齿轮消隙与双电机消隙的应用
双电机驱动系统消隙技术分析
双电机驱动系统消隙技术分析摘要：双电机驱动系统是电力系统中重要的电机系统，双电机驱动的消隙技术是双电机驱动系统中的关键技术。
双电机驱动系统能否实现正常运行关键在于消隙技术本身的水平。
在人们对电机系统的要求越来越高的背景下加强对双电机驱动系统消隙技术的研究对于提升双电机驱动系统本身的性能具有重要意义。
本文将重点探讨双电机驱动系统的消隙技术。
关键词：双电机驱动；消隙；数控设备当前在电机系统中应用较为广泛的是单电机驱动系统，与此同时双电机驱动系统在数控设备，机器人以及雷达等系统中也得到了高效应用。
双电机驱动技术在这些领域中的应用能够有效提升系统机械的传动精度。
该技术在机械系统中的应用将成为未来时代发展的潮流。
双电机驱动系统在电机系统中的应用能够取得比单电机系统更好的效果，但是双电机驱动系统本身在的操作过程要比单电机驱动系统复杂的多。
双电机之间的转矩输出与电机位置控制还存在着一系列问题。
解决这些问题非常重要。
而要想解决这些问题很大程度上依赖于双电机驱动系统的消隙技术。
因而加强双电机驱动消隙技术的研究就显得非常重要。
1.双电机驱动系统的传动形式在探讨双电机驱动系统的消隙技术之前，了解双电机驱动系统的传统形式非常重要。
充分把握双电机驱动系统的传动形式有助于高水平的消隙。
在双电机驱动系统中，机械连接以及传动形式主要是丝杠，齿轮齿条，蜗轮蜗杆，齿轮等组成。
在双电机驱动系统中主要有以下四种形式：第一种形式是两个旋向相同的蜗杆分别布置在蜗轮附近，而两台电机分别驱动两侧蜗杆转动，最终实现蜗轮蜗杆正常运行。
这种方式一般情况下主要应用在驱动力较大的系统中，这种方式应用灵活，但是在使用过程中我们也需要注意到这种方式也有一定的缺点，反向运行阻力大就是其中一个典型缺点。
第二种形式是通过在某一机构两侧安装电机，在启动运行后两台电机能够同时运行，最终实现双机共同驱动该机构运动。
与其他驱动方式相比，这种驱动方式更能够减小运行过程中造成的变形问题。
双电机消隙
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Masterห้องสมุดไป่ตู้Slave
3. 原理与运行模式—计算
精加工（黄色区域） 这时主动齿轮箱的输出力由安全系数C乘上加速力。 F2M_ max = c x F2a F2M_ max根据移动部件重量 m 和切削力 FP决定 => m2M_max = c x m F2M_Pmax= c x FP
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
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齿轮-齿条传动（龙门移动式）
3. 计算（计算）
较大的工作台面积 负载分配比（重量/切削力）70:30
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Master-Slave（齿轮-齿条传动主从消隙）
2.原理与运行模式—运行模式
黄色区域: 精加工（加速度较小） 灰色区域: 粗加工或快进（加速度较大）， 两个小齿轮朝一个方向工作。 两个小齿轮扭矩方向相反— 无间隙
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
优缺点g无间隙消除了齿面之间的间隙g更高的刚性2x单个刚性g更好的动态性能两个驱动单元同时工作g更高的精度因为更好的刚性和零间隙g可选用更小的减速箱电机齿轮齿条h成本更高2套驱动单元h更大的体积2x电机2x齿轮箱h更长的调试时间teamrapidovorlagennr
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双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用
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PT1
++
过滤器
张力扭矩
平衡系数
机械连接
位置设定值 + -
位置
+
控制器 nset=0
位置实际值
从动轴
速度 nact 控制器 iset
扭矩 iact 控制器
电机 M2
编码 器2
图 4 主从驱动控制原理图 Fig.4 Control principle chart of master-slave drive
1 传动间隙影响数控设备的原理分析
伺服系统中传动间隙的表现形式具有多样性，为 方便分析，将伺服传动系统中所有间隙等效为１个来考 虑。用 2Δ 来表示传动间隙的宽度，传动间隙的特性如 图 1（a）所示，其中 φa 和 φb 分别为电机输入轴转角和
* “十一五”国防基础科研项目。
84 航空制造技术· 2009 年第 17 期
采用主从驱动方式，即２个伺服电机共同承担负 载。采用扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平 衡分配，且扭矩补偿控制器根据伺服电机的具体性能分 配相应的负载扭矩。一般地，在同一坐标进给上应尽量 采用同型号、同性能的伺服电机，以简化系统的设置。 当主、从伺服电机性能不相同时，需要根据其扭矩平衡 系数调整扭矩匹配。
