圖三、NV4000 DCG雙軸驅(qū)動配制示意圖[2]

根據(jù)森精機所提出的測試結(jié)果，如圖四所示，令X、Y載臺運行一矩形的行進軌跡，當載臺只有于X軸上移動時(矩形的長邊)，單軸驅(qū)動與雙軸驅(qū)動結(jié)果的比較并無明顯的差異，但當Y軸開始驅(qū)動時(矩形的短邊)，相較于傳統(tǒng)的單軸驅(qū)動方式，雙軸驅(qū)動的振動現(xiàn)象有明顯的改善。

             
                  圖四、雙軸驅(qū)動與單軸驅(qū)動的實驗結(jié)果比較[1]

                           
                             圖五、曲線加工軌跡示意圖

 

驅(qū)動系統(tǒng)在軸向上的剛性主要來自于傳動動力用的滾珠螺桿，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，但在機臺設(shè)計的空間限制下，螺桿可選用的外徑大小受到了限制。采用雙軸驅(qū)動的設(shè)計，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)動的應(yīng)用中，由于軸方向上的負載是由兩支滾珠螺桿平均分擔，因此施加于每支螺桿上的負載約為單軸驅(qū)動時的一半，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時的3.7倍。為了達到更大的出力與更高的使用壽命，這樣的設(shè)計被應(yīng)用于全電式射出成型機的射出軸上，圖八所示為JSW的大型全電式射出成型機的應(yīng)用。

    

                        圖七、單軸驅(qū)動與雙軸驅(qū)動的使用壽命比較

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

(3) 提升系統(tǒng)響應(yīng)

    采用雙軸驅(qū)動的架構(gòu)設(shè)計，由于負載平均由兩支螺桿來分擔，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)動時的使用壽命，由于螺桿的外徑縮小，且具備兩顆馬達來同時驅(qū)動，因此實際上單顆馬達所需要的出力會低于單馬達驅(qū)動的設(shè)計，故馬達的慣性矩也會隨著大幅降低，表一為雙軸驅(qū)動的應(yīng)用例與單軸驅(qū)動的應(yīng)用例比較，當載重為500kgf、螺桿最大行程為1200mm時，驅(qū)動系統(tǒng)的慣性矩下降52%。由于負載慣性矩降低了，在同樣的驅(qū)動力之下，馬達可以達到更高的加速度，整體驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)也隨著提升。

表一、單軸驅(qū)動與雙軸驅(qū)動的慣性矩比較

     

雙軸驅(qū)動滾珠螺桿所需解決之課題:

    在雙軸驅(qū)動的應(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?」，雙軸驅(qū)動雖然可以帶來高剛性、高響應(yīng)與大推力的優(yōu)點，但當兩驅(qū)動系統(tǒng)異步時，反而容易造成傳動機構(gòu)的提前損壞。一般螺桿驅(qū)動系統(tǒng)都是采用半閉回路的控制方式，藉由伺服馬達上的編碼器來回饋控制，但由于螺桿本身有導程誤差的問題存在，因此載臺實際的位移量與馬達輸出的量會有些微的差異，通常會透過預(yù)先補償?shù)姆绞絹硎箤嶋H的移動量與輸入的指令吻合。而在雙軸驅(qū)動的應(yīng)用中，兩螺桿的導程誤差量不可能完全相同，通過控制補償?shù)姆绞诫m可以達到一定程度的同步，但兩螺桿同時鎖固在載臺基座上時，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，一般的控制補償便無法完全消除系統(tǒng)的不同步現(xiàn)象，進而造成驅(qū)動系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

    采用光學尺即使監(jiān)測補償?shù)姆绞诫m然的可以有效的消除兩配對螺桿間的動作不同步現(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，因此在螺桿的制造上，只要特別控管這幾項因素，便可以降低雙軸驅(qū)動時的不同步性，以下將針對這幾項因素做更詳細的討論。

 

    (1) 導程誤差的差異量

    (2) 預(yù)壓扭力的變動差異性

    (3) 熱溫升差異量

 

(1) 導程誤差差異量

    根據(jù)上面的討論，于雙軸驅(qū)動的應(yīng)用上，即使給于兩驅(qū)動馬達的指令是相同的，但由于螺桿本身的差異，兩配對驅(qū)動螺桿的實際進給量不可能相同，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正值，藉此達到速度同步的控制，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SLAVE側(cè)的補償值過大時，容易造成馬達的發(fā)熱，馬達的熱溫升現(xiàn)象會直接影響到SLAVE螺桿的定位精度，造成同步補償?shù)难舆t，進而影響到整體進給系統(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的同步控制法測，于其控制系統(tǒng)中，為了降低補償延遲的問題，同時監(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償基準，藉此降低因補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程誤差差異性，就可以有效的改善補償延遲的現(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)的最大導程誤差差異量達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)動的配對螺桿，經(jīng)過特別的控管后，其累績代表導程的差異量至少可以控制到標準容許公差的1/4以內(nèi)。

                       圖十一、導程精度相互差檢測示意圖

(2) 預(yù)壓扭力的變動差異量

    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。相較于軸承機構(gòu)，滾珠螺桿的傳動軌道為一螺旋軌道，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，如圖十二所示。在定位控制系統(tǒng)中，摩擦力的變動會影響到進給系統(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70%的基準預(yù)壓扭力。可想而知的，在雙軸驅(qū)動的情況下，這樣的差異勢必會影響到控制系統(tǒng)的定位精度，進而造成同步性的惡化。在雙軸驅(qū)動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)動同步控制中才可以得到較佳的同步性，在經(jīng)過一段時間的使用后，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

    螺桿運轉(zhuǎn)時的溫升量會隨著轉(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明顯。在單軸驅(qū)動的應(yīng)用中，通常可以用計算的方式大約推估螺桿的熱溫升量，如此便可以針對計算值作預(yù)先的補償與對應(yīng)。但在雙軸驅(qū)動的應(yīng)用中，驅(qū)動系統(tǒng)屬于一耦合架構(gòu)，兩螺桿的運轉(zhuǎn)狀況會相互影響，當兩配對螺桿的溫升狀況差異很大時，進給平臺的真直度會不斷惡化，進而造成溫升狀況的難以估計，較難透過預(yù)先補償?shù)姆绞絹砀纳啤?

    在雙軸驅(qū)動的設(shè)計中，熱溫升的控制相當重要，要抑制兩螺桿溫升差異最簡單的方式是采用強制的螺桿中空冷卻，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程度的影響，兩螺桿的預(yù)壓扭力若差異很大時，其溫升的現(xiàn)象也勢必差異很大，熱溫升不同會致使進給平臺的運行真直度惡化，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)動的設(shè)計，大多是采用于高出力的設(shè)計需求中，但隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷提升，高精度、高負荷、高生產(chǎn)力的訴求是全球機械設(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，加工機具需要同時具備有高速與高精度的功能，漸漸的，雙軸驅(qū)動的設(shè)計構(gòu)念也開始廣泛的被應(yīng)用在高效能工具機的設(shè)計中。