部件尽量减小传动系统间隙。但是这种方法要求进行精密加工，导致设备价格昂贵。并且随着使用时间的延长，磨损在所难免，也会使得间隙增大。

随着自动控制技术的进步，出现了采用控制方法减小和抑制间隙冲击的技术。一件名为消除齿轮间隙的控制方法、装置、系统及新能源汽车，申请号为201811220445.5的中国实用新型专利文件公开了一种电动汽车中的传动装置间隙抑制方法。这种方法在汽车静止时给电机施加一个不足以引起汽车移动的小转矩，从而消除传动系统中的间隙。可见，这种方法仅在汽车起动时发生作用，在汽车运行中和停止过程中都不能防止机械间隙带来的冲击。

另一件名为一种解决机构间隙引起抖动的速度控制算法，申请号为201811294421.4也公开了一种间隙抑制的方法。但是该专利技术的应用场合限定于从零速开始、加速、匀速、减速、并最后以零速结束的控制过程。对于数控机床中复杂的运动模式适应性不强，在设备带不同负载运行时性能差异大，难以避免冲击和抖动。

因此现有技术中缺少能够有效抑制数控机床的传动机构中的间隙的装置和方法。

发明内容

本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，包括伺服控制器、驱动器、电机、传动机构、负载、电机编码器，还包括负载编码器，所述驱动器与电机电连接，电机编码器、电机、传动机构、负载、负载编码器依次连接；所述负载编码器和电机编码器均与伺服控制器电连接。

所述伺服控制器包括间隙判断模块、速度限制模块、速度选择模块和速度控制模块，其中间隙判断模块分别与速度限制模块、速度选择模块电连接，速度限制模块与速度选择模块电连接，速度选择模块与速度控制模块电连接，驱动器与速度控制模块电连接，电机编码器分别与速度控制模块和间隙判断模块电连接，负载编码器分别与间隙判断模块、速度限制模块电连接。

所述间隙判断模块包括RS触发器。

所述传动机构包括主动部件和从动部件，所述从动部件带动所述负载。

本实用新型具有以下有益技术效果：

1.本实用新型利用固定于伺服电机和负载上的两个位置传感器测量传动机构中主动部件和从动部件的位置，计算其速度，从而能够根据位置和速度的相对关系迅速判断传动机构的间隙和接触状态。

2.本实用新型能够根据间隙状态随时调整电机速度控制器的速度给定值，通过限制间隙过渡过程中主动部件与从动部件接触时的相对速度，抑制间隙冲击。

3.本实用新型能够实现可变间隙速度，使得主动部件和从动部件距离较远时以较大相对速度运行，而在接近接触点时降低相对速度，从而既能够大幅度抑制接触撞击，又能够加快间隙过渡所需时间，从而实现柔性间隙过渡。

4.通过减小间隙冲击，本实用新型可有助于降低设备振动，较少磨损和损伤，延长寿命，减弱噪音，改善工作条件。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图1为双编码器间隙冲击抑制装置的结构示意图。

附图2为含间隙传动机构示意图具体实施方式。

附图3为用于间隙判断的RS触发器的示意图。

附图4为本实用新型中的相对速度过渡曲线。

附图5为本实用新型方双编码器间隙冲击抑制方法的流程图。

附图6为本实用新型的方法在伺服压力机中的实施实例。

附图7为未采用本专利方法时的速度过渡曲线。

附图8为采用本专利方法时的速度过渡曲线。

具体实施方式

本实用新型的机械间隙冲击抑制装置的结构如附图1所示，包括伺服控制器、驱动器、电机、传动机构、负载、电机编码器以及负载编码器，其中驱动器与电机电连接，电机编码器、电机、传动机构、负载、负载编码器依次连接，即电机的输出轴一端与电机编码器连接另一端与传动机构连接，传动机构的另一端与负载连接，负载上安装负载编码器；伺服控制器分别于驱动器、电机编码器和负载编码器电连接。传动机构包括主动部件和从动部件，主动部件带动从动部件转动，从动部件带动负载运动。

伺服控制器包含四个模块，分别是间隙判断模块、速度限制模块、速度选择模块和速度控制模块，其中间隙判断模块分别与速度限制模块、速度选择模块电连接，速度限制模块与速度选择模块电连接，速度选择模块与速度控制模块电连接。驱动器与速度控制模块电连接，电机编码器分别与速度控制模块和间隙判断模块电连接，负载编码器分别与间隙判断模块、速度限制模块电连接。