传动间隙限制了系统精度的提高，而在传动间隙不 可避免的情况下，如何采取措施尽可能地消除传动间隙 就非常必要。
除了在设计传动机构时尽量减小间隙外，大多采用 机械消隙的方法，即利用消隙齿轮和弹簧预紧等方法来
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
-1/N（A） G（jω）
（a）系统稳定情况
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
∑M
电机 1 转矩曲线
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比导语：本文从原理、性价比、结构等方面说明双电机电气消隙与单电机机械消隙的区别。
一）机械消隙产品（法国REDEX产品）：单个电机输入两个齿轮输出形式，（REDEX产品为一个电机输入，两个减速机带齿轮输出，通过专利技术，在减速机中间加预负载，运用机械原理将减速机内部及齿轮齿条之间的背隙全部消除）如图示：二）双电机电气消隙产品（德国STOBER产品）：双电机输入两个齿轮输出形式（即，两个电机输入，两个减速机带齿轮输出，运用电气控制，致使一个电机驱动的时候，另一个电机进行制动，将齿轮齿条及减速箱内部背隙全部消除）如图示：德国STOBER双电机电气消隙与其他消隙产品的比较：STOBER电气消隙系统特点如下：结构区别：双电机电气消隙原理是将其中一个电机做制动处理，从而取得预加载力。
也就是说，一个电机驱动一个电机制动，从而消除减速机及齿轮齿条的背隙;性能优越：重复定位精度可以达到0.01（1道以内）;控制灵活：需要大力矩加速的时候，两个电机可以同时驱动;硬件要求：齿条和减速机的精度没有要求，可以通过电气补偿方式让消隙效果达到最好;成本控制：比同等的欧洲机械消隙产品成本低;发展前景：性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各个厂家的青睐;同行业应用：目前中国生产大型机床，龙门镗铣、落地镗等需要做齿条传动消隙处理的机床基本上都使用的是STOBER双电气消隙产品，主要客户应用情况见部分客户列表REDEX机械式消隙系统特点如下：结构区别：单电机机械消隙实际是通过反向的扭动其中一个齿轮来获取预加载力，也就相当于将一个齿轮固定，在另一个齿轮上加了一个扭力弹簧;性能一般：只能满足一般应用（重复定位精度一般都在0.02以上）;模式固定：机械方式预设的单一工作模式，不能根据实际需求做调整;硬件要求：减速机和齿条的精度要求比较高，硬件产品的精度越高消隙效果越好，相应的增加了硬件的成本;发展现状：机械消隙产品设计巧妙，通过简单的结构消除了齿轮与齿条之间的背隙，随着社会发展，机床精度要求越来越高，机械消隙产品已经不能满足应用，越来越多的被高精度、低成本的电气消隙产品所取代。
齿轮消隙与双电机消隙的应用
图 ４ 双电机驱动图示
具体做法如下：本数控动柱式龙门铣床采用西
门子 ８４０Ｄ 数控系统。给每个电机预设一个 ２０ ％额
定扭矩的预加应力，设定一个电机为主驱动电机，左
齿轮要求出力大；另一个为副驱动电机，右齿轮要求
出力小，如表 １ 所列。Leabharlann 表 １ 主、副电机驱动力矩示意
中图分类号：ＴＨ１３２．４１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１３）０１－０１４４－０２
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。但由于丝杠传动 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。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖａｂｌｅ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ＣＮＣ ｇａｎｔｒｙ－ｔｙｐｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｂｙ ｓｅｌｆ－ｍａｄｅ， ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｅｔｔｌｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ；ｇｅａｒ ｂａｃｋｌａｓｈ；ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ
双电机电气消隙
双电机电气消隙
未来数控机床的发展趋势主要是大型和重型，因而机床的行程越来越长，对精度的要求也就越来越高。
要消除齿轮齿条传动中产生的背隙，有两种方式，一是：机械消隙，二是双电机电气消隙。
机械消隙是单个电机输入两个齿轮输出的形式，目前有法国的REDEX.而双电机消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
双电机消隙目前有德国的STOBER以及台湾的SunUs等。
双电机消隙就是两个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。
