CN103925350A - 一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置，现有装置存在结构复杂、制造成本高的问题，本发明的固定板与的基板固连成一体；移动板与所述滚珠丝杆副的LM滑块固连成一体，两台伺服电机分别安装在固定板和移动板上，伺服电机的主轴作为主齿轮运转的驱动轴，通过减速箱与所述的主齿轮中心孔同轴连接。负载齿轮满足与所对应的主齿轮啮合条件，分别与所述的主齿轮外啮合。高精度编码器通过调整座及弹性联轴节分别与所对应的主齿轮的驱动轴耦合，调整座分别固定安装在固定板及移动板上。本发明结构简单，易于维护，高开放性，本发明能够显著提高设备在高速运行状态下的同步精度，以便将同步运动系统应用在工程实际领域中。

Description

一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置

技术领域

本发明涉及一种多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置，特别涉及一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置。 

背景技术

电伺服同步驱动系统已广泛应用于柔性产品的制造过程中，以保证制造设备输出恒定的速度及恒定的张紧度，如在塑料、印刷、包装及造纸等行业中，要求布匹纸张等被加工物在各部分传送时的运行线速度步调一致、张力恒定。电伺服同步驱动系统同时还应用于大负载、长跨度的设备中，以增加设备刚度、缩小总体尺寸，如轨道拖拽、龙门设备、自动升降等系统。这类系统若使用单驱动形式，为保证足够的输出功率，会因此而增大驱动系统的结构尺寸；若采用多驱动形式同步协调传动系统，不仅可以用较小动力驱动大负载，而且还能防止驱动元件因受力不平衡而发生扭转变形。此外，采用多驱动形式的电伺服同步驱动技术，可以构成冗余结构，避免因某个驱动器故障而导致生产的中断。 

伺服同步驱动系统正朝着高性能、高速度、数字化、智能化方向发展。在同步系统中，电机之间的同步协调关系直接影响系统的可靠性和稳定性，因此多电机驱动系统的同步协调控制具有非常重要的现实意义和实用价值。如专利号CN201010561475.X（授权公告号CN101984553A，授权公告日2011年3月9日）公开了电压矢量选择方法及依该方法建立的多电机同步系统，该系统采用电压矢量选择方法，可以很好地解决多电机系统的同步控制性能和快速响应控制性能的问题。采用一个控制器实现基于直接转矩控制技术的多电机同步控制。为实现该系统的同步控制，需要包括的步骤有：检测多电机运行的同步误差、检测定子磁链误差、检测电子转矩误差、检测磁链所在扇区、设计电压矢量开关表。该系统适用于高速、高精度场合中，但结构复杂、制造成本高。又如专利号CN201210178138.1（授权公开号CN102673365A，授权公告日2012年9月19日）公开了采用同步带传动的混合动力电动汽车驱动系统，此系统采用分布的布置形式，比电机集中布置更加灵活，节省安装空间，并可实现全轮驱动、前轮驱动、后轮驱动等多种驱动控制模式，整车性能好，有利于减少汽车簧下质量，成本低，高性能，而且十分适合传统车向新能源汽车的改装，因为只需在为后轮加装二组独立控制、且由同步带减速传动的轮边电驱动系统。但该系统的两个同步电机与负载是通过同步带传递动力的，没有对同步性提出太高要求，只能用在特定场合，限制其在刚性结构上的使用。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置。 

本发明装置采用的技术方案是： 

本发明一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置，包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一减速箱、第二减速箱、第一负载齿轮、第二负载齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一高精度编码器、第二高精度编码器、第一调整座、第二调整座、固定板、移动板、基板、转动扳手、滚珠丝杆、直线导轨和 LM滑块；

所述的基板通过地脚螺栓固定于地面上，基板上固定安装由滚珠丝杆、直线导轨、LM滑块及转动扳手组成的滚珠丝杆副传动模块，固定板与所述的基板固连成一体；移动板与所述滚珠丝杆副传动模块的LM滑块固连成一体，第一伺服电机固定安装在所述的固定板上；第二伺服电机固定安装在所述的移动板上；所述的第一伺服电机作为第一主齿轮运转的驱动轴通过第一减速箱与第一主齿轮中心孔同轴连接，第二伺服电机的主轴作为第二主齿轮运转的驱动轴，通过第二减速箱与第二主齿轮中心孔同轴连接。第一负载齿轮和第二负载齿轮满足分别与第一主齿轮和第二主齿轮的啮合条件，第一高精度编码器通过第一调整座与第一主齿轮的驱动轴耦合，第二高精度编码器通过第二调整座与第二主齿轮的驱动轴耦合，所述的第一调整座和第二调整座分别固定安装在固定板及移动板上。

