HIWIN上銀雙螺母滾珠絲杠同步驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用
工具機(jī)的技術(shù)水平已經(jīng)為國家生產(chǎn)力和工業(yè)實(shí)力的重要指標(biāo)。在工具機(jī)的發(fā)展中，為提升加工系統(tǒng)的產(chǎn)能與加工質(zhì)量，高速與高精度為成為關(guān)鍵，如何提升加工速度與加工精度已成為工具機(jī)發(fā)展的重要課題。提升工具機(jī)加工的生產(chǎn)效率，就必須要在有限的行程內(nèi)提高速度，但隨著速度的提升，驅(qū)動(dòng)工作平臺或者主軸的驅(qū)動(dòng)力也必然隨著增大，在高速進(jìn)給時(shí)，瞬間的驅(qū)動(dòng)力很容易引起振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，一旦加工過程中有振動(dòng)產(chǎn)生，便會導(dǎo)致加工精度的降低，進(jìn)而影響到工件的加工質(zhì)量，因此往往無法同時(shí)兼顧高速度與高精度的需求，要求加工精度的同時(shí)就無法提升加工速度。
工具機(jī)瞬間加減速時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象，起因主要來自于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性及慣性匹配不佳所致，因此只要加強(qiáng)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性就可以有效的減少高速進(jìn)給時(shí)所引起的振動(dòng)。當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性增加時(shí)，往往會造成載臺基座的質(zhì)量增加，進(jìn)給系統(tǒng)的質(zhì)量越大時(shí)，所需要的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力就必須相應(yīng)加大，由于受限于機(jī)臺的空間設(shè)計(jì)(如主軸馬達(dá)的配置空間考慮等)，使載臺基座的質(zhì)量受到限制。
由于上述的各項(xiàng)因素，工具機(jī)在驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)上逐漸開始采用雙螺桿的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，此方式不但可以增加進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性，還可以減少因驅(qū)動(dòng)力偏心所引起的力矩影響，雙馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式，除了可加強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力外，也可提升系統(tǒng)的應(yīng)答速度。
雙軸同步驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):
雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用通常是為了得到較大的負(fù)載能力或者針對大跨距的載卸系統(tǒng)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(guān)技術(shù)的發(fā)展，工具機(jī)需求的速度與精度不斷提升，雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)也開始應(yīng)用于高速的加工中心上，用以抑制因高速進(jìn)給時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。總括目前雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，以下將針對各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)做更詳細(xì)的討論。
(1) 抑制高速時(shí)的振動(dòng)
(2) 提高系統(tǒng)剛性，延長螺桿使用壽命
(3) 提升系統(tǒng)響應(yīng)
(1) 抑制高加減速時(shí)的振動(dòng)
如同前述所提的，于高速的應(yīng)用下若要降低高加減速所引起的振動(dòng)現(xiàn)象，提升進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性是最簡易的解決方法，但由于往往受限于整體設(shè)計(jì)的零件與電控配置限制，使得載臺基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限。一般常見的工具機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)配置如圖一所示，X軸的載臺設(shè)置于Y軸的鞍座上，由X軸與Y軸的連動(dòng)來帶動(dòng)工件移動(dòng)。于配置上，Y軸的螺桿會設(shè)置于鞍座的中間正下方位置，主要是會了避免驅(qū)動(dòng)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(dāng)X軸上載臺的位置位于Y軸上鞍座的中間位置正上方時(shí)確實(shí)可以有效的降低偏心的影響，但當(dāng)X軸上的載臺移動(dòng)到兩端時(shí)，此時(shí)整體系統(tǒng)的質(zhì)量中心位置便隨著載臺的移動(dòng)而偏向其移動(dòng)的方向，此時(shí)Y軸的驅(qū)動(dòng)力便無法作用于系統(tǒng)的質(zhì)量中心上，偏心力所產(chǎn)生的力矩便會影響到進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖一、工具機(jī)X、Y定位載臺的設(shè)計(jì)架構(gòu)[1]
圖二、滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
針對此問題，日本工具機(jī)廠森精機(jī)率先提出重心驅(qū)動(dòng)(Drive at the center of gravity)的應(yīng)用概念，透過雙滾珠螺桿同步驅(qū)動(dòng)的方式，使驅(qū)動(dòng)力作用于整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的質(zhì)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(chǎn)生的力矩并不大，因此只要盡可能的使?jié)L珠螺桿的驅(qū)動(dòng)力與重心位于同一水平面上便可以有效的抑制其振動(dòng)現(xiàn)象。
圖三、NV4000 DCG雙軸驅(qū)動(dòng)配制示意圖[2]
根據(jù)森精機(jī)所提出的測試結(jié)果，如圖四所示，令X、Y載臺運(yùn)行一矩形的行進(jìn)軌跡，當(dāng)載臺只有于X軸上移動(dòng)時(shí)(矩形的長邊)，單軸驅(qū)動(dòng)與雙軸驅(qū)動(dòng)結(jié)果的比較并無明顯的差異，但當(dāng)Y軸開始驅(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]
