圖三、NV4000 DCG雙軸驅(qū)動(dòng)配制示意圖[2]

根據(jù)森精機(jī)所提出的測(cè)試結(jié)果，如圖四所示，令X、Y載臺(tái)運(yùn)行一矩形的行進(jìn)軌跡，當(dāng)載臺(tái)只有于X軸上移動(dòng)時(shí)(矩形的長(zhǎng)邊)，單軸驅(qū)動(dòng)與雙軸驅(qū)動(dòng)結(jié)果的比較并無(wú)明顯的差異，但當(dāng)Y軸開(kāi)始驅(qū)動(dòng)時(shí)(矩形的短邊)，相較于傳統(tǒng)的單軸驅(qū)動(dòng)方式，雙軸驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)現(xiàn)象有明顯的改善。

             
                  圖四、雙軸驅(qū)動(dòng)與單軸驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較[1]

                           
                             圖五、曲線加工軌跡示意圖

 

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軸向上的剛性主要來(lái)自于傳動(dòng)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的剛性越大，就應(yīng)選用外徑越大的滾珠螺桿，但在機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，即使選用外徑規(guī)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(shí)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(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，由于軸方向上的負(fù)載是由兩支滾珠螺桿平均分擔(dān)，因此施加于每支螺桿上的負(fù)載約為單軸驅(qū)動(dòng)時(shí)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(shí)的3.7倍。為了達(dá)到更大的出力與更高的使用壽命，這樣的設(shè)計(jì)被應(yīng)用于全電式射出成型機(jī)的射出軸上，圖八所示為JSW的大型全電式射出成型機(jī)的應(yīng)用。

   

                        圖七、單軸驅(qū)動(dòng)與雙軸驅(qū)動(dòng)的使用壽命比較

       
                           圖八、JSW雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]

(3) 提升系統(tǒng)響應(yīng)

    采用雙軸驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，由于負(fù)載平均由兩支螺桿來(lái)分擔(dān)，因此既使選用螺桿外徑小一號(hào)的規(guī)格也可以得到優(yōu)于單軸驅(qū)動(dòng)時(shí)的使用壽命，由于螺桿的外徑縮小，且具備兩顆馬達(dá)來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，因此實(shí)際上單顆馬達(dá)所需要的出力會(huì)低于單馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，故馬達(dá)的慣性矩也會(huì)隨著大幅降低，表一為雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用例與單軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用例比較，當(dāng)載重為500kgf、螺桿行程為1200mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣性矩下降52%。由于負(fù)載慣性矩降低了，在同樣的驅(qū)動(dòng)力之下，馬達(dá)可以達(dá)到更高的加速度，整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)也隨著提升。

表一、單軸驅(qū)動(dòng)與雙軸驅(qū)動(dòng)的慣性矩比較

     

雙軸驅(qū)動(dòng)滾珠螺桿所需解決之課題:

    在雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用上，首先會(huì)遭遇到的問(wèn)題便是「如何使雙軸螺桿可以同步驅(qū)動(dòng)?」，雙軸驅(qū)動(dòng)雖然可以帶來(lái)高剛性、高響應(yīng)與大推力的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)異步時(shí)，反而容易造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的提前損壞。一般螺桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是采用半閉回路的控制方式，藉由伺服馬達(dá)上的編碼器來(lái)回饋控制，但由于螺桿本身有導(dǎo)程誤差的問(wèn)題存在，因此載臺(tái)實(shí)際的位移量與馬達(dá)輸出的量會(huì)有些微的差異，通常會(huì)透過(guò)預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)使實(shí)際的移動(dòng)量與輸入的指令吻合。而在雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，兩螺桿的導(dǎo)程誤差量不可能*相同，通過(guò)控制補(bǔ)償?shù)姆绞诫m可以達(dá)到一定程度的同步，但兩螺桿同時(shí)鎖固在載臺(tái)基座上時(shí)，兩配對(duì)螺桿間多少會(huì)有互相拉扯的現(xiàn)象存在，若兩螺桿間的拉扯現(xiàn)象過(guò)大時(shí)，一般的控制補(bǔ)償便無(wú)法*消除系統(tǒng)的不同步現(xiàn)象，進(jìn)而造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

