компенсация люфта в зубчатой передаче
Анализ устройств для контроля и регулирования величины зазора в зубчатой механи-ческой передаче
Е.С. Долгих, М.В. Корняков
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет
Одним из проблемных вопросов, касающихся продления рабочего ресурса зубчатых механических передач, является вопрос компенсации зазора (люфта). Люфтом называется зазор, при наличии которого элементы механизма могут перемещаться в небольших пределах, не взаимодействуя друг с другом. Как бы качественно не была изготовлена механическая передача, люфт в ней всё равно будет присутствовать. В процессе работы зубья колес ударяются и трутся друг о друга, что со временем приведет к еще большему увеличению зазора. При режимах пуска, реверса и торможения происходят быстрые переходы через зазор, что вызывает удары. Степень ударов зависит от момента инерции двигателя и скорости, которую он наберет за время прохождения через зазор, а также от момента нагрузки на выходном валу редуктора.
В зависимости от числа передач существуют одноступенчатые и многоступенчатые типы редукторов. У многоступенчатых редукторов степень влияния люфта на надежность работы зубчатой передачи будет больше, чем у одноступенчатых. Одноступенчатые редукторы имеют всего одну пару взаимодействующих колес, люфт между которыми незначителен. У многоступенчатых редукторов, по мере увеличения числа передач, суммарный люфт становиться больше за счет увеличения количества взаимодействующих зубчатых пар. Кроме того, что многоступенчатые редукторы обладают большей величиной люфта, они ещё имеют больший момент нагрузки на выходном валу. Это объясняется тем, что увеличением числа ступеней преследуется цель повышения крутящего момента на выходном валу, а высокий крутящий момент необходим для преодоления большого момента нагрузки. Таким образом, наличие у многоступенчатых редукторов большего влияния перечисленных факторов делает их менее надежными.
Наиболее эффективным с точки зрения обеспечения регулирования и поддержания минимальных динамических нагрузок в зубчатых передачах является применение электромеханических способов компенсации зазора. Основной проблемой для реализации данных способов является организация системы контроля величины и напряжений в элементах зубчатой передачи для построения автоматической системы регулирования и поддержания минимальных динамических нагрузок.
Известен способ [1] компенсации зазора в механической передаче однодвигательного привода при помощи системы управления с датчиком зазора. Способ реализует устройство для управления пуском редукторного электропривода. Устройство позволяет осуществить пуск двигателя с минимальным крутящим моментом при наличии зазора. Датчик зазора в этом устройстве определяет момент времени, когда зазор пройден, и по этим данным дает сигнал системе управления для повышения крутящего момента двигателя. Одним из возможных мест установки такого датчика является подшипниковый узел выходного вала редуктора, на который при наличии косозубых шестерен возникает давление перпендикулярно направленное оси вала(на рисунке изображена кинематическая схема редуктора с косозубыми шестернями). До зацепления зубьев величина давления на подшипниковый узел равна нулю, а после зацепления происходит её увеличение. Величина этого давления пропорциональна моменту на выходном валу. В качестве датчика зазора применяется упругий механический элемент, на котором закреплён тензометрический датчик, а роль упругого элемента выполняет плоская пружина.
Кинематическая схема редуктора с косозубыми шестернями
При наличии зазора величина давления на подшипниковый узел будет равна нулю и сигнал с датчика будет нулевым. После того, как все шестерни редуктора перейдут зазор, на выходном валу появится крутящий момент, это приведет к повышению давления на подшипниковый узел, датчик начнёт передавать сигнал в систему управления для большего повышения крутящего момента двигателя. Данный способ позволяет осуществить процесс запуска без удара и оптимально уменьшить время пуска.
Описанное устройство решает проблему компенсации зазора только частично, так как при торможении и реверсе зазор не компенсируется. Известно устройство [2] для управления электроприводом, позволяющее осуществить плавный выбор зазора при пуске, реверсе и торможении. При разгонах и торможениях формирование сигналов управления электродвигателем происходит совместно по двум управляющим каналам. По первому каналу регулируется главный сигнал задания, а по второму – величина коэффициента усиления. Главный сигнал задания формируется из суммы сигналов задания скорости, величина которого регулируется командоконтроллером, и сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, а величина коэффициента усиления изменяется пропорционально разности этих значений. При пуске коэффициент усиления увеличивается до порогового значения, после чего его значение остается постоянным и управление скоростью электродвигателя происходит только по первому каналу. При торможении за счёт уменьшения не только сигнала задания скорости, но и напряжения отрицательной обратной связи по напряжению, интенсивность уменьшения коэффициента усиления протекает быстрее, чем его увеличение при пуске, поэтому торможение двигателя происходит при низком тормозном моменте. Для того, чтобы дальнейший процесс торможения проходил более эффективно, управление коэффициентом усиления осуществляется от источника постоянного сигнала, который включается при установке командоконтроллера в нулевое положение. Такой способ регулирования позволяет снизить тормозные и пусковые моменты двигателя, тем самым ограничить ударную нагрузку после перехода через зазор.
