浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策
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浅谈数控双齿轮消隙减速机的研制
浅谈数控双齿轮消隙减速机的研制摘要：研究设计的数控双齿轮消隙减速机，通过采用胀套连接，并且同时调整消隙轴齿的相对转角，使齿轮往相反方向转动，达到高精度齿合，没有反向的传动间隙，从而达到消隙的目的。
结合准直仪的精确实时测量，对数控机床的定位精度进行分析，分析结果表明其消隙减速机的精度在规范要求的范围内，说明消隙减速机的消隙效果还是很良好的，特别适用于重型、大型数控机床的进给传动，在实际工程中有广泛应用。
关键词：数控机床;消隙机构;定位精度1.引言齿轮传动是一种广泛应用于各种机械设备的一种传动方式，具有传动效率高，运作比较平稳等特点。
在一般的伺服机电系统中，普通齿轮的齿侧间隙回转误差会造成伺服系统反应滞后，降低数控机床的精度。
特别是在大型、重型数控机床中，必须要提高齿轮的传动精度，减小进给传动链的反向间隙，以此提高机床的坐标定位精度。
再者，需要加长进给的传动链，增大传动扭矩，减小脉冲当量。
在齿轮传动过程中，齿侧间隙一直是传动机构正常工作的必要条件，但是由于齿侧间隙的存在会导致齿轮反向运动时死区的存在，降低系统的传动精度，并影响系统的稳定性，不利于数控机床精细制作。
因此在数控机床的设计制造中，怎么消除齿侧间隙具有重大的工程意义。
2.双齿轮消隙的设计原理数控机床双齿轮的消隙结构如图1所示，采用全闭环封闭系统。
输入轴2上的两个斜齿轮的模数、齿数是相同的但是旋转方向却相反，轴1和轴3上的两个齿轮数、模数等相关参数相同而旋转方向相反，分别与输入轴2上的两个斜齿轮相互咬合。
齿轮4和齿轮6参数相同，可以是直齿轮也可以是斜齿轮，但斜齿轮相对来说传动更稳定。
1，3-输出轴;2-输入轴;4，6-出齿轮;5-齿带图1双齿轮消隙设计原理进给传动由齿轮2输入，再通过两个斜齿轮分别传递给齿轮轴1和齿轮轴3，然后由齿轮4和齿轮6带动齿轮带5，从而带动各个部件的移动。
如果在齿轮轴2施加轴向力F，那么轴2上的两个斜齿轮将产生微量的轴向移动，从而带动轴1和轴3转动相反的微小角度，使齿轮4和齿轮6与紧贴齿轮带，消除齿轮间隙。
双电机精密传动机构消隙方法研究
双电机精密传动机构消隙方法研究
郑杰基;陈凌宇;范大鹏;谢馨
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2022(33)22
【摘要】针对双电机精密传动机构两路传动链间隙引起的速度波动大与冲击的问题,对系统的间隙消除方法展开了研究。
建立了包含行星减速器输出端齿轮与大齿圈啮合间隙的机构动力学模型,通过模型仿真分析了传动链间隙大小对系统特性的影响;在此基础上,提出了基于速度指令的动态偏置力矩和基于差速负反馈的交叉耦合同步控制相结合的复合消隙方法。
搭建了双电机精密传动机构实验测试装置,进行了消隙方法的验证实验。
实验结果表明,在简单的速度闭环情况下,所提的复合消隙方法不仅能够保证完全消除系统间隙,还可以将系统速度跟踪精度最大提高73.38%,启动阶段的冲击幅值最大衰减76.35%。
研究成果为双电机精密传动机构高精度控制方法的进一步研究打下基础,为齿轮传动系统间隙的消除提供了一种参考方案。
【总页数】9页(P2684-2692)
【作者】郑杰基;陈凌宇;范大鹏;谢馨
【作者单位】国防科技大学智能科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.41
【相关文献】
1.用西门子数控系统双电机驱动消隙功能提高机床传动精度
2.齿轮消隙与双电机消隙的应用
3.机电伺服系统中的双电机消隙传动
4.一种双级消隙的高精度蜗轮蜗杆传动机构及使用方法
5.大型数控机床双边双驱消隙齿轮传动机构设计
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齿轮啮合间隙调整方法
齿轮啮合间隙调整方法
齿轮啮合间隙的调整方法主要有以下几种：
1. 改变齿轮的中心距：通过调整齿轮之间的距离，使得啮合间隙符合要求。
可以通过调整齿轮轴承的位置或选择合适的垫片来实现。
2. 更换齿轮：如果齿轮的啮合间隙过大或过小，可以通过更换合适尺寸的齿轮来调整啮合间隙。
3. 修改齿轮的齿数：通过增加或减少齿轮的齿数，可以改变啮合间隙的大小。