当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零（静止）时，两通道电机的电枢电流为±Io（消隙偏置电流），其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源
双电机消隙的优势。
相对于机械消隙，双电机消隙具有性能上的优势，重复定位精度可达到0.01；控制灵活，需要加大扭力是，两个电机可
以同时驱动，而两个电机反方向驱动是可消除背隙；成本控制，由于是同时使用两个伺服电机，股伺服电机的型号可选用较小的，这样成本不会高于机械消隙；双电机消隙具有良好的发展前景，由于其性能优越，精度高，成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各大厂家的青睐。
双电机消隙
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
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2. 普通齿轮-齿条传动特点
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?两侧的驱动单元获得相同的位置控制命令，能同步到达对应位置。
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?由于齿条自身的节距误差以及安装误差，齿条与齿轮间会产生间隙，并且
这种结构自身无法消除。
? 两驱动单元互相之间无法形成张力
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
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2.原理与运行模式 —运行模式
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灰色区域 :
粗加工或快进（加速度较大）， 两个小齿轮朝一个方向工作。
黄色区域 : 精加工（加速度较小）
两个小齿轮扭矩方向相反 — 无间隙
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
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1. 电消隙结构—张力消除间隙
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(1)两个齿轮箱之间存在张力，这样
controller
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可以避免齿轮齿条之间的间隙，以及
双电机消除间隙
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。
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。
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。
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。
浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策
浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策作者：南京航空航天大学自动化学院杨海萍王道波引言采用齿轮减速来获得大力矩输出是伺服控制系统中常采用的拖动方式，这种带齿轮传动的伺服系统由于存在齿轮间隙会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向跳变等现象, 使伺服系统不能达到较高的定位控制精度。
由于齿隙非线性所具有的强非线性、非解析描述和不可微的特性,采用常规控制方法不能解决齿隙造成的控制精度差和动态性能不良等问题，因而解决齿隙非线性对控制精度影响的问题一直是控制领域研究的重要内容。
近些年来，随着对齿隙非线性机理研究的深入和非线性控制理论的发展，采用控制方式来消除齿隙影响的方法不断出现，如自适应控制理论、逆模型方法、碰撞分析法和非线性几何理论等，已成为解决齿隙问题的有力工具，上述这些方法基本都是针对建模、特性分析和控制理论进行的研究,不便于直接应用于工程实现。
本文提出了一种在工程实现上简便有效的方法，即采用双电机差步驱动来消除齿轮传动间隙的方法，通过二个电机的差步加载，使齿隙现象消除，不仅可达到较高的定位精度，同时能提高输出轴的力矩。
带齿隙伺服系统的机理分析为分析双电机驱动时差步控制消除齿隙的机理，需对双电机驱动的伺服系统进行数学建模与分析。
在大小齿轮运动过程中，大齿轮和小齿轮的啮合运动是通过它们之间的弹力和粘性摩擦力的相互作用来完成的，在一般情况下，粘性摩擦力忽略不计。
由于制造和机械上的误差造成齿轮啮合不够准确，会进一步增大齿隙的影响。
建模思路是先不考虑齿隙影响建立电机传动系统的理想动力学模型，然后再把齿隙考虑进去，进一步建立含齿隙的电机传动系统的动力学模型。