Кроме того, имеются способы компенсации зазора, осуществляемые применением двухдвигательного электропривода. Эти способы основаны на управлении движением общей массы (рабочий орган) по принципу электромеханического распора. Его применение возможно только для двухдвигательного привода, так как электромеханический распор осуществим при работе с разными моментами двух приводных двигателей, работающих на один зубчатый венец или зубчатую рейку. То есть, один из двигателей работает в двигательном, а другой – в тормозном режимах. В момент изменения направления общего рабочего органа, функции двигателей меняются, благодаря чему движение происходит без перехода через люфт.
Постоянный электромеханический распор исключает возникновение люфта, но работа одного из двигателей в тормозном режиме вызывает дополнительные потери электроэнергии и увеличивает нагрузки, приводящие к большему износу [3]. Поэтому система управления должна обеспечивать распор только тогда, когда повышается вероятность перехода через зазор, а именно – при режимах пуска реверса и торможения.
Это учитывается в способе [3], где формирование распора происходит при условии, если момент нагрузки на валу ведущего двигателя меньше суммарного момента трения, приведенного к нему. Если же это значение момента нагрузки превысит значение момента трения, то второй тормозной двигатель пройдет через зазор и примет на себя часть нагрузки.
Также имеется способ, обеспечивающий распор при значении момента нагрузки меньше половины максимального. Однако и здесь имеются свои недостатки. При выходе значений скорости и нагрузочного момента общей массы за пределы установленного диапазона, происходит раскрытие зазоров передач, возникают колебательные процессы в электрической и механической частях электропривода, что приводит к повышенному износу, снижению надежности системы и ухудшению качества управления движением рабочего органа. При наличии упругих звеньев в кинематических передачах, ухудшение показателей качества и надежности становится более значительным.
Устранение проблем, перечисленных выше, осложняется тем, что параметры двигателей могут различаться. Хотя они могут иметь одинаковые каталожные данные, но при их производстве может иметь место, так называемый, технологический разброс параметров. Из-за этого возможно возникновение неравномерного распределения нагрузки между двумя двигателями.
Эти особенности учитывает следующий способ [4], основанный на разделении управляющих воздействий на основные и дополнительные. На каждый привод по координатам полного вектора его состояния и интегральной составляющей момента упругости кинематической передачи формируются дополнительные управляющие воздействия, а основные управляющие воздействия формируются в зависимости от суммы моментов упругости кинематических передач и от координат общей массы. То, что формирование дополнительных управляющих воздействий осуществляется на каждый привод по отдельности, позволяет скомпенсировать разброс параметров двигателей. Кроме того, темп дополнительных управляющих воздействий устанавливается выше темпа основных.
В данной системе удается компенсировать различия электромеханических параметров первого и второго электроприводов. При разных величинах зазора в редукторах и моментах инерции обеспечивается точность регулирования приводов и компенсация зазора.
Недостатком этого варианта является высокая стоимость его технической реализации.
На основании проведенного анализа достоинств и недостатков способов компенсации зазора, можно сделать следующий вывод, что современные системы управления электроприводом должны:
— обладать устройством, точно определяющим наличие зазора;
— компенсировать зазор, оптимально не снижая эффективность работы электропривода;
— учитывать возможные отклонения паспортных данных двигателей и различия упругостей механических передач (для двухдвигательного привода);
— иметь недорогую техническую реализацию.
Список литературы
Пат. № 2314633, Российская Федерация, МПК, H02P1/20, B60L15/04. Устройство для управления редукторного электропривода/ Д.В. Волков, Ю.П. Сташинов; заявитель и патентообладатель Южно-Российский Государственный техн. ун-т. № 2006119251/09; заявл 01.06.2006; опубл 10.01.2008.
А.с. № 1461839, СССР, МПК 4, E02F9/20. Устройство для управления электродвигателем механизма поворота карьерного экскаватора/ Р.С. Кишко, В.И. Мороз, Б.Г. Бойчук, Л.И. Кунин., Б.В. Ольховиков, В.В. Березин заявитель и патентообладатель Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола. № 4095483; заявл. 15.07.1986; опубл. 28.02.1989.