间隙判断模块包括RS触发器。

本实用新型的机械间隙冲击抑制方法的流程图如附图5所示，下面结合附图2中提供的间隙传动机构以及附图1对的机械间隙冲击抑制方法做详细说明。

图1中的传动机构由主动部件和从动部件构成，二者之间含有间隙。主动部件与伺服电机轴的一端相连，电机轴的另外一端与电机编码器相连，用来测量主动部件的旋转角度。从动部件与负载旋转轴的一端相连，负载转轴的另一端与负载编码器相连，用来测量负载转轴的角度或位置。电机通过驱动器提供电流进行旋转。电流大小由伺服控制器进行控制，从而能够控制电机的旋转速度和角度。电机编码器和负载编码器产生的角度信号发送给伺服控制器。伺服控制器利用这两个信号判断传动机构是否处于间隙状态。当传动机构进入间隙状态时，伺服控制器控制主动部件的转速，使得主动部件和从动部件从一个接触面到达另一个接触面时的相对速度尽量小，从而减轻碰撞。

含间隙的传动机构的简化结构用附图2表示。具体传动机构有多种多样的实现方式，例如齿轮、滚珠丝杠、螺纹螺杆、蜗轮蜗杆等。对齿轮和蜗轮蜗杆而言，主动轮和从动轮之间一般有速比，此时上述公式中要增加速比参数。对滚珠丝杠和螺纹螺杆而言，间隙两侧的一个零件是旋转运动，另一个零件是直线运动。本专利以速比为1的旋转机构为例，仅是为了对方法进行介绍，但是可容易地推广到上述各种传动机构场合。

附图5介绍本专利方法的实施流程图。该方法在伺服控制器内部以算法程序的方式运行。程序启动时，首先进行初始化，测量间隙角。随后进入无限循环。在每个循环中，首先读取电机编码器和负载编码器的位置信号，计算两个编码器的角度，并根据角度计算速度。随后，根据原始速度给定、间隙位置和负载速度计算间隙速度给定。此后，根据所得到的传感器位置和速度参数判断间隙状态，并根据间隙状态从原始速度给定和间隙速度给定中选择一个发送给速度控制器，随时调整电机旋转速度。程序按照上述方法重复运行，能够通过对电机速度的精确控制使得传动机构以柔和方式越过间隙状态。

下面结合附图1至附图5对采用双编码器的机械间隙冲击抑制方法做详细介绍。

含间隙传动机构的简化结构用附图2表示。传动机构包括一个主动轮和一个从动轮。主动轮固定在主动轴上，由伺服电机带动旋转。从动轮固定在从动轴上，带动负载旋转。

S100进行初始化，自动测量主动轮与从动轮之间的间隙角。具体如下：

主动轴旋转角度记为θ_D，从动轴旋转角度记为θ_L。

S101计算间隙角。主动轮角度与从动轮角度之间的关系按照如下方法规定：保持从动轮静止，即θ_L不变，顺时针旋转主动轮，至主动轮与从动轮接触，从而使得主动轮不再旋转，记此时主动轮角度为θ_D1；仍然保持从动轮静止，令主动轮逆时针旋转，使二者在相反方向上接触，记此时主动轮角度为θ_D2。对从动轮与主动轮的相对位置进行标定，即定义：

主动轮与从动轮之间的间隙角定义为2α，即：

2α＝θ_D1-θ_D2；

S102确定间隙位置角

当主动轮在正方向上与从动轮接触时，定义为正接触状态，此时有：

θ_D-θ_L＝α；

当主动轮在反方向上与从动轮接触时，定义为负接触状态，此时有：

θ_D-θ_L＝-α；

当主动轮与从动轮不接触时，传动机构处于间隙状态，此时有：

-α＜θ_D-θ_L＜α；

定义传动机构的间隙位置角为：

θ_B＝θ_D-θ_L；

S200读取电机编码器和负载编码器的实时角度θ_D和θ_L：

S300计算电机和负载速度即附图2中的主动轴速度和从动轴速度：主动轴旋转速度记为ω_D，从动轴旋转速度记为ω_L，分别通过对角度的微分得到，即

S400计算间隙速度给定：

速度限制模块根据负载速度和原始速度给定值计算间隙速度给定。速度限制模块将原始速度给定值与其求得的负载速度值进行比较。若二者相差太大，则计算一个接近负载速度的值作为间隙速度给定，发送给速度选择模块。

