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淺談雙滾珠絲杠同步驅動的應用-hiwin上銀中國
作者:趙人電機    發布于:2017-09-18 10:04:56    文字:【】【】【
前言
   工具機的技術水平已經為國家生產力和工業實力的重要指標。在工具機的發展中,為提升加工系統的產能與加工質量,高速與高精度為成為關鍵,如何提升加工速度與加工精度已成為工具機發展的重要課題。提升工具機加工的生產效率,就必須要在有限的行程內提高速度,但隨著速度的提升,驅動工作平臺或者主軸的驅動力也必然隨著增大,在高速進給時,瞬間的驅動力很容易引起振動現象的產生,一旦加工過程中有振動產生,便會導致加工精度的降低,進而影響到工件的加工質量,因此往往無法同時兼顧高速度與高精度的需求,要求加工精度的同時就無法提升加工速度。
    工具機瞬間加減速時的振動現象,起因主要來自于驅動系統的結構剛性及慣性匹配不佳所致,因此只要加強進給系統的結構剛性就可以有效的減少高速進給時所引起的振動。當進給系統的結構剛性增加時,往往會造成載臺基座的質量增加,進給系統的質量越大時,所需要的驅動動力就必須相應加大,由于受限于機臺的空間設計(如主軸馬達的配置空間考慮等),使載臺基座的質量受到限制。
    由于上述的各項因素,工具機在驅動軸的設計上逐漸開始采用雙螺桿的驅動架構,此方式不但可以增加進給系統的結構剛性,還可以減少因驅動力偏心所引起的力矩影響,雙馬達的驅動方式,除了可加強系統的驅動力外,也可提升系統的應答速度。
 
雙軸同步驅動的優點:
    雙軸驅動的應用通常是為了得到較大的負載能力或者針對大跨距的載卸系統所使用,因此在使用上的主要的需求并非著重在高速切削上。但隨著相關技術的發展,工具機需求的速度與精度不斷提升,雙軸驅動的設計也開始應用于高速的加工中心上,用以抑制因高速進給時所產生的振動。總括目前雙軸驅動的應用,主要有以下幾項優點,以下將針對各項優點做更詳細的討論。
 
    (1) 抑制高速時的振動
    (2) 提高系統剛性,延長螺桿使用壽命
    (3) 提升系統響應
 
(1) 抑制高加減速時的振動
    如同前述所提的,于高速的應用下若要降低高加減速所引起的振動現象,提升進給系統的結構剛性是最簡易的解決方法,但由于往往受限于整體設計的零件與電控配置限制,使得載臺基座的結構設計受限。一般常見的工具機進給系統配置如圖一所示,X軸的載臺設置于Y軸的鞍座上,由X軸與Y軸的連動來帶動工件移動。于配置上,Y軸的螺桿會設置于鞍座的中間正下方位置,主要是會了避免驅動力偏離中心所造成的額外力矩影響,如圖二所示。這樣的配置方式,當X軸上載臺的位置位于Y軸上鞍座的中間位置正上方時確實可以有效的降低偏心的影響,但當X軸上的載臺移動到兩端時,此時整體系統的質量中心位置便隨著載臺的移動而偏向其移動的方向,此時Y軸的驅動力便無法作用于系統的質量中心上,偏心力所產生的力矩便會影響到進給系統的穩定性。
 

圖一、工具機X、Y定位載臺的設計架構[1]
 
圖二、滾珠螺桿驅動系統架構示意圖
 
     針對此問題,日本工具機廠森精機率先提出重心驅動(Drive at the center of gravity)的應用概念,透過雙滾珠螺桿同步驅動的方式,使驅動力作用于整個進給系統的質量中心部,如圖三所示。由于相對于載臺的重量來說,工件本身的重量要小的許多,且于垂直軸上因高度差所產生的力矩并不大,因此只要盡可能的使滾珠螺桿的驅動力與重心位于同一水平面上便可以有效的抑制其振動現象。

         
                    圖三、NV4000 DCG雙軸驅動配制示意圖[2]

根據森精機所提出的測試結果,如圖四所示,令X、Y載臺運行一矩形的行進軌跡,當載臺只有于X軸上移動時(矩形的長邊),單軸驅動與雙軸驅動結果的比較并無明顯的差異,但當Y軸開始驅動時(矩形的短邊)
,相較于傳統的單軸驅動方式,雙軸驅動的振動現象有明顯的改善。

             
                  圖四、雙軸驅動與單軸驅動的實驗結果比較[1]

(2) 提高系統剛性,延長螺桿使用壽命
    加工中心在模具加工的應用上,在曲面加工時,加工的軌跡是由無數的小線段所構成,如圖五所示,加工的過程中,刀具必須不斷的轉換方向,在這些轉彎的過程中,驅動系統需要提供較大的加速度來改變刀具的行進方向。隨著加速度的提升,驅動系統所需的驅動力也相對提升,此時若進給系統的剛性不足時,就容易于轉折點發生過沖的問題。
 

                           
                             