А.с. № 1577054, СССР, МПК5, H02P5/46, H02P7/68. Устройство для управления двухдвигательным электроприводом/ В.В. Новиков, Б.В. Панкратов, В.К. Ширяев; заявитель и патентообладатель Предприятие п/я Р-6896. № 4412770; заявл. 18.04.1988; опубл. 07.07.1990.
Пат. № 2316886, Российская Федерация, МПК, H02P5/46, H02P5/69. Способ управления взаимосвязанными приводами (Варианты)/ С.В. Тарарыкин, В.А. Иванков, В.В. Тютиков, Е.В. Красильникъянц; заявитель и патентообладатель Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина. № 2006114515/09; заявл. 27.04.2006; опубл. 10.02.2008.
Устраение люфта на зубчатой рейке
на станочке ZEON (поставщик ЗЕНОН), стол 1300х2500, на осьи Y установлено два шаговых двигателя, причем при движении портала по оси Y возникает звук (хрустящий или кря-кря), причем возникает не на всем протяжении рельса а на некоторых участках. Иногда создается впечатление что один из двигателей за другим не поспевает немного.
Если портал рукой покачать по оси У то появляется стучок между шестернью и рейкой
поставщик предложил выставить портал в 0 и отпустить крепления ШД, птом выставить ШД обратно и затянуть с оговоркой что если перетянуть крепления то на ШД может увеличится нагрузка и он может погореть
может кто посоветовать способы борьбы с люфтом на рейке?
вот что прислано поставщиком:
отожмите двигатель, расслабив винты 2, поверните
эксентрик 1, чтобы люфт устранился (не перетянуть а то двигателю будет
трудно вращать пластиковую шестерню), прижмите плотно двигатель винтами 2.
вот и вопрос: как эксцентрик крутить шоб не перетянуть и не пожечь двигатель? 
дальше, под большой пластиковой шестерней есть эксцентрик о трех болтах, если его регулировать то как правильно выставить эксцентрик, можно же и перекос еще более сильный получить и словить заклинивание портала. хотя на рейку идет две шестерни одинакового диаметра, на одну идет привод от ШД, а другая просто катается по рейке (хотя крепится тоже через эксцентрик). соответственно получается что с одной стороны портала нужно регулировать два эксцентрика. и потом соответственно с другой стороны портала делать тоже самое?
Говорят, что скоро на Али появится прибор, который магический синий дым назад в сгоревшее оборудование будет закачивать. Правда ценник будет не гуманный.
Говорят, что скоро на Али появится прибор, который магический синий дым назад в сгоревшее оборудование будет закачивать. Правда ценник будет не гуманный.
ПС. У соседей станок тоже китаец(правда с другого завода) 2040. Люфтов нет и близко.
У ременных китайских редукторов старого типа присутствует осевой люфт вала с шестерней, поэтому для работы с косозубыми рейками не подходит.
Проверьте продольный люфт у зубчатого колеса, что бегает по рейке, а также состояние шпонок.
Говорят, что скоро на Али появится прибор, который магический синий дым назад в сгоревшее оборудование будет закачивать. Правда ценник будет не гуманный.
Проверьте продольный люфт у зубчатого колеса, что бегает по рейке, а также состояние шпонок.
Да, действительно, шпонкам хана.
Шпонки китайцы поставили короткие на большой шкив.
Заменил шпонки, поставил четко в размер паза на валу, плюс добавил два распорных винта(резьба в шкивах плюс засверлил вал). Люфтов нет.
Люфт и трение покоя
Устранение люфта и трение покоя
Как компенсировать люфт, который может помешать системе, работать в соответствии с проектной спецификацией?
По определению, управление движением включает в себя перемещение нагрузки от точки А в точку Б, за определенное время и с некоторой заданной точностью. Теоретически приводной механизм объединяющий двигатель, привод, редуктор, энкодер и актуатор будет перемещать нагрузку детерминированно – для этого достаточно только определить правильные параметры движения, и в результате вы получите правильную производительность. Проблема в том, что система движения работает не в теории, а в реальном мире, где она подвержена таким эффектам как трение и люфт. Эти эффекты могут ухудшить способность системы позиционировать нагрузку в заданной точке, хотя проблема связана с требованиями задачи. Давайте подробнее рассмотрим эффекты и некоторые доступные стратегии по снижению их влияния.