增加齿数可以减小啮合间隙，减少齿数可以增大啮合间隙。
4. 使用啮合调整垫片：在齿轮轴承上加上适当厚度的垫片，可以改变齿轮的相对位置，从而调整啮合间隙。
5. 调整齿轮齿距：通过改变齿轮齿距的大小，可以调整齿轮的啮合间隙。
增大齿距可以减小啮合间隙，减小齿距可以增大啮合间隙。
需要注意的是，调整齿轮啮合间隙时要保证齿轮的啮合性能和工作可靠性，避免过大或过小的啮合间隙对齿轮传动的影响。
同时，为了保证齿轮的精度和同步性，应该选择合适的调整方法和适当的工艺。
齿轮消隙机构的技术综述
齿轮消隙机构的技术综述作者：庄秀华来源：《科学与财富》2017年第18期摘要：本文通过对齿轮消隙机构技术领域专利文献进行分析，从中国、国外的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，分析了齿轮消隙机构有关专利申请的发展历程，阐述了该技术领域的主要技术路线、技术发展脉络和趋势。
关键词：齿轮；消隙；专利一、引言齿轮传动是传动系统中最常见是的一种机械传动，是传递动力和运动的一种主要形式，是传动系统的重要组成部件。
机构传动过程中，齿轮传动机构都有传动副侧隙存在，侧隙用来防止由于误差和热变形而使轮齿卡住，并且给齿面间的润滑油膜留有空间，但侧隙同时又给机构在反转时带来空程，使机构不能准确定位。
机构工作过程中，不可避免地会将上述由轮齿侧隙产生的误差传递，因此，在需要传递高精度角度信息或者位置信息的场合，必须采用合适的误差调整方法，以控制误差量，提高传动精度，达到更好的运行效果。
为了减少或消除侧隙给机构带来的不利影响，需要采用消隙方法。
如何能够减少或消除齿轮间隙，日渐成为提高齿轮传动精度的瓶颈技术，消除齿隙对传动精度的影响是新型精密齿轮传动方式探索和研究的主要目标和发展的趋势。
二、齿轮消隙机构的专利文献分析（1）申请的地域分布专利申请的地域分布可以反映出企业的产品市场重心特征。
对齿轮消隙机构的专利申请的所在国家和地区分布进行统计，可以看出，有关齿隙消除机构的专利申请主要集中在日本、中国、美国和德国，这四个国家占据了所有专利申请的近80%。
可以看到的是，这四个国家也是目前全球最大的机械制造生产地区。
值得注意的是，虽然我国在技术发展上与日本还存在着差距，但是我国对齿轮间隙的消除机构的研究紧跟世界的步伐，并没有落后，这说明我国对消除齿轮间隙的影响非常重视。
同时随着中国的专利制度不断完善，各国企业都积极在中国进行专利技术保护，试图占领中国的技术市场。
（2）申请量年度分布本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和外文虚拟库（VEN）中以选取的分类号进行检索，检索对象限定在全球公开日或公告日在2015年之前的发明和实用新型专利申请，并对检索结果进行分析。
齿轮间隙调整
双齿错齿可调弹簧式消隙法图例
双齿错齿周向弹簧式消隙法图例
2．斜齿轮传动消除间隙（1）
基本思想 斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆 柱齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似， 也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是通 过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的 距离后，相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错 开了一定的角度。两个齿轮与宽齿轮啮合时分别 负责不同的方向（正向和反向），起到消除侧隙 的作用。
2．斜齿轮传动消除间隙（2）
轴向垫片调整法 如图所示是斜齿轮垫片错齿消 隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2 啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对 回转。斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工，并与 键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮之 间装入厚度为δ的垫片3，使薄片齿轮1、2的螺 旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4的 齿贴紧，消除齿侧间隙。