本发明的有益效果：本发明可作为同步驱动控制实验台，用于电伺服同步驱动系统性能的研究及控制策略的设计；本发明结构简单，易于维护，高开放性，可根据实际情况随时进行周边扩展和组合成其他更高级系统，以便于相关系统的建模与仿真研究；本发明能够显著提高设备在高速运行状态下的同步精度，以便将同步运动系统应用在工程实际领域中。 

附图说明

图1为本发明的一种实施结构示意图，左右两图分别是齿轮分离和啮合示意图； 

图2为本发明的系统基准点原理图； 

图3为本发明的系统逻辑关系图(系统控制原理图)。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详尽的描述。 

如图1所示，本发明一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置，包括第一伺服电机1、第二伺服电机19、第一减速箱2、第二减速箱13、第一负载齿轮3、第二负载齿轮12、第一主齿轮4、第二主齿轮11、第一高精度编码器5、第二高精度编码器9、第一调整座6、第二调整座10、固定板7、移动板8、基板14、转动扳手15、滚珠丝杆16、直线导轨17和 LM滑块18； 

所述的基板14通过地脚螺栓固定于地面上，基板14上固定安装由滚珠丝杆16、直线导轨17、LM滑块18及转动扳手15组成的滚珠丝杆副传动模块，固定板7与所述的基板14固连成一体；移动板8与所述滚珠丝杆副传动模块的LM滑块18固连成一体，第一伺服电机1固定安装在所述的固定板7上；第二伺服电机19固定安装在所述的移动板8上；所述的第一伺服电机1作为第一主齿轮4运转的驱动轴通过第一减速箱2与第一主齿轮4中心孔同轴连接，第二伺服电机19的主轴作为第二主齿轮11运转的驱动轴，通过第二减速箱13与第二主齿轮11中心孔同轴连接。第一负载齿轮3和第二负载齿轮12满足分别与第一主齿轮4和第二主齿轮11的啮合条件，第一高精度编码器5通过第一调整座6与第一主齿轮4的驱动轴耦合，第二高精度编码器9通过第二调整座10与第二主齿轮11的驱动轴耦合，所述的第一调整座6和第二调整座10分别固定安装在固定板7及移动板8上。

第一伺服电机1和第二伺服电机19分别通过第一减速箱2和第二减速箱13驱动主齿轮4和11；主齿轮运转后，可根据实际要求增加或去除负载齿轮3和12；所述的两个负载齿轮负载的大小可分别独立进行调整；缓慢转动扳手15，完成主齿轮4和11的动态渐近啮合动作；高精度编码器5和9的A、B相脉冲，分别用于高频采样主齿轮4和11的转动信息，Z相脉冲提供一个初始的零位信号，用于基准点定位。 

如图2所示，主齿轮4和11正确啮合后，高精度编码器此时输出一个Z相脉冲，作为主齿轮的基准点，代表零位参考位。Z相基准点1为第一主齿轮4的基准点，Z相基准点2为第二主齿轮11的基准点。ω ₁ (t)、 ω ₂  (t)分别为主齿轮4和11的实际角速度。θ为两齿轮Z相基准点的原始偏离角度。设系统启动时，齿轮实际的偏离角度为θ ₁ 。当满足θ ₁ =θ+（n*360/z）时，齿轮能正确啮合；否则控制模块对伺服电机的转速进行同步协调控制，直至两齿轮的角度关系满足θ ₁ 表达式θ ₁ =θ+（n*360/z）。其中z为齿轮的齿数，n为小于齿轮z的整数。 