    采用光學(xué)尺即使監(jiān)測(cè)補(bǔ)償?shù)姆绞诫m然的可以有效的消除兩配對(duì)螺桿間的動(dòng)作不同步現(xiàn)象，但相對(duì)的卻會(huì)造成控制成本的提升，大多無(wú)法采用這種方式，因此若能盡可能的消除兩配對(duì)螺桿間的差異，便可以降低控制系統(tǒng)上所需要的成本，同時(shí)也可以降低控制的復(fù)雜性。一般影響到螺桿定位精度的因素有以下點(diǎn)，因此在螺桿的制造上，只要特別控管這幾項(xiàng)因素，便可以降低雙軸驅(qū)動(dòng)時(shí)的不同步性，以下將針對(duì)這幾項(xiàng)因素做更詳細(xì)的討論。

 

    (1) 導(dǎo)程誤差的差異量

    (2) 預(yù)壓扭力的變動(dòng)差異性

    (3) 熱溫升差異量

 

(1) 導(dǎo)程誤差差異量

    根據(jù)上面的討論，于雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用上，即使給于兩驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的指令是相同的，但由于螺桿本身的差異，兩配對(duì)驅(qū)動(dòng)螺桿的實(shí)際進(jìn)給量不可能相同，需要另外透過(guò)同步控制的方式才可以相除兩配對(duì)螺桿間的進(jìn)給差異。于同步控制的應(yīng)用中，大多會(huì)將一軸滾珠螺桿設(shè)為MASTER，而另一軸滾珠螺桿設(shè)為SLAVE，根據(jù)MASTER與SLAVE兩螺桿間的差異量，于SLAVE螺桿的部份施加一速度補(bǔ)正值，藉此達(dá)到速度同步的控制，圖九所示的是西門(mén)子所提出的速度/扭矩耦合之主從控制架構(gòu)，但當(dāng)SLAVE側(cè)的補(bǔ)償值過(guò)大時(shí)，容易造成馬達(dá)的發(fā)熱，馬達(dá)的熱溫升現(xiàn)象會(huì)直接影響到SLAVE螺桿的定位精度，造成同步補(bǔ)償?shù)难舆t，進(jìn)而影響到整體進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖十所示為三菱重工應(yīng)用于全電式射出成型機(jī)的同步控制法測(cè)，于其控制系統(tǒng)中，為了降低補(bǔ)償延遲的問(wèn)題，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的位置同步性、壓力同步性以及速度同步性，比對(duì)三者的差異量，選擇差異量最小的作為補(bǔ)償基準(zhǔn)，藉此降低因補(bǔ)償量過(guò)大造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

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

    

                                圖十、射出成型機(jī)用雙軸同步控制架構(gòu)[5]

根據(jù)上述的討論，若能降低兩螺桿的導(dǎo)程誤差差異性，就可以有效的改善補(bǔ)償延遲的現(xiàn)象發(fā)生，如此便可以大幅的簡(jiǎn)化控制架構(gòu)的復(fù)雜性。圖十一所示為經(jīng)過(guò)配對(duì)控管與未經(jīng)過(guò)配對(duì)控管的C5級(jí)滾珠螺桿導(dǎo)測(cè)結(jié)果比較，A螺桿與未經(jīng)配對(duì)控管B螺桿比較，其在有效牙長(zhǎng)內(nèi)的導(dǎo)程誤差差異量達(dá)40?m，而與經(jīng)過(guò)特別控管的C螺桿差異量則僅有5?m，因此應(yīng)用在雙軸驅(qū)動(dòng)的配對(duì)螺桿，經(jīng)過(guò)特別的控管后，其累績(jī)代表導(dǎo)程的差異量至少可以控制到標(biāo)準(zhǔn)容許公差的1/4以內(nèi)。
 

 

                       圖十一、導(dǎo)程精度相互差檢測(cè)示意圖
 

(2) 預(yù)壓扭力的變動(dòng)差異量

    相較于傳統(tǒng)的艾克母螺桿，滾珠螺桿的摩擦力要小的許多，但一般在應(yīng)用上，為了提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的剛性，會(huì)于螺桿上施加一定程度的預(yù)壓力。相較于軸承機(jī)構(gòu)，滾珠螺桿的傳動(dòng)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(yù)壓力會(huì)隨著螺帽的位置不同而有所變動(dòng)，如圖十二所示。在定位控制系統(tǒng)中，摩擦力的變動(dòng)會(huì)影響到進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度，因此滾珠螺桿預(yù)壓扭力的安定性對(duì)于定位精度相當(dāng)重要。