双片齿轮错齿调整法 图示是双片齿轮周向可调 弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1 和2与另—个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回 转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个 螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另 外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧4的两 端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调 节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的 拉力使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左右齿面 分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了 齿侧间隙。
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二、齿轮传动副
引言
数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副 来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮 在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到 理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应 有一定的齿侧间隙才能正常地工作。
齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数 控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误 差。
传动过程中消除间隙的形式
传动过程中消除间隙的形式
传动过程中消除间隙的形式指的是在机械传动过程中消除或减小齿轮、轴承等部件之间的间隙的方式。
这些间隙可能会引起振动、噪声和效率降低等问题，因此需要采取措施来消除或减小这些间隙。
在齿轮传动中，消除间隙可以采用正装式、反装式、高低齿相间等设计。
在轴承传动中，消除间隙可以采用预紧、轴承刚性固定等方法。
示例：
1.齿轮传动中的正装式和反装式：正装式是指大齿轮的齿槽对着小齿轮的齿
面，小齿轮的齿槽对着大齿轮的齿面；反装式则相反，小齿轮的齿槽对着大齿轮的齿面，大齿轮的齿槽对着小齿轮的齿面。
这样可以有效地消除间隙并提高传动的稳定性。
2.轴承预紧：通过调整轴承的预紧力，使轴承内部的游隙减小或消除，从而
使轴承在工作中保持一定的刚性，减小间隙产生的可能性。
总结来说，传动过程中消除间隙的形式是指在机械传动过程中采取措施消除或减小齿轮、轴承等部件之间的间隙，以提高传动的稳定性、减小振动和噪声、提高效率等。
常见的消除间隙的方法包括正装式、反装式、高低齿相间、轴承预紧等。
这些方法可以帮助改善机械传动的性能，提高机器的整体性能和使用寿命。
浅谈机械设计中齿轮传动侧隙的解决方法
浅谈机械设计中齿轮传动侧隙的解决方法在机械设计中，齿轮传动是常用的一种传动方式，其结构简单、传动效率高，在各种机械设备和装置中被广泛应用。
然而，在实际应用中，齿轮传动中存在一个重要问题，即齿轮传动侧隙。
齿轮传动侧隙会导致传动效率降低、噪音增大、寿命缩短等问题，因此解决齿轮传动侧隙问题对于机械设计至关重要。
齿轮传动侧隙是指齿轮啮合时因加工精度、安装误差等原因造成的两轴间的间隙。
侧隙造成的主要问题有两个方面：一是误差传递问题，即在传动过程中，侧隙会导致原动轴和从动轴之间产生相对偏移，进而影响传递误差，降低传动精度；二是冲击问题，当传动时侧隙的方向发生急剧变化时，会导致冲击现象，加剧齿轮磨损、噪声等问题。
为了解决齿轮传动侧隙问题，可以采取以下的方法：1.加工精度提高：齿轮加工精度是影响齿轮传动侧隙的关键因素之一、通过提高齿轮的加工精度，可以减少加工误差带来的侧隙，提高齿轮传动的精度和效率。
常用的提高加工精度的方法包括采用精密加工设备、优化加工工艺等。