双电机驱动系统的原理结构图如图1所示：图1 双电机驱动齿轮原理图如不含传动齿轮时其动力学模型可为：（1）式中：j c1，j c2是两个小齿轮的转动惯量，是两个小齿轮的角速度，是两个伺服电机的角速度，i1和i2表示两电机电枢回路的电流，u1，u2是两个电机的电枢电压，j m是大齿轮的转动惯量，是大齿轮的角速度，c是阻尼系数，k是刚性系数。
双电动机驱动消除齿轮齿条间隙的设计应用
基本参数
表
１
齿轮 齿条传动 ５ ０ ６０ ０ ｌ ０ ０２ ． ０６ ． ７ ５ Ｏ ００Ｈ ０ １ ００ ． ５ １ ００ ２ ．８ ０ ８ ８ ． ４８５ ０
成本 。另一方面采用双 电动机驱动结构 ，单 电动机 相 比较 ，基本上不用对机械传动链进行调整 ，而且
对 机 械 系 统的 调 整 、维 护 、 保养 等 要 求和 费 用 都较
低。
一
电动机结构的驱动负载频繁换向 ，即使采用机械消
隙措 施 ，由于 间隙 造 成 的瞬 态误 差 仍 难 以克 服 ，机 械 消 隙齿 轮 箱结 构 复 杂等 各 方 面 的限 制 ，造 成 了制 造 周 期长 、安 装 维护 要 求和 费 用较 高 等 各种 弊 端 。
如 图 １ 示 。 消 隙原 理 为机 床 数 控 系统 通 过 电 动机 Ｎ
丁 机 构 液压 动 力 来 实现 与滑 枕 的可 靠 联接 ，这 种 方 式 联 接 可靠 ，效 率 高 ；拉 刀机构 为 弹 簧结 构 拉 紧 ， 液 压 动 力松 刀 ；花键 轴 及 齿轮 轴 周 边 分 布 冷却 环 形 槽 ，冷 却轴 承 及 齿轮 运 动 过程 中产 生 的 热量 ，使 铣 头 一 直 保持 恒 温 状 态 ，进 而保 证 其 几 何精 度及 运 动 精 度 ；轴 承 采 用 脂润 滑 ，周边 密封 装 置将 其 密 封 在
一
密 封 腔 内 ，使 轴 承 一 直 处 于 良好 的 润 滑 工 作 状
态 。通过 对 主 轴 铣头 各 方 面综 合 的 考 虑 ，优 化 其 结 构 及 实现 功 能 的 方式 达 到 最优 的合 理 设计 ，在 实 践 过 程 中铣 头 功 能 、 几何 精 度 、运 动 精 度及 稳 定 性 得
双电机消除间隙
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。
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。
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。
双电机消隙控制技术研究
双电机消隙控制技术研究发布时间：2022-07-13T03:24:58.335Z 来源：《中国科技信息》2022年5期3月作者：黎建国[导读] 齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。
黎建国贵州航天天马机电科技有限公司摘要：齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。
本文结合双电机消隙控制原理，通过分析齿轮传动系统的空回间隙及双电机驱动动力学模型，并在此基础上提出了消隙控制器设计方法，达到伺服系统消除齿轮间隙，提高控制精度的目的。
主题词：双电机消隙控制1引言齿隙是齿轮传动过程中不可避免的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳定精度的重要因素。
理想的精密机械传动装置，其输出与输入之间的关系应当是线性的，但由于齿隙的存在，传动过程中会产生回程误差，系统的输入与输出在短时间内会失去运动联系，造成输出的突然中断，从而使运动传递关系成为非线性。
齿隙非线性会使系统产生振荡，大大降低系统的稳定性与精度。
采用单电机控制方式无法有效消除齿隙，因此会造成系统稳定性与精度较差，采用双电机双馈的控制方式可有效消除齿隙，从而提高系统的稳定性与控制精度。
2双电机消隙原理双电机驱动系统是由两台电动机连接两个完全相同的齿轮减速器，两齿轮减速器又通过各自的一个小齿轮啮合到大齿轮上，从而带动负载转动。
所谓消隙，则是在系统启动或换向时，在两个电机间建立一个偏置电流，从而形成一个偏置力矩来消除齿隙。
为实现消隙控制，理想的方案是使两电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机，正向电机在反转时保持输出一个足以消除传动间隙的正向力矩，反向电机正转时保持输出一个足以消除传动间隙的反向力矩。
在此方案中，任意时刻都有一个电机牌反向出力状态，要求每个电机的功率都大于实际系统所需功率，所以实际的消隙系统基本都不采用这种方案，而是采用一种更为经济的近似方案。
双电机消隙技术在串联机械臂中的仿真与应用
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立了含齿隙双电机同步联动伺服系统的动力学模
力矩减小到 ０ 后,换向并逐渐增大输出力矩,这样
[
５]
型,但没有考虑传动轴的柔性,不适用于传动链长
而复杂的系统;朱 国 力 等
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说,会引入回 程 误 差.而 当 电 机 侧 反 向 运 动 与 负
载重新接触瞬间,会产生严重的冲击振荡和噪声,
加速齿轮的磨损,影 响 伺 服 系 统 的 跟 踪 精 度 和 定
位精度.
