一种采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制装置与方法与流程

1.本发明涉及传动系统的机械间隙调控技术领域，特别涉及一种采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制装置与方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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：201811220445.5的中国专利文献公开了一种消除齿轮间隙的控制方法及装置装置。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。
6.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：201811294421.4的中国专利文献公开了一种控制间隙的酸法。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。
7.总体而言，现有专利方法过于简陋，仅适用于特定应用场合，通用性差，性能差。


技术实现要素：

8.本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制装置与方法。
9.本发明是通过如下技术方案实现的：
10.一种采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制装置，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。
11.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。
12.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。
13.一种采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制方法，包括以下步骤：
14.s100进行启动；
15.s200读取电机编码器和负载编码器数值；
16.s300计算主动部件和从动部件的速度，根据电机编码器和负载编码器数值所提供的的信息计算主动部件的速度ωd和从动部件的速度ω
l
；
17.s400计算间隙给定速度ω1；
18.s500根据速度判断是否处于接触状态，根据主动部件旋转速度ωd和从动部件旋转速度为ω
l
之间的速度差ωb判断主动轮和从动轮是否处于接触状态；
19.s600选择速度给定ω2，接触状态下选择原始速度给定值，在间隙状态下，选择间隙速度给定值，即
[0020][0021]
s700按照速度给定对电机进行控制。
[0022]
所述步骤s400计算间隙给定速度ω1的具体计算方法为
[0023][0024]
其中ω0是整个传动机构原始速度给定值，ω1是间隙状态下速度给定值，ωm是间隙速度最大值，恒为正值。
[0025]
所述s500根据速度判断是否处于接触状态具体过程为
[0026]
s501设定速度阈值ω
t
；
[0027]
s502主动部件旋转速度ωd和从动部件旋转速度为ω
l
之间的速度差ωb，即ωb＝ω
d-ω
l
；
[0028]
s503比较判断，
[0029][0030]
所述主动部件与从动部件间的传动比为r，所述从动部件的实际转速为ωg，所述ω
l
＝r
·
ωg。
[0031]
所述ωm取额定转速的5％-10％。
[0032]
所述ω
t
取取额定速度的5％。
[0033]
本发明具有以下有益技术效果：
[0034]
1.本发明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参数，计算其速度，从而能够根据相对速度迅速判断传动机构的间隙和接触状态。
[0035]
2.本法明的方法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。
[0036]
3.通过减小间隙冲击，本方法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
[0037]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0038]
附图1为本发明的隙速度限制装置结构示意图。
[0039]
附图2为含间隙传动机构示意图。
[0040]
附图3为本发明的方法流程图。
[0041]
附图4为本发明在伺服压力机中的实施例示意图。
[0042]
附图5为采用本发明方法时的速度过渡曲线
[0043]
附图6为采用本发明方法时的速度过渡曲线
具体实施方式
[0044]
本发明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。
[0045]
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。
[0046]
附图3为本发明的方法流程示意图，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，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数据，计算主动轴和从动轴的速度，并判断间隙状态。同时根据原始速度给定、间隙位置和负载速度计算间隙速度给定。随后，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较低的相对速度越过间隙状态。
[0047]
下面结合附图1至附图3对采用传动机构间隙速度限制的冲击抑制方法做详细介绍。
[0048]
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。当主动轮静止不动时，从动轮可以在间隙角范围内自由转动，此时传动机构处于间隙状态；当从动轮在正反两个方向上达到能够旋转的极限位置时，传动机构处于接触状态，正反两个接触位置分别为正接触状态和负接触状态。实际上，当主动轮和从动轮都旋转时，二者之
间也可按照上述相对关系分别处于间隙状态和接触状态。
[0049]
s100进行启动。
[0050]
s200读取电机编码器和负载编码器数值。
[0051]
s300计算电机和负载速度，即传动机构中的主动轮速度ωd和从动轮速度ω
l
，通过对主动轮速度和从动轮速度的转动角度进行微分求得。
[0052]
s400计算间隙给定速度，由速度限制模块计算并发送给速度选择模块。
[0053]
间隙速度给定值根据原始速度给定值和实际负载转速值确定，间隙速度给定值为
[0054][0055]
其中，ω0是整个传动机构原始速度给定值，ω1是间隙状态下速度给定值，ωm是间隙速度最大允许值，根据实际设备确定，ωm可先取额定转速的5％-10％，然后通过调试确定。总体而言，此值越大，冲击越大，但过渡过程越快；此值越小，冲击越小，但过渡过程越慢。
[0056]
速度限制模块计算并发送给速度选择模块。
[0057]
s500间隙判断模块根据速度判断是否处于接触状态。根据主动轴旋转速度ωd和从动轴旋转速度为ω
l
之间的速度差ωb判断主动轮和从动轮是否处于接触状态。
[0058]
主动轮与从动轮之间的速度差ωb＝ω
d-ω
l
，主动轮与从动轮互相接触时(即传动机构处于接触状态)，主动轮和从动轮同步旋转，二者速度差等于零。当主动轮和从动轮从一个接触面转换到另外一个接触面的过程中(即传动机构处于间隙状态)，二者速度差不等于零。因此，通过测量主动轮和从动轮之间的速度差即可知道传动机构处于接触状态还是间隙状态。
[0059]
为了判断速度差是否为零，现定义一个速度阈值ω
t
，可取额定速度的5％左右，并应小于ωm。若速度差小于此阈值，则认为传动机构处于接触状态，否则为间隙状态，即
[0060][0061]
即整个判断过程包括s501设定阈值ω
t
；s502计算主动轴旋转速度ωd和从动轴旋转速度为ω
l
之间的速度差ωb；s503进行比较判断。
[0062]
s600选择速度给定。
[0063]
若控制器判断传动机构处于间隙状态，则可通过控制电机运行，使得主动轮与从动轮之间的实际速度差的绝对值小于ωm，从而使得传动机构从间隙状态回到接触状态时，主动轮和从动轮碰撞的相对速度不超过，也就是选用间隙速度给定；若控制器判断传动机构处于接触状态，速度控制器以原始速度给定值ω0控制电机旋转；即电机的实际运行速度
[0064][0065]
s700按照速度给定对电机进行控制，速度选择模块将选择好的速度给定发送给速度控制模块，然后速度控制模块通过驱动器控制电机运行。
[0066]
正常运行过程中不断重复运行步骤s200-s700。
[0067]
附图4至附图6为本发明的一种具体实施例，该实施例提供了一种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。
[0068]
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，必须将大齿轮轴的速度乘以传动比r换算到电机轴。为此，定义大齿轮轴速度为ωg，则ω
l
＝r
·
ωg。此后可利用前述各个公式进行计算。
[0069]
附图5和6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2度。模型施加速度阶跃命令：在时间t＝1秒前给定-20rad/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ωd和间隙速度ωb的曲线。
[0070]
附图5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(主动轴曲线)，主动轮越过间隙后在约1.008秒时到达从动轮正接触面，以18rad/s的速度发生碰撞，并产生抖动(相对速度即间隙速度曲线)。
[0071]
附图6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。在间隙状态中，电机速度没有迅速增大(主动轴曲线)，而是保持主动轮与从动轮之间的相对转速在预先设置的2rad/s范围内，约1.036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，抖动轻微(相对速度即间隙速度曲线)。
[0072]
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11％，撞击能量降低为未采用此方法的1.2％。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。
[0073]
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。