2.安装调整：在齿轮传动装配过程中，可以通过一些装配调整的方法来减少或消除侧隙。
例如，在装配过程中可以采用间隙分配法，即通过控制不同位置的齿轮与轴之间的间隙大小，来减少总侧隙；或者可以采用调整轴的位置和方向，来消除或减小侧隙。
3.采用齿轮啮合预紧装置：齿轮啮合预紧装置是一种能够消除齿轮传动侧隙的装置，常见的有弹簧预紧装置和调整螺钉预紧装置。
这些装置通过预先施加一定的预紧力，使齿轮在传动过程中始终保持紧密啮合状态，从而减少侧隙的影响。
4.采用齿轮侧隙补偿装置：除了消除侧隙的方法外，还可以采用齿轮侧隙补偿装置来解决侧隙问题。
齿轮侧隙补偿装置通过在传动系统中增加一定的装置来填充侧隙，保持齿轮的紧密啮合状态，减少侧隙带来的影响。
常见的齿轮侧隙补偿装置有齿轮联轴器、挤压补偿装置等。
总之，在机械设计中，齿轮传动侧隙是一个需要重视的问题。
通过提高加工精度、优化装配、采用齿轮预紧装置和齿轮侧隙补偿装置等方法，可以有效地解决齿轮传动侧隙问题，提高齿轮传动的精度、效率和寿命，从而提高机械设备的性能和可靠性。
齿轮间隙调整
锥度齿轮消隙法图例
1．圆柱齿轮传动消除间隙（3）
双片齿轮错齿调整法 图示是双片齿轮周向可调 弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1 和2与另—个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回 转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个 螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另 外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧4的两 端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调 节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的 拉力使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左右齿面 分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了 齿侧间隙。
齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数 控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误 差。
对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳 定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙 的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常 用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮 传动副有不同的方法。
1．圆柱齿轮传动消除间隙（1）
2．斜齿轮传动消除间隙（2）
轴向垫片调整法 如图所示是斜齿轮垫片错齿消 隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2 啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对 回转。斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工，并与 键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮之 间装入厚度为δ的垫片3，使薄片齿轮1、2的螺 旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4的 齿贴紧，消除齿侧间隙。
双齿错齿可调弹簧式消隙法图例基本思想斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合只是通过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的距离后相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开了一定的角度