圖五、曲線加工軌跡示意圖

 
驅動系統在軸向上的剛性主要來自于傳動動力用的滾珠螺桿,而滾珠螺桿的外徑隨著螺桿的外徑加大而提升,可以想象的,希望驅動系統的剛性越大,就應選用外徑越大的滾珠螺桿,但在機臺設計的空間限制下,螺桿可選用的外徑大小受到了限制。采用雙軸驅動的設計,即使選用外徑規格較小的螺桿也可以得到較大的剛性,在有限的空間下仍舊可以滿足高剛性的需求。如圖六所示,采用兩支外徑40mm的滾珠螺桿,于軸向上的剛性較單支外徑50mm時的剛性提升了45%。
 


                      圖六、單支螺桿與雙軸螺桿的剛性比較

雙軸驅動的應用中,由于軸方向上的負載是由兩支滾珠螺桿平均分擔,因此施加于每支螺桿上的負載約為單軸驅動時的一半,可以大幅的提升滾珠螺桿的使用壽命,如圖七所示,采用兩支外徑40mm的滾珠螺桿,其使用壽命是單支外徑50mm時的3.7倍。為了達到更大的出力與更高的使用壽命,這樣的設計被應用于全電式射出成型機的射出軸上,圖八所示為JSW的大型全電式射出成型機的應用。

    

                        圖七、單軸驅動與雙軸驅動的使用壽命比較

       
                           圖八、JSW雙軸伺服驅動系統[3]

(3) 提升系統響應
    采用雙軸驅動的架構設計,由于負載平均由兩支螺桿來分擔,因此既使選用螺桿外徑小一號的規格也可以得到優于單軸驅動時的使用壽命,由于螺桿的外徑縮小,且具備兩顆馬達來同時驅動,因此實際上單顆馬達所需要的出力會低于單馬達驅動的設計,故馬達的慣性矩也會隨著大幅降低,表一為雙軸驅動的應用例與單軸驅動的應用例比較,當載重為500kgf、螺桿最大行程為1200mm時,驅動系統的慣性矩下降52%。由于負載慣性矩降低了,在同樣的驅動力之下,馬達可以達到更高的加速度,整體驅動系統的響應也隨著提升。

表一、單軸驅動與雙軸驅動的慣性矩比較

     

雙軸驅動滾珠螺桿所需解決之課題:
    在雙軸驅動的應用上,首先會遭遇到的問題便是「如何使雙軸螺桿可以同步驅動?」,雙軸驅動雖然可以帶來高剛性、高響應與大推力的優點,但當兩驅動系統異步時,反而容易造成傳動機構的提前損壞。一般螺桿驅動系統都是采用半閉回路的控制方式,藉由伺服馬達上的編碼器來回饋控制,但由于螺桿本身有導程誤差的問題存在,因此載臺實際的位移量與馬達輸出的量會有些微的差異,通?;嵬腹は炔鉤サ姆絞嚼詞故導實囊貧坑朧淙氳鬧噶釵嗆?。而在雙軸驅動的應用中,兩螺桿的導程誤差量不可能完全相同,通過控制補償的方式雖可以達到一定程度的同步,但兩螺桿同時鎖固在載臺基座上時,兩配對螺桿間多少會有互相拉扯的現象存在,若兩螺桿間的拉扯現象過大時,一般的控制補償便無法完全消除系統的不同步現象,進而造成驅動系統的不穩定。
    采用光學尺即使監測補償的方式雖然的可以有效的消除兩配對螺桿間的動作不同步現象,但相對的卻會造成控制成本的提升,大多無法采用這種方式,因此若能盡可能的消除兩配對螺桿間的差異,便可以降低控制系統上所需要的成本,同時也可以降低控制的復雜性。一般影響到螺桿定位精度的因素有以下點,因此在螺桿的制造上,只要特別控管這幾項因素,便可以降低雙軸驅動時的不同步性,以下將針對這幾項因素做更詳細的討論。
 
    (1) 導程誤差的差異量
    (2) 預壓扭力的變動差異性
    (3) 熱溫升差異量
 
(1) 導程誤差差異量
    根據上面的討論,于雙軸驅動的應用上,即使給于兩驅動馬達的指令是相同的,但由于螺桿本身的差異,兩配對驅動螺桿的實際進給量不可能相同,需要另外透過同步控制的方式才可以相除兩配對螺桿間的進給差異。于同步控制的應用中,大多會將一軸滾珠螺桿設為MASTER,而另一軸滾珠螺桿設為SLAVE,根據MASTER與SLAVE兩螺桿間的差異量,于SLAVE螺桿的部份施加一速度補正值,藉此達到速度同步的控制,圖九所示的是西門子所提出的速度/扭矩耦合之主從控制架構,但當SLAVE側的補償值過大時,容易造成馬達的發熱,馬達的熱溫升現象會直接影響到SLAVE螺桿的定位精度,造成同步補償的延遲,進而影響到整體進給系統的穩定性。圖十所示為三菱重工應用于全電式射出成型機的同步控制法測,于其控制系統中,為了降低補償延遲的問題,同時監控系統的位置同步性、壓力同步性以及速度同步性,比對三者的差異量,選擇差異量最小的作為補償基準,藉此降低因補償量過大造成的不穩定現象。

