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在數(shù)控系統(tǒng)中，多臺(tái)電機(jī)可以采用同步軸或串聯(lián)軸的方式虛擬為一個(gè)數(shù)控坐標(biāo)軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統(tǒng)，同時(shí)還介紹了串聯(lián)控制概念以及使用預(yù)加負(fù)荷的方法來消除間隙。
在數(shù)控系統(tǒng)中，有時(shí)采用多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)虛擬為一個(gè)坐標(biāo)軸，來驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。最常用的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)為同步(Synchronous)運(yùn)動(dòng)的形式，比如，要求兩臺(tái)以相同的速度和位移運(yùn)動(dòng)的電機(jī)帶動(dòng)齒輪與齒條嚙合作為一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。這樣的坐標(biāo)軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術(shù)被廣泛應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)中，比如大跨距龍門機(jī)床的龍門直線移動(dòng)、大型三坐標(biāo)測量機(jī)的雙柱直線移動(dòng)，為保持運(yùn)動(dòng)的均勻，都需要兩個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時(shí)不扭搓工件，在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)也必需同步。
圖1 同步軸
除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時(shí)的主軸和進(jìn)給軸必需同步。滾齒機(jī)的工作臺(tái)的分齒運(yùn)動(dòng)與滾刀的運(yùn)動(dòng)在滾齒時(shí)也必需同步、剛性攻絲的Z軸進(jìn)給與主軸同步等，但這種同步是指多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位移之間成一定的關(guān)系，而不是相等的關(guān)系，對這種同步運(yùn)動(dòng)，本文不予討論。
實(shí)現(xiàn)同步一般有兩種方法。一是機(jī)械同步：同步系統(tǒng)由機(jī)械裝置組成。這種同步方法容易實(shí)現(xiàn)，但機(jī)械傳動(dòng)鏈復(fù)雜，傳動(dòng)件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動(dòng)比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統(tǒng)由控制器、電子調(diào)節(jié)器、功率放大器、伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)箱等組成。所需機(jī)械傳動(dòng)鏈簡單、調(diào)試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的電伺服同步功能對不同生產(chǎn)機(jī)械的要求可提供不同的配置，實(shí)現(xiàn)其同步要求。
在某些情況下，一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩不夠用，但改用一個(gè)更大的伺服電機(jī)又嫌體積或慣量過大，於是以兩個(gè)伺服電機(jī)取代一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的坐標(biāo)軸，這種坐標(biāo)軸被稱為串聯(lián)軸，如圖2所示。這樣由於兩個(gè)伺服電機(jī)以一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)矩相互作用，或者通過預(yù)加負(fù)荷，在機(jī)床內(nèi)部減少間隙。這就是所謂串聯(lián)控制(Tandem Control)，是另一種多電機(jī)控制。
圖2 串聯(lián)軸
同步控制的概念
在電伺服同步系統(tǒng)中，“同步”的概念是指系統(tǒng)中具有兩個(gè)或兩個(gè)以上由電子控制的伺服放大器和伺服電機(jī)組成的“控制對象”，其中一個(gè)為“主(Master)控制對象”，另外一個(gè)或多個(gè)為“從(Slave)控制對象”，控制量為機(jī)械的位移或速度(對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速)。通過控制器使“從控制對象”和“主控制對象”的輸出控制量保持一定的嚴(yán)格比例關(guān)系，這種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)稱為同步系統(tǒng)。一般同步系統(tǒng)的輸出控制量為位置和速度。前面所提到的“同步軸”，“主控制對象”與“從控制對象”的輸出控制量相等。
為了簡化討論，同步系統(tǒng)中的控制裝置可被簡化為具有一個(gè)積分環(huán)節(jié)的位置系統(tǒng)，其框圖如圖3A所示。其中KV為簡化後控制裝置的位置控制器的開環(huán)增益，XC、XO為位置輸入、輸出；FC為速度指令，Δ為位置誤差。KF為速度環(huán)增益，當(dāng)KF》1時(shí)，可把速度環(huán)近似為1；於是該控制裝置的開環(huán)增益變?yōu)镵V/S，如圖3B所示。
圖3 簡化的控制裝置框圖
利用圖3的控制裝置可以組成兩種同步系統(tǒng)：
自同步系統(tǒng)(Active Synchronous System)：該控制系統(tǒng)具有兩個(gè)相同參數(shù)的控制裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)主、從軸�？刂破魉统鲋噶钔瑫r(shí)給主控制裝置和從控制裝置，經(jīng)測量同步誤差反饋給從控制裝置的輸入，用來校正同步的誤差，以保證主、從的輸出保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，如圖4A所示。
圖4 兩種同步系統(tǒng)
A)自同步系統(tǒng) B)他同步系統(tǒng)
其中XAMO為自同步系統(tǒng)主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出，由於從控制裝置是數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)，其輸出跟隨輸入變化；也即從控制裝置的輸出可以自動(dòng)跟隨主控制裝置的輸出變化，故稱它具有自同步能力。用C表示自同步能力：
C＝¶ASO/¶XAMO (1)
他同步系統(tǒng)(Passive Synchronous System)：在同步系統(tǒng)中，由控制器發(fā)出指令提供給主控制裝置，同時(shí)也提供給從控制裝置，用同樣的指令控制主從裝置使這兩種控制裝置的輸出同步，如圖4B所示。其中XPMO為他同步系統(tǒng)的主控制裝置的輸出，XPSO為他同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出。這種同步系統(tǒng)如果由於某種原因，比如負(fù)載發(fā)生變化，主控制裝置輸出XPMO發(fā)生變化，從控制裝置的輸出不受控制，所以不能跟隨其變化，即
C＝¶XPSO/¶XPMO＝0 (2)
因此該系統(tǒng)缺乏自同步能力，被稱為他同步系統(tǒng)。
自同步系統(tǒng)主要采用在要求主、從兩軸有自同步能力的機(jī)械中，并要求從控制裝置嚴(yán)格跟隨主控制裝置運(yùn)動(dòng)。
他同步系統(tǒng)主要應(yīng)用在要求主、從控制裝置的輸出的位置和速度基本相同并且具有較小的誤差的機(jī)械。比如大型龍門式雙軸同步的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。除了上面提出的自、他同步系統(tǒng)外，還可以由這兩種系統(tǒng)混合組成的混合系統(tǒng)。
FANUC數(shù)控系統(tǒng)具有兩類不同的同步功能：
簡易同步控制(Simple Synchronous Control)：控制器發(fā)出坐標(biāo)軸移動(dòng)信號(hào)送給主、從控制裝置和兩伺服放大器，以控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)不進(jìn)行同步誤差補(bǔ)償，一般情況下不對同步誤差發(fā)出警報(bào)信號(hào)。把主、從伺服電機(jī)看做一個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。但在手動(dòng)回零時(shí)，主、從伺服電機(jī)一起運(yùn)動(dòng)一直到減速開始動(dòng)作，然後分別檢測柵格，分別進(jìn)行螺距補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償。這種簡易同步控制見圖4B，是他同步控制系統(tǒng)，由於系統(tǒng)不進(jìn)行同步誤差補(bǔ)償，根據(jù)式(2)可知，系統(tǒng)缺乏自同步能力，說明這種控