为消除传动 的 非 线 性 间 隙,国 内 外 科 研 人 员
对多电 机 驱 动 联 动 控 制 系 统 进 行 了 探 讨. KOＧ
２ 双电机消隙的建模与仿真
２．
１ 齿隙模型
常见的齿隙模 型 包 括 迟 滞 模 型、弹 性 死 区 模
型、冲击模型等,应根据实际应用场合的特点选取
.本文所
合适的模型.死区非线性模型是通过驱动与负载
用的串联机械臂关节轴内部传动形式为两台电机
之间的传递力矩 变 化 特 性 来 描 述 齿 隙 的,同 时 考
计等,并取得了很好的效果 [１Ｇ２].
１９９１
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数控机床进给系统常用消隙结构分析
数控机床进给系统常用消隙结构分析摘要：在机床加工的时候最为关键的构成就是数控机床的进给系统，在对零件加工的过程中，进给系统与被加工的零件加工精度有着密切的联系。
所以若要使零件加工的精度得以保证，有比较积极提高加工的质量，而这也意味着要对机床进给系统出现的间隙能够科学的认识，与此同时也要利用专业的技术与结构方法来对此进行调整，这样才能够使间隙消除，进而使位移与运动的精度得到一定程度的提升，使加工的质量更高。
本文主要对数控机床进给系统常用消隙结构进行简要的分析。
关键词：数控机床；进给系统；滚珠丝杠；齿轮传动引言：在加工零件的过程中运用数控机床能够使工作效率得到提升，而且可以使零件更加统一，可是在运用的过程中也发现很多不足，而机床间隙对于零件加工的影响比较大，所以有必要利用科学的方法对机床间隙进行消除处理，这样可以让零件加工的精确程度更高，如今机床消隙的方法主要有滚珠丝杠传动以及齿轮传动。
1滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动是最为普遍运用的传动模式，一般状态下这样的方式的效率比较高，而且运动效果更加平衡，有着很好的灵活程度，而且使用年限比较长，可是因为自身DN参数值与最高转速的限制，这样技术一般在中小行程的数控机床中运用。
1.1双螺母消隙丝杠双螺母间隙消除丝杠结构也是滚珠丝杠技术的一种主要是通过两个螺母与一个调整垫片组成（如图1）。
这样能够对机床运动的位移的精准程度与切削抗力进行预知，能够把预紧力实现通过计算得出，而且可以基于对垫片的调整把螺母预紧力变反，这样可以使螺母与丝杠全部向轴移动，这样就可以使间隙消除的成果体现出来，也可以使丝杠的刚性得到提升。
图1 双螺母消隙丝杠结构图这种结构是国内目前运用比较普遍的一种方式间隙消除结构，而且使用比较简单，出现问题的时候维修方法也比较便利，尤其是在使用时间变长出现磨损的时候只需要调整垫片就可以，不需要对其整体进行换置，而且也可以保证使用过程的精准程度。
1.2复合螺母消隙丝杠复合螺母间隙消除丝杠的工作方式非常接近双螺母螺钉的预紧结构，只是它采用位移引线预紧的方法，这种预紧方式由CNC高精度控制外圆磨床磨削过程中使螺母与丝杠的两个循环形成反向位移，从而获得预紧力消除差距。
双电机消隙转台伺服系统的设计
双电机消隙转台伺服系统的设计摘要：由于机械传动系统中齿轮轮齿的间隙会形成非线性误差，它影响着系统的动态性能和稳态精度。
本文针对齿轮传动中存在的齿隙非线性，以双电机驱动实现消除齿隙。
本文着重描述了该系统的控制原理和软硬件设计，根据所需消隙转矩和负载转矩、运动速度和加速度的关系，设计了实时消隙转矩补偿控制器实现系统完全消隙。
实验结果表明，采用双电机消隙的转台的定位精度得到有效的提高。
关键词：伺服系统；双电机消隙；定位精度0引言天线的性能参数如指向、波瓣宽度、增益等可以通过设计、计算和测试来确定，转台是天线性能参数测试时的主要设备，它可以为天线提供多种运动方式，并提供具体的位置信息。