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二、齿轮传动副
引言
数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副 来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮 在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到 理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应 有一定的齿侧间隙才能正常地工作。
齿轮误差分析及消隙方法
齿轮误差分析及消隙方法齿轮传动是机械传动中最重要、应用最为广泛的一种传动机构，大到航天航空装备，小到玩具仪器。
通过分析齿轮误差的来源，介绍了齿轮从设计到使用不同环节产生误差的因素，简单介绍了减小齿轮误差的方法，以实例说明齿轮消隙方法。
标签：原理；齿轮误差；减小误差方法0 引言当今社会发展迅猛，出现了自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性机构和机电光液广义机构等，而传递与变换运动和力的可动装置中，齿轮是应用最广泛的机械结构。
齿轮传动是机械传动中最重要、应用最为广泛的一种传动机构，大到航天航空装备，小到玩具仪器。
它依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠、结构紧凑等优点。
但齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，一般不用于传动距离过大的场合。
对于齿轮的研究采用的方法很多，如弹性力学、动力学、有限元等，但这些方法对齿轮的模型要求高，建模越精确，仿真结果越接近实际，就齿轮啮合而言，实际啮合情况复杂多变，加上加工安装等环节都存在误差，许多数据采集较费时费力，从而使项目周期长，且齿轮的实际啮合情况与理论啮合情况不同，模拟出来的结果不能百分百与实际吻合。
由于齿轮误差的存在，轮齿的某些该接触点无法参与接触，齿轮刚度强度会变差，所以为了更好地研究齿轮，对齿轮误差进行分析是非常有必要的。
1 齿轮传动原理一对齿轮啮合，主动轮通过啮合线接触而将动力、速度、运动等传递给从动轮，两齿轮的传动，严格符合齿廓啮合基本定律即[1]：相互啮合传动的一对齿轮，在任一位置时的传动比，都与其连心线被其啮合齿廓在接触点处的公法线所分成的两线段长成反比。
2 齿轮误差来源齿轮的误差因素很多，既有偶然性误差，也有必然性误差，但各误差源对于齿轮传动起的影响各不相同。
就单个齿轮从概念到使用过程如下：按不同环节分析，齿轮误差主要来源为：设计误差、加工误差、安装误差、传动误差、空程误差、环境温度变化引起的误差等。
关于驱动电机与齿轮箱干涉质量问题的解决方案
关于驱动电机与齿轮箱干涉质量问题的解决方案摘要：驱动单元是转向架的重要组成，机车驱动检修时，由于前期新造电机法兰面的设计变更，导致目前驱动检修互换装配过程中，电机与齿轮箱存在干涉的惯性质量问题。
本文通过对质量问题难点进行分析，制定了相应的解决方案，并对其可行性进行了验证。
关键词：驱动组装组装工艺技术难点解决措施1、引言驱动单元是转向架的重要组成，电机与齿轮箱组装的质量直接会影响机车运行的安全性。
目前机车驱动检修时，由于前期新造电机法兰面的设计变更，导致目前驱动检修时，电机与齿轮箱存在干涉的惯性质量问题（如图1、2所示）。
电机与齿轮箱干涉由于处在电机上部，不易发现；干涉将造成齿轮箱组装后不处于自由状态，齿轮箱在后期的运行中，易发生漏油以及开裂等重大质量问题[1]。
经统计发现，2019年1月至10月，共发现22起显现的干涉造成的齿轮箱解体的返工的质量问题，由于返工需要进行齿轮箱拆解、清洗、重新涂抹518、587乐泰胶、重新恢复齿轮箱组装等较返工，对生产造成了一定的影响。
为全面解决惯性干涉质量问题，本文从制造过程质量管控、测量方法、工艺执行等进行全方位攻关。
图1 电机变更区域图2 电机与齿轮箱干涉的区域2、原因分析通过查看电机与齿轮箱的设计图纸，出现此问题的原因为电机法兰面经过设计变更增加了如图1所示的电机呼吸孔防护结构，电机法兰为铸铁件，齿轮箱为铸铝件，与电机安装部位厚度尺寸设计图纸未严格控制，此处与电机与齿轮箱组装后两者相对位置有关；同时，在检修过程中，电机与齿轮箱会进行互换装配，即使新造装配不干涉的产品，在检修过程中同样会出现干涉的情况。