(2) 提高系統(tǒng)剛性，延長螺桿使用壽命
加工中心在模具加工的應(yīng)用上，在曲面加工時(shí)，加工的軌跡是由無數(shù)的小線段所構(gòu)成，如圖五所示，加工的過程中，刀具必須不斷的轉(zhuǎn)換方向，在這些轉(zhuǎn)彎的過程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要提供較大的加速度來改變刀具的行進(jìn)方向。隨著加速度的提升，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)力也相對提升，此時(shí)若進(jìn)給系統(tǒng)的剛性不足時(shí)，就容易于轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生過沖的問題。
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
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分擔(dān)，因此既使選用螺桿外徑小一號的規(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、螺桿最大行程為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，首先會遭遇到的問題便是「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)上的編碼器來回饋控制，但由于螺桿本身有導(dǎo)程誤差的問題存在，因此載臺實(shí)際的位移量與馬達(dá)輸出的量會有些微的差異，通常會透過預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞絹硎箤?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)程誤差量不可能完全相同，通過控制補(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)鎖固在載臺基座上時(shí)，兩配對螺桿間多少會有互相拉扯的現(xiàn)象存在，若兩螺桿間的拉扯現(xiàn)象過大時(shí)，一般的控制補(bǔ)償便無法完全消除系統(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)測補(bǔ)償?shù)姆绞诫m然的可以有效的消除兩配對螺桿間的動(dòng)作不同步現(xiàn)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(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，需要另外透過同步控制的方式才可以相除兩配對螺桿間的進(jìn)給差異。于同步控制的應(yīng)用中，大多會將一軸滾珠螺桿設(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，于其控制系統(tǒng)中，為了降低補(bǔ)償延遲的問題，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化控制架構(gòu)的復(fù)雜性。圖十一所示為經(jīng)過配對控管與未經(jīng)過配對控管的C5級滾珠螺桿導(dǎo)測結(jié)果比較，A螺桿與未經(jīng)配對控管B螺桿比較，其在有效牙長內(nèi)的最大導(dǎo)程誤差差異量達(dá)40?m，而與經(jīng)過特別控管的C螺桿差異量則僅有5?m，因此應(yīng)用在雙軸驅(qū)動(dòng)的配對螺桿，經(jīng)過特別的控管后，其累績代表導(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)壓扭力的安定性對于定位精度相當(dāng)重要。
圖十二、滾珠螺感預(yù)壓扭力測試圖
根據(jù)JIS B1192的規(guī)范，精度等級C5的預(yù)壓扭力容許變動(dòng)量為±35%，因此未經(jīng)過配對控管的兩滾珠螺桿，即使皆符合JIS的規(guī)范，其預(yù)壓扭力的差異量最大可能達(dá)70%的基準(zhǔn)預(yù)壓扭力?？上攵?，在雙軸驅(qū)動(dòng)的情況下，這樣的差異勢必會影響到控制系統(tǒng)的定位精度，進(jìn)而造成同步性的惡化。在雙軸驅(qū)動(dòng)用的配對螺桿控管上，只降低配對螺桿的預(yù)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(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)過一段時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫升量會隨著轉(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?？梢杂糜?jì)算的方式大約推估螺桿的熱溫升量，如此便可以針對計(jì)算值作預(yù)先的補(bǔ)償與對應(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)狀況會相互影響，當(dāng)兩配對螺桿的溫升狀況差異很大時(shí)，進(jìn)給平臺的真直度會不斷惡化，進(jìn)而造成溫升狀況的難以估計(jì)，較難透過預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞絹砀纳啤?/span>
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最簡單的方式是采用強(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)象也勢必差異很大，熱溫升不同會致使進(jìn)給平臺的運(yùn)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(jīng)過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、配對螺桿與一般螺桿的溫升比較
結(jié)語:
過去雙軸驅(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)力的訴求是全球機(jī)械設(shè)備發(fā)展不變的趨勢，在高效能的需求下，為提升產(chǎn)品的競爭力，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螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，雖然透過電控技術(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題。因此在雙軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，配對螺桿的特性管控相當(dāng)重要，經(jīng)過控管的配對螺桿可以有效的改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同步性，使機(jī)臺設(shè)計(jì)可以使用最少的成本來達(dá)到最佳的效能。