但是由于机械加工时存在误差和机械磨损以及传动齿轮之间存在间隙，转台控制系统的跟踪精度和稳定性往往达不到预设的要求，所以消除齿轮间隙以提高传动精度显得尤为重要。
1实施方案1.1伺服系统硬件设计图1 双电机消隙伺服系统控制框架双电机消隙伺服系统控制框架如图所示，天线控制单元（威纶通触摸屏EMT3070A）通过自由协议和PCC间进行通信，实现速度指令、状态控制和状态信息等控制操作。
控制模块是实现系统闭环的关键环节，它接受来自编码器的转台位置参数和来自触摸屏、PCC的输入指令，对转台位置进行控制，并进行数字校正，实现转台的精确定位，同时监控转台运转情况，通过机械限位和软件监测实现转台的保护功能。
1.2双电机消隙原理采用双电机传动的方法来消除传动间隙，就要使一台电机工作在速度模式，作为消隙驱动的主动电机，输出的主动力矩和测试转台的运动方向一致；另外一台电机则工作在力矩控制模式下，作为消隙驱动的从动电机，为消隙机构的齿圈提供向后的张紧力。
图2 双电机消隙结构当转台顺时针运动时，电机1为速度控制模式，电机2为电流控制模式，两台电机分别作为主动电机和从动电机，力矩分别为M1、M2，则提供的总力矩M=M1-M2。
当转台工作在逆时针模式时，情况正好相反。
双电机消隙原理与应用
双电机消隙原理与应用作者：胡永兵张钧鹏来源：《科技创新与应用》2014年第27期摘要：雷达伺服系统对于雷达的正常工作有着极为重要的作用，决定在雷达工作的效率和精度，文章以雷达转台伺服系统为应用背景，根据双电机驱动负载以及消隙的原理，建立了双电机消隙伺服系统模型，研究了双电机消隙的原理以及相关的应用。
关键词：雷达伺服系统；双电机消隙；驱动器控制；消隙偏置电流引言雷达伺服系统是雷达的一个极为重要组成部分，雷达伺服系统对于雷达的正常工作有着极为重要的调节作用，在发现目标、跟踪目标以及精确地测量目标位置和其它参数都起着不可或缺的作用。
雷达伺服系统的精度与雷达的测角精度有着很直接关系。
现代社会随着科学技术的迅速提升，国际社会形势的复杂多变，国家对跟踪雷达伺服系统的跟踪精度、快速性以及低速平稳性等性能参数提出了更高的要求。
由于齿隙、摩擦等非线性因素的存在对雷达伺服系统的跟踪精度、快速性以及低速平稳性的提高有着重大影响作用，如果不能消除齿隙、摩擦的影响，系统性能会因极限环或冲击而降低，甚至变得不稳定。
齿隙非线性是由于机械传动系统中齿轮轮齿之间存在的间隙而导致的非线性位置误差。
在高精度运动控制领域，对齿隙非线性进行补偿一直是研究的重要内容之一。
文章将以精密跟踪雷达转台伺服系统为研究背景，其中电机控制用驱动器控制，伺服系统为大负载大惯量，研究双电机消隙伺服系统。
通过对实际系统进行建模，研究合适的控制算法，从而指导实际系统的开发，缩短其设计与调试周期。
1 双电机消隙原理双电机消隙的本质就是系统在低速运行或转换方向时，施加一个可以消除齿隙的偏置力矩，目的是为了实现系统的无齿隙传动。
由于力矩与电流成正比的关系，施加偏置力矩本质上也就是施加一个偏置电流，即在原有电流环主输入的基础上额外加一个电流作为电流环的辅助输入。
相对于传统的机械消隙，双电机电气消隙在性能上具有以下几个方面的优势：（1）更高的重复定位精度；（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）降低成本，用普通精度的减速齿轮箱代替具有机械消隙功能的高精度减速机构，驱动系统的结构简单、成本减小，并且不需要定期调整机械消隙机构，后期的维护费用大大降低。