Рис. 1
Потери движения
В обычной системе движения устройство обратной связи контролирует вращение вала двигателя, отдавая либо значение абсолютное значение или импульсный поток/сигнал который может быть преобразован в положение вала (линейные двигатели работают аналогично). Проблема в том, что модель предполагает, что любое перемещение двигателя немедленно и точно переходит в нагрузку. В действительности, большинство систем включают в себя определенную задержку между моментом, когда мотор начинает вращение и моментом когда вращение передается на нагрузку (см. рис.1). Это приводит к определенной пространственной ошибке между заданным положением и действительным положением. Такой эффект известен как люфт или свободный ход, и он является важным фактором потери движения в механизмах.
Хотя люфт, как правило, связан с механизмами редукторов, в действительности является общесистемным явлением, которое включает в себя вклад почти всех компонентов системы, включая муфты, ремни и приводы. Редукторы могут иметь определенный зазор между зацепляющимися зубьями, иначе они не смогут поворачиваться. Перед тем, как приводной механизм сможет начать передавать вращение, шестерни должны закрыть этот зазор. Однако, если эти промежутки становятся слишком большими, редуктор приносит потерю движения, которое мы обсуждали выше. В случае соединений, это может проявляться в виде люфта до начала перемещения нагрузки. Даже одно устройство может создавать множественные вклады в общий эффект мертвого хода. В качестве сходного примера рассмотрим привод с шариковым ходовым винтом, так самое очевидное данный компонент вносит люфт в систему, поскольку гайка входит в зацепление с винтом, и это только начало. Кроме того шариковый ходовой винт вносит дополнительный люфт, когда деформируются шарики, изгибается корпус или винт растягивается под нагрузкой.
Мы можем количественно оценить люфт, рассматривая каждый элемент системы как комбинацию демпфера и пружины, моделируя эффект деталей как резонанс, возмущающий цепь привода. Чем больше жесткость компонента, тем выше постоянная пружины и быстрее скорость ее реакции. Так, вал двигателя будет иметь более высокую постоянную пружины, чем редуктор.
Постоянная пружины или коэффициент упругости играет важную роль в определении скорости реакции устройства. «Мягкое» устройство реагирует медленнее, что означает, что система показывает большее количество потерянного движения, чем абсолютно жесткая конструкция. Также важно иметь в виду, на какой стороне редукторного механизма расположен компонент. Причем это справедливо как для линейных механизмов (шариковые ходовые винты), так и для поворотных (редукторам) механизмов. Если соединение расположено на входной стороне и приводит к механизму с редукционным соотношением, величина мертвого хода на стороне входа будет уменьшено в соответствии с редукционным соотношением. Например, для редуктора с редукционным механизмом 10:1 мертвый ход добавленный сцеплением на входной стороне будет уменьшен в 10 раз, если наблюдать со стороны выхода механизма.
После того как мы описали люфт на уровне системы, следующий наш шаг – определить требует ли конкретное применение дальнейшего уменьшения люфта. Если приемлемо грубое позиционирование, например, в случае размещение коробок в стеке, дальнейшее увеличение точности, как правило, не нужно. Если же применение требует точного позиционирования или быстрого времени отклика, например как рабочий инструмент ЧПУ станка, который должен выдерживать миллисекундные допуски по времени и тысячные дюйма при перемещении, могут потребоваться другие методы компенсации мертвого хода чтобы избежать некачественной обработки поверхности.
Рис. 2
Люфт может быть устранен механическим или электронным способами. Механический подход можно разделить на три подтипа. Общим для всех этих типов методом является предварительная нагрузка компонентов, для того чтобы выбрать люфт, такая нагрузка может быть сделана как непосредственной механической нагрузкой, так и введением в конструкцию пружинной нагружающей системы. Большое число коммерчески доступных редукторов с нулевым люфтом для нивелирования мертвого хода используют давление от противоположного колеса в паре шестеренчатой передачи, чтобы убрать зазоры до включения системы (рис.2). В случае системы с зубчатой рейкой применяются две шестерни стоящие на одной рейке, которые могут быть дополнительно подпружинены. Вал двигателя будет передавать движение на эту систему, и вращать шестерни. Следующий подход можно рассматривать как дополнительный к первому, он заключается в использовании устройств с нулевым люфтом построенных с дополнительной точностью для минимизации зазоров. Третий подход – это использование некоторых видов зубчатых зацеплений, которые сами по себе имеют нулевой люфт, таких как циклоидное зубчатое зацепление и напряженная волновая передача. Такой тип передачи обычно используется в робототехнике, где необходимо быстрое перемещение нагрузки с точным ее позиционированием (см. рис.3).