    

圖十二、滾珠螺感預(yù)壓扭力測(cè)試圖
 

根據(jù)JIS B1192的規(guī)范，精度等級(jí)C5的預(yù)壓扭力容許變動(dòng)量為±35%，因此未經(jīng)過(guò)配對(duì)控管的兩滾珠螺桿，即使皆符合JIS的規(guī)范，其預(yù)壓扭力的差異量可能達(dá)70%的基準(zhǔn)預(yù)壓扭力。可想而知的，在雙軸驅(qū)動(dòng)的情況下，這樣的差異勢(shì)必會(huì)影響到控制系統(tǒng)的定位精度，進(jìn)而造成同步性的惡化。在雙軸驅(qū)動(dòng)用的配對(duì)螺桿控管上，只降低配對(duì)螺桿的預(yù)壓扭力差異量是不夠的，為了提升兩配對(duì)螺桿的相似性，還須要額外要求單支螺桿于有效牙長(zhǎng)內(nèi)的預(yù)壓扭力均勻性，如此于雙軸驅(qū)動(dòng)同步控制中才可以得到較佳的同步性，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，也比較可以確保兩配對(duì)螺桿的差異性不會(huì)有太大的變化。

 

(3) 熱溫升差異量

    螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫升量會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提升而逐漸加大，因此在高速的應(yīng)用下，螺趕熱變位對(duì)于定位精度的影響相當(dāng)明顯。在單軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，通常可以用計(jì)算的方式大約推估螺桿的熱溫升量，如此便可以針對(duì)計(jì)算值作預(yù)先的補(bǔ)償與對(duì)應(yīng)。但在雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于一耦合架構(gòu)，兩螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況會(huì)相互影響，當(dāng)兩配對(duì)螺桿的溫升狀況差異很大時(shí)，進(jìn)給平臺(tái)的真直度會(huì)不斷惡化，進(jìn)而造成溫升狀況的難以估計(jì)，較難透過(guò)預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)改善。

    在雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，熱溫升的控制相當(dāng)重要，要抑制兩螺桿溫升差異的方式是采用強(qiáng)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(xiàn)象，就可以避免額外的摩擦力產(chǎn)生。另外預(yù)壓扭力對(duì)于螺桿溫升也有相當(dāng)程度的影響，兩螺桿的預(yù)壓扭力若差異很大時(shí)，其溫升的現(xiàn)象也勢(shì)必差異很大，熱溫升不同會(huì)致使進(jìn)給平臺(tái)的運(yùn)行真直度惡化，圖十三為特別控管后的配對(duì)螺桿與一般無(wú)配對(duì)螺桿的溫升比較，經(jīng)過(guò)特別的控管才可以有效的改善雙軸驅(qū)動(dòng)的溫升不同步現(xiàn)象。

           

                       圖十三、配對(duì)螺桿與一般螺桿的溫升比較
 

結(jié)語(yǔ):

    過(guò)去雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，大多是采用于高出力的設(shè)計(jì)需求中，但隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷提升，高精度、高負(fù)荷、高生產(chǎn)力的訴求是機(jī)械設(shè)備發(fā)展不變的趨勢(shì)，在高效能的需求下，為提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，加工機(jī)具需要同時(shí)具備有高速與高精度的功能，漸漸的，雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)構(gòu)念也開(kāi)始廣泛的被應(yīng)用在高效能工具機(jī)的設(shè)計(jì)中。

    在雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用上，主要的關(guān)鍵技術(shù)在于如何消除兩配對(duì)螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，雖然透過(guò)電控技術(shù)上的補(bǔ)償可以改善因驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)差異所延伸的問(wèn)題，但若因這樣就忽略驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的管控，容易延伸更多額外的問(wèn)題。因此在雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，配對(duì)螺桿的特性管控相當(dāng)重要，經(jīng)過(guò)控管的配對(duì)螺桿可以有效的改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同步性，使機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)可以使用最少的成本來(lái)達(dá)到的效能。

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                                                     2010年3月3日