间隙速度给定值的大小按照附图4所示曲线计算。附图4给出了两种间隙速度最大值曲线。若用公式表达，恒定间隙速度曲线是

其中

代表最大间隙速度给定值的绝对值，ω_BC是恒定间隙速度曲线的值；三角形间隙速度曲线是

其中ω_BM是三角形间隙速度曲线的最小间隙速度，k是三角形间隙速度曲线的斜率。

ω_BC和ω_BM是传动机构从间隙状态到接触状态转换的瞬间主动轮与从动轮的相对撞击速度，其值根据实际设备的要求确定，以所产生的冲击能够接受为准，均可取额定转速的5- 10％左右。若数值太大，则冲击强烈；若数值太小，则过渡过程缓慢，影响控制效果。

曲线的含义是，当处于间隙状态时，若原始速度给定值ω^*与负载速度ω_L之差的绝对值大于图中曲线所规定的值时，则将负载速度加上(若原始速度给定大于负载速度)或减去 (若原始速度给定小于负载速度)间隙速度曲线所表示的值，作为间隙速度给定值进行输出；否则，将原始速度给定值作为间隙速度给定值输出。定义间隙速度给定值为

上述描述以公式表示为

附图4中的恒定间隙速度曲线表示间隙速度给定值的计算不依赖于间隙位置，最大间隙速度给定值的绝对值在任何间隙位置保持恒定。三角形间隙速度曲线表示在间隙较大时(间隙位置角的绝对值接近0时)，最大间隙速度给定值的绝对值也较大，而在主动轮和从动轮即将接触时减小相对速度。这样可加快间隙过渡时间，同时保证接触速度小。

S500根据速度和位置即间隙速度和间隙位置角，判断是否处于接触状态：

S501根据实时的θ_D和θ_L计算θ_B和间隙速度ω_B，其中

当传动机构处于接触状态时，间隙速度等于零；

当主动轮与从动轮在正反两个方向上的间隙相等时，即传动机构处于间隙中间状态时，有：θ_D＝θ_L。

一般情况下，当主动轮推动从动轮正向旋转时，公式θ_D-θ_L＝α成立。若此时主动轮突然减速，而从动轮由于惯性而保持原先的旋转速度，两个轮子将会从正接触状态经过间隙状态迅速到达负接触状态。在到达负接触状态的瞬间，主动轮与从动轮相互碰撞。二者的相对速度越大，碰撞越严重；

S501判断主动轮与从动轮的是否处于接触状态，采用RS触发器判断方法，

首先定义

其中，α₀接近α但小于α，表示主动轮和从动轮相互接近，可根据实际情况取值，一般可选范围为0.8α≤α₀≤0.95α，优选0.9倍的α。若α₀太接近α，则容易受到干扰。R代表间隙的大小，含义是，若主动轮和从动轮距离非常近即二者接触面靠近，则为逻辑1，否则为逻辑0；

其中，ω_B0是一个较小的间隙速度值，可取电机额度转速的1％-5％，优选5％。若间隙速度的绝对值小于此值，则表示主动轮和从动轮相对静止。S的取值代表间隙速度的大小，若速度大于ω_B0，则为逻辑1，否则为逻辑0。1表示主动轮和从动轮之间有相对运动；0表示二者相对静止。

Q是RS触发器的输出信号，逻辑1代表接触状态，0代表间隙状态。根据RS触发器原理，可以得到如下表格所述的间隙状态判断方法:

这个表格的含义是，若主动轮与从动轮之间的相对速度接近于零，则认为二者处于接触状态；若相对速度大，则综合考虑间隙位置进行进一步的判断：若此时主动轮和从动轮距离较远，则认为机构处于间隙状态；若距离较近，则保持以前最近一次的间隙判断结果。