Рис. 3
Однако у любого из подходов есть обратная сторона. Так, в случае предварительной нагрузки, может ускориться износ детали. Современные ЧПУ часто используют дополнительный двигатель и программное обеспечение для установки нагружающей пружины, чтобы создавать правильную предварительную нагрузку на зацепление. Предварительная нагрузка также должна рассматриваться как часть общего значения нагрузки на бюджет крутящего момента редуктора. Добавление предварительной нагрузки (см. предварительная нагрузка шарикоподшипников) уменьшает и ограничивает крутящий момент, который может передавать редуктор. Наиболее важные механические решения, как правило, уязвимы для изменений вносимых износом и изменениями условий окружающей среды. В случае, когда корректировка механическим способом невозможна, разработчики обращаются к электронным методам уменьшения колебаний и неравномерной работы. Используется один общий подход, основанный на использовании замкнутого контура управления и выходного энкодера для работы в контуре позиционирования (рис.4). Такую систему можно усовершенствовать, настраивая чувствительность замкнутых контуров управления, чтобы уменьшить скорость и ускорение машины. При наличие чрезмерного, мертвого хода, использование такого входа для перемещении нагрузки, может привести к возникновению в системе колебаний вокруг фактического положения, что может привести к избыточному потреблению мощности, износу деталей, появлению вибраций и шума. Еще одной проблемой в подходе связанном с применение замкнутых контуров управления является то, что люфт сохраняется и будет задерживать правильное позиционирование в любое время, когда нагрузка остановится или изменит свое положение.
Рис. 4
Альтернативным решением может стать анализ системы для установления величины люфта и последующей коррекции путем введения поправки – добавления или вычитания небольшого количества движения к каждой управляющей команде поворота оси (рис.5). Во-первых, двигатель работает с небольшим приращением на малой скорости, а количество движения, необходимое для перемещения нагрузки, получается путем сравнения этого значения с непосредственно измеренным, для релевантности получаемых данных их сбор должен осуществляться контуром позиционирования двигателя. После такого тестирования система возвращается в рабочее положение, при котором контур позиционирования замкнут на энкодер.
Трение покоя
Трение покоя – это еще одно явление, которое может повлиять на точность предсказания позиционирования привода. Любые две поверхности находящиеся в месте контакта характеризуются двумя коэффициентами трения: трением покоя и трением скольжения. В таком случае трение покоя представляет собой удерживающую силу, которую нужно преодолеть для того чтобы ось начала двигаться. Поскольку скорость нагрузки уменьшается до нуля, трение покоя вызывает дополнительную силу, которая может остановить движение до того как нагрузка достигнет заданного положения или даже привести к шаговому движению, если драйвер настроен неправильно. Опять же, современные технологии могут компенсировать эту проблему. Каждая ось или компонент характеризован через напряжение необходимое для преодоления трения покоя. Когда ось в покое или останавливается, контроллер изменяет команды, передаваемые на драйвер, чтобы обеспечить оси дополнительный момент движения. Кроме того, компенсация трения может помочь в уменьшении люфта, помогая системе быстрее компенсировать потери движения после остановки или реверсного движения. Трение покоя изменяется медленно, поэтому его можно оценить при интеграции оборудования или вводе оборудования в эксплуатацию, а затем еженедельно или ежемесячно проводить повторные калибровки техники. Увеличение интегрального усиления при настройке ПИД контура контроллера может помочь выявить люфт и трение покоя. Это очень эффективный подход, но может потребовать для реализации много времени, даже при использовании специального программного обеспечения для анализа. Также важно отметить, что для мягких осей (softer axes) не могут быть установлено высокое интегральное усиление. Потому такой подход применим только в том случае, если интегратор применяется в контуре позиционирования и только для некоторых применений. Например, этот метод редко используется в системах ЧПУ. Станки ЧПУ, как правило, имеют агрессивно настроенный контур позиционирования, потому, для ЧПУ невозможно увеличить интегральное усиление. Когда же дело доходит до компенсации трения покоя, наиболее типичным подходом является компенсация основанное на управлении ускорением.
Ключом к управлению люфтом и трением покоя является рассмотрение проблемы с самого начала. Так люфт и трение покоя не являются существенной проблемой для применений, которые работают с постоянной скоростью и без необходимости точного позиционирования (достаточная точность в несколько градусов или более). Прежде чем выбрать компоненты, необходимо найти как можно больше информации о проблемах, таких как трение покоя исходя из используемой нагрузки, материалов и пр. Благодаря сочетанию передового опыта и современных технологий вы имеете возможность разрабатывать систему, которая должна соответствовать бюджету и обеспечивать производительность, которая вам нужна.