如图3所示，中央控制器20、数据采集卡组成控制模块，所述的中央控制器20集成有由同步控制算法、基准点定位功能组成的控制策略。第一伺服驱动器21和第二伺服驱动器22分别通过第一伺服电机1和第二伺服电机19自带的编码器模块所反馈的信号高精度定位控制伺服电机，并得到扭矩信息。所述的伺服驱动器分别通过三相电缆及九芯屏蔽电缆与所述的伺服电机的动力端及编码器反馈端相连。第一高精度编码器5和第二高精度编码器9的信号输出端与控制模块连接，其A、B、Z相高速脉冲输出信号通过屏蔽电缆与控制模块的高速计数口相连。控制模块基于高精度编码器的反馈信号协调控制伺服电机、定位系统的原始基准点。 

控制模块首先基于反馈回来的Z相信号，分析齿轮的实际偏离角度，并进行修正，使齿轮偏离角度满足关系式θ ₁ =θ+（n*360/z）。当满足关系式θ ₁ =θ+（n*360/z）且主齿轮分离时，将系统分为不带负载齿轮和带负载齿轮两种情况。 

不带负载齿轮情况下具体工作过程：中央控制器20输出系统的目标速度ω；ω经控制策略的同步算法，输出第一主齿轮4和第二主齿轮11的设定角速度ω ₁及ω ₂；ω ₁、ω ₂经AD转换，输出第一高速脉冲和第二高速脉冲，分别用于驱动两个伺服电机1和19；因齿轮间隙、负载等因素的影响，高精度编码器采样得到两个不同的状态信号，并将其传递给数据采集卡；数据采集卡对反馈回来的两个状态信号高频采样及分析处理，得到两个齿轮的实际运行速度ω ₁ (t)和ω ₂ (t)、主齿轮间的位移差ΔS；控制模块基于同步控制算法，对ΔS、ω进行精确分析处理，再由中央控制器输出齿轮的设定角速度ω ₁和ω ₂；ω ₁和ω ₂再经过AD转换，控制两个伺服电机1和19，从而实时精确协调两个主齿轮的动作。 

利用上位机监视两者的同步运行状态，若两个主齿轮的同步误差ΔS在允许范围内，即能够安全啮合的情况下，此时就缓慢转动扳手15，使主齿轮11慢慢靠近主齿轮4，完成不带负载情况下两个齿轮的动态渐近啮合过程；若上位机显示齿轮的同步误差较大，则关闭系统，对各参数进行调整，如降低转速、更改控制策略和调整驱动器参数。再次启动系统，重复完成上述步骤。 

带负载情况下具体工作过程：与不带负载的工作过程类似，不同的是增加了两个负载齿轮3和12，所述的负载齿轮3和12分别与主齿轮4和11啮合。系统运行时，首先使两个负载齿轮的负载相等，观察其同步性能。当满足同步要求时，就缓慢转动扳手15实现两个主齿轮1和19的动态啮合动作。当同步误差较大时，则调整各参数，重复此步骤。完成相等负载的同步后就分别调节两个负载齿轮，使两个负载不相等，并且逐渐增大两者的负载差，观察其同步性能，最终实现两个主齿轮带动不同负载时的动态渐近啮合动作。 

Claims (1)

1. 一种基于电伺服多齿轮动态渐近啮合同步驱动装置，包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一减速箱、第二减速箱、第一负载齿轮、第二负载齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一高精度编码器、第二高精度编码器、第一调整座、第二调整座、固定板、移动板、基板、转动扳手、滚珠丝杆、直线导轨和 LM滑块；

其特征在于：所述的基板通过地脚螺栓固定于地面上，基板上固定安装由滚珠丝杆、直线导轨、LM滑块及转动扳手组成的滚珠丝杆副传动模块，固定板与所述的基板固连成一体；移动板与所述滚珠丝杆副传动模块的LM滑块固连成一体，第一伺服电机固定安装在所述的固定板上；第二伺服电机固定安装在所述的移动板上；所述的第一伺服电机作为第一主齿轮运转的驱动轴通过第一减速箱与第一主齿轮中心孔同轴连接，第二伺服电机的主轴作为第二主齿轮运转的驱动轴，通过第二减速箱与第二主齿轮中心孔同轴连接；第一负载齿轮和第二负载齿轮满足分别与第一主齿轮和第二主齿轮的啮合条件，第一高精度编码器通过第一调整座与第一主齿轮的驱动轴耦合，第二高精度编码器通过第二调整座与第二主齿轮的驱动轴耦合，所述的第一调整座和第二调整座分别固定安装在固定板及移动板上。