海德汉iTNC530数控系统双电动村驱动消隙功能的应用
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动机作 为主动轴 ，从
动轴只有速 度控制没
有位置控制 ，从动轴 的速度值 与主动轴 的 速度设定 值一致 ，两
个轴 的速度 控制器保
图 ｌ 双 电动机消 隙示意 图
通 过张 紧转 矩消除机械 间隙
１ ．双电动机驱动消隙系统原理
用两台伺服 电动机分别驱动两个初 级齿轮 ，电动机
图 ２ ｉ Ｃ５０ Ｔ ３ 主从转矩控制原理框 图 Ｎ
参磊 工冷 工 加
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２Ｔ年 ３ ０ 第１期Ｉ ０
下面以我厂生产 的 Ｘ ２ ３ Ｋ １０型数控 龙门镗铣 床为例
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说明具体应用 。
我厂生产的 Ｘ ２ ３ Ｋ １０型数控龙 门镗 铣床采用 海德汉
附近 ，对两个 电动机施加 一个 足以克服问 隙的力矩 偏 置 ，使得这一力矩范 围内两个伺 服电动机 实施 消隙驱
动 ，而越过这个 区域后 ，两个伺服电动机则协同出力 。
２ ．实现双电动机驱动消隙的方法
双 电动机驱动消隙就是用海德 汉 ｉＮ ３ Ｔ Ｃ５ ０数控 系 统具有 的主从转矩控制功能实现的。
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１ 消隙结构 的分类
在齿轮齿条传动可 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
图１ 数控动柱式龙 门铣床
械消隙 ，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输 出的 问题 的 分 析 与 处 理 形式 ； 如果 两个 齿 轮 与齿条 ／ 齿 圈 间 的反 向预 紧力 分 ３
同理 ， 在开始切削时也和开始加速时隋况一致。
避 篷
图 ４ 双 电机 驱 动 图 示
具体做法如下 ：本数控动柱式 龙门铣床采用西 门子 ８ ４ ０ Ｄ数控系统。给每个电机预设一个 ２ ０ ％额 定扭矩 的预加应力 ， 设定一个 电机为主驱动 电机 ， 左
改 了设计方案 ， 决定采用双 电机消隙的结构。
同步性。通过应 用双 电机 消隙技术解决 了这个问题。 关键词 ： 同步 性 ； 齿轮 消隙； 双 电机 消 隙 中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ ３ ２ ． ４ １ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ４ ４ － ０ ２
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ， ２ ０ １ ３
齿轮消 隙与双 电机 消隙的应用
罗 华。 梁世伟
（ 桂林机床股份有限公司 ， 广西 桂林 ５ ４ １ ０ ０ １ ）
摘 要： 大型数控 龙 门铣床移动轴 的同步性是 一大难点 ， 在 用 自制 消隙齿轮 箱传动 时， 同步轴 的反 向 间隙较 大 ， 影响 了
齿条固定在床身上 ， 输 出齿轮模 们就进行 了联机调试 ，结果发现 ｘ ｌ 轴和 ｘ ２ 轴的反 传动箱与齿条啮合 ， 向间隙分别为 ０ ． １ ０ ａ ｉ ｍ和 Ｏ ． １ ２ ｍ ｍ， 情况非常不理想。 数８ ｍ ｍ ， 齿数 ２ ５ 齿。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ — ０ ４