      
                      圖九、速度/扭矩耦合之主從控制架構[4]

    

                                圖十、射出成型機用雙軸同步控制架構[5]

根據上述的討論,若能降低兩螺桿的導程誤差差異性,就可以有效的改善補償延遲的現象發生,如此便可以大幅的簡化控制架構的復雜性。圖十一所示為經過配對控管與未經過配對控管的C5級滾珠螺桿導測結果比較,A螺桿與未經配對控管B螺桿比較,其在有效牙長內的最大導程誤差差異量達40?m,而與經過特別控管的C螺桿差異量則僅有5?m,因此應用在雙軸驅動的配對螺桿,經過特別的控管后,其累績代表導程的差異量至少可以控制到標準容許公差的1/4以內。


                       圖十一、導程精度相互差檢測示意圖

(2) 預壓扭力的變動差異量
    相較于傳統的艾克母螺桿,滾珠螺桿的摩擦力要小的許多,但一般在應用上,為了提高驅動系統的剛性,會于螺桿上施加一定程度的預壓力。相較于軸承機構,滾珠螺桿的傳動軌道為一螺旋軌道,軌道的尺寸本身存有一定的加工誤差在,因此其預壓力會隨著螺帽的位置不同而有所變動,如圖十二所示。在定位控制系統中,摩擦力的變動會影響到進給系統的定位精度,因此滾珠螺桿預壓扭力的安定性對于定位精度相當重要。

    

圖十二、滾珠螺感預壓扭力測試圖

根據JIS B1192的規范,精度等級C5的預壓扭力容許變動量為±35%,因此未經過配對控管的兩滾珠螺桿,即使皆符合JIS的規范,其預壓扭力的差異量最大可能達70%的基準預壓扭力??上攵?,在雙軸驅動的情況下,這樣的差異勢必會影響到控制系統的定位精度,進而造成同步性的惡化。在雙軸驅動用的配對螺桿控管上,只降低配對螺桿的預壓扭力差異量是不夠的,為了提升兩配對螺桿的相似性,還須要額外要求單支螺桿于有效牙長內的預壓扭力均勻性,如此于雙軸驅動同步控制中才可以得到較佳的同步性,在經過一段時間的使用后,也比較可以確保兩配對螺桿的差異性不會有太大的變化。
 
(3) 熱溫升差異量
    螺桿運轉時的溫升量會隨著轉速的提升而逐漸加大,因此在高速的應用下,螺趕熱變位對于定位精度的影響相當明顯。在單軸驅動的應用中,通??梢雜眉撲愕姆絞醬笤紀乒纜莞說娜任律?,如此便可以針對計算值作預先的補償與對應。但在雙軸驅動的應用中,驅動系統屬于一耦合架構,兩螺桿的運轉狀況會相互影響,當兩配對螺桿的溫升狀況差異很大時,進給平臺的真直度會不斷惡化,進而造成溫升狀況的難以估計,較難透過預先補償的方式來改善。
    在雙軸驅動的設計中,熱溫升的控制相當重要,要抑制兩螺桿溫升差異最簡單的方式是采用強制的螺桿中空冷卻,這樣可以有效的控制螺桿的溫升狀況,若不采用中空冷卻的狀況下,就必須控管螺桿的位置同步性,只要可以抑制兩螺桿互相拉扯的現象,就可以避免額外的摩擦力產生。另外預壓扭力對于螺桿溫升也有相當程度的影響,兩螺桿的預壓扭力若差異很大時,其溫升的現象也勢必差異很大,熱溫升不同會致使進給平臺的運行真直度惡化,圖十三為特別控管后的配對螺桿與一般無配對螺桿的溫升比較,經過特別的控管才可以有效的改善雙軸驅動的溫升不同步現象。

           
                       圖十三、配對螺桿與一般螺桿的溫升比較

結語:
    過去雙軸驅動的設計,大多是采用于高出力的設計需求中,但隨著產業技術的不斷提升,高精度、高負荷、高生產力的訴求是全球機械設備發展不變的趨勢,在高效能的需求下,為提升產品的競爭力,加工機具需要同時具備有高速與高精度的功能,漸漸的,雙軸驅動的設計構念也開始廣泛的被應用在高效能工具機的設計中。
    在雙軸驅動的應用上,主要的關鍵技術在于如何消除兩配對螺桿的運轉不同步,雖然透過電控技術上的補償可以改善因驅動機構差異所延伸的問題,但若因這樣就忽略驅動機構上的管控,容易延伸更多額外的問題。因此在雙軸驅動的設計中,配對螺桿的特性管控相當重要,經過控管的配對螺桿可以有效的改善驅動系統的不同步性,使機臺設計可以使用最少的成本來達到最佳的效能。
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