其中Q的由如下方式计算得到：

将R和S分别输入RS触发器的两个输入端进行计算，得到输出Q，计算公式为：

其中Q_n+1是Q的最新计算结果，Q_n是计算前Q的状态，n为大于等于0的整数。

S503间隙判断模块将RS触发器输出的接触状态信息Q发送至速度选择模块。

S600根据接触状态选择速度给定：

间隙判断模块的输出信号Q代表传动机接触构状态和间隙位置，输出给速度选择模块，用于对速度给定值进行选择。

若间隙判断模块的输出为逻辑1，即处于接触状态，则速度选择模块选择原始速度给定。

若间隙判断模块的输出为逻辑0，即处于间隙状态，则速度选择模块选择间隙速度给定。

S700按照速度给定对电机进行控制：速度选择模块将速度信息发送至速度控制模块，让后速度控制模块通过驱动器控制电机转速。

附图6为采用上述装置和方法的一种具体实施例，该实施例一个伺服压力机间隙抑制控制系统，包含本专利方法的伺服控制器从电机编码器和负载编码器两个传感器接收反馈信号，并按照前述算法向驱动器发送电流命令，控制伺服电机按照所要求的速度旋转。电机轴与伺服压力机的小齿轮轴相连，通过齿轮与大齿轮啮合。大齿轮轴上固定负载编码器。大齿轮上另外固定曲柄，并通过连杆与滑块连接。在电机旋转时，滑块可沿导轨上下移动，完成对工件的冲压加工。

大小齿轮之间的传动比为r，齿轮间隙以小齿轮轴转角定义。为了按照本专利方法进行计算，必须将大齿轮轴的角度乘以传动比r，换算到电机轴。为此，定义大齿轮轴角度为θ_G，则θ_L＝r·θ_G。此后可利用前述各个公式进行计算。

附图7和8显示了本方法的计算机仿真结果。仿真模型中，传动机构间隙角等于5度，间隙速度采用三角形间隙速度曲线。模型施加速度阶跃命令：在时间t＝1秒前给定-25rad/s 的恒定转速命令，使电机进入稳定旋转，在t＝1秒时突然改变成50rad/s。曲线记录了电机转速和间隙速度的曲线。

附图7是没有采用本专利方法的情况。可以看到，在速度阶跃命令发出后，传动机构立即从接触状态进入间隙状态，电机速度迅速上升，主动轮越过间隙后在约1.01秒时到达从动轮正接触面，并以40rad/s的速度发生碰撞。

附图8是采用本专利方法的情况。可以看到，在速度给定阶跃命令发出后，传动机构立即从接触状态进入间隙状态，电机速度首先快速上述，随后减小，在约1.032秒时主动轮到达从动轮正接触面，并以2rad/s的相对速度发生碰撞。可见，采用本专利方法后，主动轮与从动轮的碰撞速度降低为未采用此方法的5％，撞击能量为0.25％。效果明显。所付出的代价是需要花费略微长的时间完成过渡过程，这在生产过程中是完全可忽略的。

伺服压力机的目标是对滑块位置进行精确控制。为此，仅需在本专利方法速度控制功能基础上，增加位置控制器，即在伺服控制器内部增加相应的软件算法。位置控制器从用户接口接收位置给定信号，从负载编码器读取负载的位置信息，根据负载位置与给定位置的偏差产生原始速度给定，发送给本专利间隙冲击抑制程序，从而能够对大齿轮的位置进行精确控制。根据大齿轮角度与滑块位置之间的确定关系，进而可对滑块位置进行精确控制。

Claims (4)

1.一种采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，包括伺服控制器、驱动器、电机、传动机构、负载、电机编码器，其特征在于：还包括负载编码器，所述驱动器分别与电机、伺服控制器电连接，电机编码器、电机、传动机构、负载、负载编码器依次连接；所述负载编码器和电机编码器均与伺服控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，其特征在于：所述伺服控制器包括间隙判断模块、速度限制模块、速度选择模块和速度控制模块，其中间隙判断模块分别与速度限制模块、速度选择模块电连接，速度限制模块与速度选择模块电连接，速度选择模块与速度控制模块电连接，驱动器与速度控制模块电连接，电机编码器分别与速度控制模块和间隙判断模块电连接，负载编码器分别与间隙判断模块、速度限制模块电连接。

3.根据权利要求2所述的采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，其特征在于：所述间隙判断模块包括RS触发器。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的采用双编码器的机械间隙冲击抑制装置，其特征在于：所述传动机构包括主动部件和从动部件，所述从动部件带动所述负载。

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