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在數(shù)控系統(tǒng)中，多臺電機可以采用同步軸或串聯(lián)軸的方式虛擬為一個數(shù)控坐標(biāo)軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統(tǒng)，同時還介紹了串聯(lián)控制概念以及使用預(yù)加負(fù)荷的方法來消除間隙。
在數(shù)控系統(tǒng)中，有時采用多臺電機聯(lián)動虛擬為一個坐標(biāo)軸，來驅(qū)動機床坐標(biāo)的運動。最常用的多電機驅(qū)動為同步(Synchronous)運動的形式，比如，要求兩臺以相同的速度和位移運動的電機帶動齒輪與齒條嚙合作為一個坐標(biāo)軸運動。這樣的坐標(biāo)軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術(shù)被廣泛應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)中，比如大跨距龍門機床的龍門直線移動、大型三坐標(biāo)測量機的雙柱直線移動，為保持運動的均勻，都需要兩個電機同步驅(qū)動。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時不扭搓工件，在作旋轉(zhuǎn)運動時也必需同步。
圖1 同步軸
除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時的主軸和進給軸必需同步。滾齒機的工作臺的分齒運動與滾刀的運動在滾齒時也必需同步、剛性攻絲的Z軸進給與主軸同步等，但這種同步是指多個電機的運動速度、位移之間成一定的關(guān)系，而不是相等的關(guān)系，對這種同步運動，本文不予討論。
實現(xiàn)同步一般有兩種方法。一是機械同步：同步系統(tǒng)由機械裝置組成。這種同步方法容易實現(xiàn)，但機械傳動鏈復(fù)雜，傳動件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統(tǒng)由控制器、電子調(diào)節(jié)器、功率放大器、伺服電機和機械傳動箱等組成。所需機械傳動鏈簡單、調(diào)試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的電伺服同步功能對不同生產(chǎn)機械的要求可提供不同的配置，實現(xiàn)其同步要求。
在某些情況下，一個伺服電機驅(qū)動機械坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩不夠用，但改用一個更大的伺服電機又嫌體積或慣量過大，於是以兩個伺服電機取代一個伺服電機驅(qū)動機床的坐標(biāo)軸，這種坐標(biāo)軸被稱為串聯(lián)軸，如圖2所示。這樣由於兩個伺服電機以一個恒定的轉(zhuǎn)矩相互作用，或者通過預(yù)加負(fù)荷，在機床內(nèi)部減少間隙。這就是所謂串聯(lián)控制(Tandem Control)，是另一種多電機控制。
圖2 串聯(lián)軸
同步控制的概念
在電伺服同步系統(tǒng)中，“同步”的概念是指系統(tǒng)中具有兩個或兩個以上由電子控制的伺服放大器和伺服電機組成的“控制對象”，其中一個為“主(Master)控制對象”，另外一個或多個為“從(Slave)控制對象”，控制量為機械的位移或速度(對旋轉(zhuǎn)運動為轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速)。通過控制器使“從控制對象”和“主控制對象”的輸出控制量保持一定的嚴(yán)格比例關(guān)系，這種運動系統(tǒng)稱為同步系統(tǒng)。一般同步系統(tǒng)的輸出控制量為位置和速度。前面所提到的“同步軸”，“主控制對象”與“從控制對象”的輸出控制量相等。
為了簡化討論，同步系統(tǒng)中的控制裝置可被簡化為具有一個積分環(huán)節(jié)的位置系統(tǒng)，其框圖如圖3A所示。其中KV為簡化後控制裝置的位置控制器的開環(huán)增益，XC、XO為位置輸入、輸出；FC為速度指令，Δ為位置誤差。KF為速度環(huán)增益，當(dāng)KF》1時，可把速度環(huán)近似為1；於是該控制裝置的開環(huán)增益變?yōu)镵V/S，如圖3B所示。
圖3 簡化的控制裝置框圖
利用圖3的控制裝置可以組成兩種同步系統(tǒng)：
自同步系統(tǒng)(Active Synchronous System)：該控制系統(tǒng)具有兩個相同參數(shù)的控制裝置和驅(qū)動電機，分別驅(qū)動主、從軸。控制器送出指令同時給主控制裝置和從控制裝置，經(jīng)測量同步誤差反饋給從控制裝置的輸入，用來校正同步的誤差，以保證主、從的輸出保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，如圖4A所示。
圖4 兩種同步系統(tǒng)
A)自同步系統(tǒng) B)他同步系統(tǒng)
其中XAMO為自同步系統(tǒng)主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出，由於從控制裝置是數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)，其輸出跟隨輸入變化；也即從控制裝置的輸出可以自動跟隨主控制裝置的輸出變化，故稱它具有自同步能力。用C表示自同步能力：
C＝¶ASO/¶XAMO (1)
他同步系統(tǒng)(Passive Synchronous System)：在同步系統(tǒng)中，由控制器發(fā)出指令提供給主控制裝置，同時也提供給從控制裝置，用同樣的指令控制主從裝置使這兩種控制裝置的輸出同步，如圖4B所示。其中XPMO為他同步系統(tǒng)的主控制裝置的輸出，XPSO為他同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出。這種同步系統(tǒng)如果由於某種原因，比如負(fù)載發(fā)生變化，主控制裝置輸出XPMO發(fā)生變化，從控制裝置的輸出不受控制，所以不能跟隨其變化，即
C＝¶XPSO/¶XPMO＝0 (2)
因此該系統(tǒng)缺乏自同步能力，被稱為他同步系統(tǒng)。
自同步系統(tǒng)主要采用在要求主、從兩軸有自同步能力的機械中，并要求從控制裝置嚴(yán)格跟隨主控制裝置運動。
他同步系統(tǒng)主要應(yīng)用在要求主、從控制裝置的輸出的位置和速度基本相同并且具有較小的誤差的機械。比如大型龍門式雙軸同步的驅(qū)動系統(tǒng)。除了上面提出的自、他同步系統(tǒng)外，還可以由這兩種系統(tǒng)混合組成的混合系統(tǒng)。
FANUC數(shù)控系統(tǒng)具有兩類不同的同步功能：
簡易同步控制(Simple Synchronous Control)：控制器發(fā)出坐標(biāo)軸移動信號送給主、從控制裝置和兩伺服放大器，以控制伺服電機運動。系統(tǒng)不進行同步誤差補償，一般情況下不對同步誤差發(fā)出警報信號。把主、從伺服電機看做一個坐標(biāo)軸的運動。但在手動回零時，主、從伺服電機一起運動一直到減速開始動作，然後分別檢測柵格，分別進行螺距補償和間隙補償。這種簡易同步控制見圖4B，是他同步控制系統(tǒng)，由於系統(tǒng)不進行同步誤差補償，根據(jù)式(2)可知，系統(tǒng)缺乏自同步能力，說明這種控
