高精度机械设备换向间隙补偿的控制系统和方法

许展望，景群平，王俊萍，马永军，郝宏昭

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

在机械设备制造中，存在机械零件公差，旧设备的长期磨损，会使机械零件的公差变大，机械设备换向时，就有换向间隙出现，降低了机械设备位置控制精度，对于高精度设备的位置定位来说，就不能满足实际要求。在武钢某个项目的碎边剪设备改造中，由于旧设备的长期磨损使侧间隙机构换向间隙变大，控制精度变差，引起废边剪不断和卡阻的现象，严重影响机组生产。

机械设备换向间隙的问题，通过减小机械设备加工精度的公差，提高设备装配的精度可以缩小间隙，但不能彻底消除间隙，对于高精度要求的机械设备来说就要通过换向间隙补偿来解决。

机械设备的位置检测，大部分都是通过位移传感器或位置编码器来间接测量，其中就包含着机械设备换向间隙引起的测量误差，机械设备的位置不能准确测量，也使机械设备高精度的位置控制无法实现，所以进行机械设备换向间隙补偿很有必要。

大多数情况下，机械设备高精度位置控制采用伺服电机和伺服驱动器来实现，无形中就增加了成本，本文采用普通变频电机和变频器，使用一种控制方法来补偿机械设备的换向间隙，通过软件编程来实现机械设备高精度位置控制。

1 机械设备换向间隙补偿控制系统

1.1 机械设备和检测元件构成

机械设备一般包括被动件1和主动件2两部分，机械设备设计中间接测量就是将位移传感器或位置编码器和主动件连接在一起，由于主动件和被动件之间存在换向间隙，这样主动件的测量值并不是被动件的实际位置，机械设备的主动件的测量值和被动件反映的实际位置始终保持一致，是机械设备被动件高精度位置控制的关键，需要对机械设备的换向间隙进行补偿来实现。机械设备换向间隙图如图1所示。

图1 机械设备换向间隙图

1.2 控制系统构成

机械设备换向间隙补偿的电气控制系统，包括位移传感器或位置编码器、可编程控制器、上位计算机、触摸屏、操作台、变频器、电机等。机械设备换向间隙补偿电气控制系统框图如图2所示。

图2 机械设备换向间隙补偿电气控制系统框图

2 机械设备换向间隙补偿控制方法

2.1 机械设备换向间隙的测量

机械设备换向间隙测量图如图3所示。

图3 机械设备换向间隙测量图

机械设备换向间隙b0测量过程，首先控制机械设备沿着位移量增大的方向运行，消除掉从小到大的换向间隙后，控制机械设备从大到小换向运行，使用千分表或其他测量工具直接测量机械设备的位置变化量Δdi，记录位移传感器或位置编码器检测的位置变化量Δai。

以上过程重复进行10次，使用公式计算b0为

2.2 机械设备换向间隙补偿的控制方法

机械设备换向间隙补偿的控制方法。位移传感器或位置编码器检测的设备位置值为a；机械设备从大到小换向瞬间保存的实际位置值为a′；机械设备从小到大换向瞬间保存的实际位置值为a″；机械设备换向间隙测量值为b0；机械设备从大到小第n次换向的间隙值为bn；机械设备从小到大第n次换向的间隙值为cn；机械设备的实际位置显示值为d。

(1)机械设备从大到小换向间隙补偿。机械设备从大到小换向的瞬间，a值修正为当前的d值；并把d赋值给a′，计算机械设备的实际位置显示值d。

当a≥a′-bn时，d=a′，bn+1=bn-(a′-a)，cn+1=cn+(a′-a)；

当a

(2)机械设备从小到大换向间隙补偿。机械设备从小到大换向的瞬间，a值修正为当前的d值；并把d赋值给a″，计算机械设备的实际位置显示值d。

当a≤a″+cn时，d=a″，cn+1=cn-(a-a″)，bn+1=bn+(a-a″)；

当a>a″+cn时，d=a-cn，cn+1=0，bn+1=b0

2.3 机械设备换向间隙补偿的实现

高精度机械设备换向间隙补偿的控制系统，包括连接于机械设备上的位移传感器或位置编码器，位移传感器或位置编码器测量值进入可编程控制器，可编程控制器分别与触摸屏、上位计算机、操作台和变频器相连，并有信号交换，变频器与电机相连接，电机与机械设备相连接。

首先在上位计算机或触摸屏上进行机械设备实际位置显示值的标定操作，然后设定机械设备的换向间隙测量值、机械设备位置控制的目标值等，并传送给可编程控制器。

可编程控制器是整个控制系统的核心，采用高精度和高速运算特点的CPU，通过程序和算法进行机械设备换向间隙的补偿，并实现整个工艺控制功能。位移传感器或位置编码器测量机械设备主动件的位移量，并反馈数值给可编程控制器。机械设备的手动和自动控制操作在操作台上进行，可编程控制器按照控制指令，进行机械设备被动件位置控制的目标值与经过换向间隙补偿的机械设备主动件实际位置值比较，通过变频器控制电机转动，实现机械设备准确位置定位。可编程控制器把控制的过程和结果数据上传到上位计算机和触摸屏，在画面上显示。

3 应用效果

这种高精度机械设备换向间隙补偿的控制系统和方法已应用在宝钢、鞍钢、武钢等多个工程项目中，取得了满意的效果。

例如应用在武钢的某个项目的碎边剪侧间隙的调整控制，设备的换向间隙为0.05 mm,影响设备的位置控制精度，不能满足工艺要求，影响产品质量。采用这种高精度机械设备换向间隙补偿的控制系统和方法解决了问题。

未采用换向间隙补偿和采用换向间隙补偿的位置控制目标值和测量值的比较见表1，由表1可以看出未采用换向间隙补偿碎边剪侧间隙的调整控制误差在±0.05 mm左右，而采用换向间隙补偿碎边剪侧间隙的调整控制误差在±0.006 mm以内，明显采用这种换向间隙补偿的控制方法提高了设备的位置控制精度，满足了设备的工艺要求。

表1 目标值和实测值的比较表

这种控制系统和控制方法有以下优点：

(1)机械设备采用普通变频电机和变频器，降低了成本；

(2)间接测量产生的换向间隙，使用一种控制方法来补偿，通过软件编程来实现机械设备高精度位置控制；

(3)提高了机械设备的位置控制精度，满足了工艺要求。

4 结束语

高精度机械设备换向间隙补偿的控制系统和控制方法已获得国家发明专利授权(专利号：ZL201310577414.6)，在多个工程项目中得到了应用，取得了满意的效果。这种控制方法降低了设备成本，提高了设备的控制精度，满足了工艺要求，提高了产品质量。

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