针对以上问题可从以下两个方面进行解决：(1)通过反馈的方式将此处变更的尺寸进行减小；（2）分析电机与齿轮箱图纸，分析干涉的区域，设计专用量具进行测量，提前对干涉区域进行检测与处理，防止齿轮箱拆解返工发生。
3、具体实施过程及验证确认3.1、通过对设计变更源头的调查，搞清了设计变更的源头与目的是对电机内部3个呼吸孔进行防护，经过分析该结构可以进行适当的减少，以减少干涉的发生。
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浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策
作者：南京航空航天大学自动化学院杨海萍王道波
引言
采用齿轮减速来获得大力矩输出是伺服控制系统中常采用的拖动方式，这种带齿轮传动的伺服系统由于存在齿轮间隙会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向跳变等现象, 使伺服系统不能达到较高的定位控制精度。
由于齿隙非线性所具有的强非线性、非解析描述和不可微的特性,采用常规控制方法不能解决齿隙造成的控制精度差和动态性能不良等问题，因而解决齿隙非线性对控制精度影响的问题一直是控制领域研究的重要内容。
近些年来，随着对齿隙非线性机理研究的深入和非线性控制理论的发展，采用控制方式来消除齿隙影响的方法不断出现，如自适应控制理论、逆模型方法、碰撞分析法和非线性几何理论等，已成为解决齿隙问题的有力工具，上述这些方法基本都是针对建模、特性分析和控制理论进行的研究,不便于直接应用于工程实现。
本文提出了一种在工程实现上简便有效的方法，即采用双电机差步驱动来消除齿轮传动间隙的方法，通过二个电机的差步加载，使齿隙现象消除，不仅可达到较高的定位精度，同时能提高输出轴的力矩。
带齿隙伺服系统的机理分析
为分析双电机驱动时差步控制消除齿隙的机理，需对双电机驱动的伺服系统进行数学建模与分析。
在大小齿轮运动过程中，大齿轮和小齿轮的啮合运动是通过它们之间的弹力和粘性摩擦力的相互作用来完成的，在一般情况下，粘性摩擦力忽略不计。
由于制造和机械上的误差造成齿轮啮合不够准确，会进一步增大齿隙的影响。
建模思路是先不考虑齿隙影响建立电机传动系统的理想动力学模型，然后再把齿隙考虑进去，进一步建立含齿隙的电机传动系统的动力学模型。
双电机驱动系统的原理结构图如图1所示：
图1 双电机驱动齿轮原理图
如不含传动齿轮时其动力学模型可为：
（1）
式中：j c1，j c2是两个小齿轮的转动惯量，是两个小齿轮的角速度，是两个伺服电机的角速度，i1和i2表示两电机电枢回路的电流，u1，u2是两个电机的电枢电压，j m是大齿轮的转动惯量，是大齿轮的角速度，c是阻尼系数，k是刚性系数。
齿隙非线性的迟滞模型可表示为：
（2）
因此包含齿隙非线性特性的伺服系统动力学模型如表示如下：
（3）
其中齿隙非线性描述参数可以表示如下：
式（3）可以用结构图表示为图2所示：
图2 含齿隙的双电机驱动系统的结构框图
如图2所示，系统中引入了齿隙，当给定角度和实际角度不相同时，即误差角出现后，电机带动齿轮装置输入轴转动。
由于齿隙的存在，输出轴并不马上随之转动，而是在输入轴转过齿隙所造成的齿隙角之后，输出轴才会开始旋转。
在通过齿隙角所造成的空程范围内，电动机基本上处于空载状态，因此，电动机具有很大的动能。
当空程结束时，主动轮齿与从动轮齿在接触点上产生冲击，从而会以比无齿隙时大得多的速度冲过给定位置。
冲过之后，误差角与电机的控制电压都改变符号，电机马上反向，齿轮传动装置输入亦反向。
同样，由于齿隙的存在，主动轮的轮齿要穿越齿隙所造成的空程，才能带动从动轮旋转。
这样，由于转动惯量和空程范围内所积累的动能的共同作用，系统会出现持续的振荡现象，使系统不稳定。
基于差步控制原理的消隙控制方法
控制原理
针对双电机驱动伺服系统，常用有效增强系统的同步协调性能的智能pid控制策略和自适应控制策略，而自适应控制又分为基于backstepping方法的自适应控制、基于模型跟踪的鲁棒自适应控制和基于神经网络的鲁棒自适应控制。
基于backstepping方法的自适应控制适用于齿隙非线性参数已知、控制参数位置的系统，能消除齿隙对系统输入的影响, 而对线性控制策略是不能完全消除的；基于模型跟踪的鲁棒自适应控制适用于齿隙非线性参数未知、存在力矩扰动的系统，能有效地解决系统中的同步问题；基于神经网络的鲁棒自适应控制适用于齿隙未知、存在摩擦等非线性的系统，能在线辨识未知的齿隙和摩擦非线性，有效地解决驱动子系统间的同步误差。