过查资料得该减速器 的背隙为 － ＜６ ’ ， 这样反映到直线 到加速度最大（ 如图 ４所示 ） 。在减速时则反之 。
进 给的间隙为 ６ ／（ ６ ０ × ３ ６ ０ ） Ｘ（ １ ／ ２ ． ５ ） （ 传动箱变速 比） × （ 啊× ８ × ２ ５ ） （ 输 出齿轮的周长） ＝ ０ ． ０ ７ ａ ｒ ｉ ｎ ，加上加 工装配误差等影响 ， 与实测比较吻合 。 从上式看出， 可 通过修改齿轮箱设计来降低背隙 ， 但实际重切削时反 向间隙的大小还在不断地发生变化 ， 呈现不规则 的现 象， 我 们分析是弹簧力在影响这一结果 ， 在反复调整 检测后 ， 仍未能很好的解决稳定性问题。对此我们修
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 。但 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
式龙门铣床如图 １ 所示。该铣床工作台固定 、 立柱横 梁等部件通过 ｘ ｌ 轴和 Ｘ ２ 轴带动在床身上运动。此
时就要求 ｘ１ 轴和 ｘ ２பைடு நூலகம்轴的同步性 ，否则会造成横梁 的扭曲而影响机床精度。在完成同步轴的装配后 ， 我
图 ２ 齿轮箱展 开图
当电机 由减速器减速后 ， 经联轴器进入 １ ： ２ ． ５的
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 在 设计 时采 用如 图 ２所示 结 构 。
气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
２ 问题 的提 出原 因
之 前 我 公 司 为某 客 户 开发 设 计 的一 台数 控 动柱
４ 修 改设计 方案
双 电机消隙的工作原理 ， 如图 ３ 所示 。 （ １ ） 两 电机分别驱动各 自的齿轮齿条啮合 。 （ ２ ） 在静态下 ， 左齿轮与齿条的右齿面啮合并适 度保 持向右 的驱动力矩 ，右齿轮与齿条的左齿 面啮 合并适度保持 向左的驱动力矩 ， 两力矩相等 ， 此时无
作者 简介 ： 罗 华（ １ ９ ７ ８ 一） ， 男， 广 西南宁人 ， 工 程师 ， 本科 ， 学士， 研究方 向 ： 数控龙 门铣床 ； 梁 世伟 （ １ ９ ８ ｏ ＿ ＿ ） ， 男， 广 西南 宁人 ， 工程师 ， 本科 ， 学士 ， 研究方 向： 数控龙 门铣床 。
１ ４ ４
间隙。
齿轮要求出力大 ； 另一个为副驱动电机 ， 右齿轮要求 出力小 ， 如表 ｌ 所列。
表 １ 主、 副电机驱动 力矩示意
动作
静止
左齿轮
＋ ２ Ｎ ｍ
右齿轮 预加力矩 合 力矩
一 ２ Ｎ ｍ ４ Ｎ ｍ Ｏ Ｎ ｍ
间轴上 的垫片厚度使蝶形弹簧压缩时 ， 中间轴向下移 条的右 向齿面施加方向一致的驱动力 ，以提 高负载 动， 此时， 两个大齿轮就转过 了一定角度。 这样就保证 驱动能力。即当右齿轮力矩减至 Ｏ 直至开始加大时 ， 了无论正反转始终有一对齿轮齿条 啮合是零间隙。 通 力矩方向变反 向， 便与左齿轮一起驱动机床移动 ， 达
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 １ 期
齿 轮 箱 中 间 轴 上 安 装 有 一 对 旋 向 相 反 的 斜 齿 大 而右 齿 轮 的力 矩 逐 渐减 小 ，此时 由左 齿 轮无 间 隙
轮， 与两个输出轴上的大斜齿轮分别 啮合 。当调整中 驱动机床开始移动。在负载足够大时 ， 两个齿轮对齿