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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(guó)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(tái)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(huì)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(huì)造成載臺(tái)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(tái)的空間設(shè)計(jì)(如主軸馬達(dá)的配置空間考慮等),使載臺(tái)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(duì)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)??偫壳半p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(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(tái)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(tái)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(huì)設(shè)置于鞍座的中間正下方位置,主要是會(huì)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(tái)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(tái)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(tái)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(huì)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(tái)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(duì)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(duì)于載臺(tái)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(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(zhǎng)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(duì)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(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(huì)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(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(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(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(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)過配對(duì)控管與未經(jīng)過配對(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(duì)螺桿,經(jīng)過特別的控管后,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)壓扭力的差異量最大可能達(dá)70%的基準(zhǔn)預(yù)壓扭力??上攵模陔p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??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(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(jiǎn)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(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)螺桿與一般無配對(duì)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(duì)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(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(duì)螺桿的特性管控相當(dāng)重要,經(jīng)過控管的配對(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達(dá)到最佳的效能。




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