虽然上述方法有很好的控制效果，但在工程上实现存在很大的困难。
图3 偏置力矩法消隙控制回路原理图
在工程实践中可采用偏置力矩法消除齿隙影响，如图3所示，u为两个直流力矩电机的无差动控制量，差动量△u为两个电机独立驱动时能够克服传动机构静摩擦力的最小控制量，设第一直流力矩电机的控制量为u1，第二直流力矩电机的控制量为u2，则取u1=u+△u，u =u-△u2，第一直流力矩电机的控制量u1和第二直流力矩电机的控制量u2分别经第一伺服放
大器和第二伺服放大器后，再分别驱动各自的直流力矩电机，当时，第一和第二两
个直流力矩电机同向驱动传动齿轮，当时，第一和第二两个直流力矩电机形成反向驱动传动齿轮，其中控制量绝对值大的直流力矩电机起驱动传动齿轮转动的主导作用，控制量绝对值小的直流力矩电机反向驱动，使得第一和第二两个直流力矩电机的传动轴齿轮分别与传动齿轮的正反转动方向啮合，从而消除传动齿隙的影响。
偏置力矩法虽然能消除齿隙，但也存不一些不足，如输出轴达到设定位置时，为保持消隙作用，电机始终以比较高的频率抖动，不仅引起传动噪声，还增大了电机的磨损，系统还可能处于局部不稳定状态。
这是由于在偏置力矩作用点前的前向通路中存在积分环节，使得偏置力矩的作用削弱了。
如果为了使两组小齿轮始终贴紧在主轴齿轮两个相反的啮合面，要施加更大的偏置力矩，这将使系统的动态性能变差，甚至也会造成系统不稳定。
图4基于差步控制消隙的控制回路原理图
针对偏置力矩法存的问题，本文提出了基于差步控制原理的消隙控制方法，如图4所示。
图中，为给定角度，△θ为两个电机独立驱动时能够克服传动机构静摩擦力的最小修正
角度，则第一直流力矩电机的给定角度为，第二直流力矩电机的给定角度为
，则第一直流力矩电机控制量，第二直流力矩电机控制量，其中kp，ki分别为比例系数，积分系数。
当时，第一和第二两个直流力矩电机同向驱动传动齿轮，当时，第一和第二两个直流力矩电机形成反向驱动传动齿轮，其中控制量绝对值大的直流力矩电机起驱动传动齿轮转动的主导作用，控制量绝对值小的直流力矩电机反向驱动，使得第一和第二两个直流力矩电机的传动轴齿轮分别与传动齿轮的正反转动方向啮合，从而消除传动齿隙的影响，实现低速换向时连续驱动传动齿轮，达到提高稳定转台定位精度的目的。
采用差步控制原理的消隙控制改进了偏置力矩法消隙的各种不足之处，使输出轴在平衡状态下，两个电机输出力矩大小相等、方向相反，使两组小齿轮分别贴紧主轴齿轮的两个相反的啮合面，不再产生抖动现象；运动时，一组小齿轮输出力矩的逐渐增大，另一组小齿轮力矩减小至零后换向并逐渐增大输出力矩，这样带动主轴齿轮转动达到平稳的工作状态，定位精度大大提高，完全消除了齿隙的影响。
具体实现：
图5控制系统原理图
图5中，系统主要由位置环构成，码盘检测到的反映输出轴位置的脉冲信号经倍频、计数后由并行数字口（pcl-722卡）送入控制微型机，位置控制器输出为两个不同值的控制信号，两信号分别通过d/a（pcl-6126）转换成电压信号并经过功放放大带动两电机转动，电机的输出轴分别与两个减速箱相连，最终两个减速箱的输出轴用一个带有负载的轴相连，转动角度由码盘检测，此为控制系统工作的一个循环。
实验结果：
图6实验结果图
图6（a）为未加消隙控制律的实验结果图，齿隙为1.16°，当输入轴换向时，由于齿隙的存在，输出轴并不马上随之转动，而是在输入轴转过齿隙所造成的齿隙角之后，输出轴才会开始旋转。
图6（b）为施加消隙控制律后的实验结果，与图6（a）对比可知，换向时，输出轴能够马上跟随输入轴转动，两条曲线基本重合，此时齿隙为0.04°，在工程使用上达到工艺要求，消除了传动中的齿轮间隙。
结语
本文针对双拖动伺服系统中通过预置偏置力矩消隙和系统的稳定性、电机的磨损程度之间的矛盾，提出了一种基于差步控制消隙的控制方法，它在不改变系统稳定性的条件下，改善的系统的动态性能，同时也大大降低了电机的磨损。
实验证明，该方法能完全消除齿隙，且比施加偏置力矩的方法具有更好的性能。
作者简介
杨海萍(1985-) 女硕士研究生，主要研究方向：控制理论与控制工程。
王道波(1957-) 男教授/博士生导师，主要研究方向：电动伺服控制技术、机电模拟技术、无人机飞行控制与仿真、液压伺服技术。
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