時(shí)間:2017-11-27 10:44:14來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中,常會(huì)碰到慣量問題。其具體表現(xiàn)為:在伺服系統(tǒng)選型時(shí),除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外,我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量,再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī);在調(diào)試時(shí),正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出,這樣,就有了慣量匹配的問題。
一、什么是“慣量匹配”?
1、根據(jù)牛頓第二定律:“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J×角加速度θ角”。加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,θ越小,則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長,系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化,則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢,影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變,如果希望θ的變化小,則J應(yīng)該盡量小。
2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM+電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL。負(fù)載慣量JL由(以平面金切機(jī)床為例)工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,伺服電機(jī)選定后,此值就為定值,而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些,則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。
二、“慣量匹配”如何確定?
傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度,穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量大,系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大,響應(yīng)慢,會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降,容易產(chǎn)生諧振,因而限制了伺服帶寬,影響了伺服精度和響應(yīng)速度,慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利,因此,機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下,應(yīng)盡量減小慣量。衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),慣量越小,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大,馬達(dá)的負(fù)載也就越大,越難控制,但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu),對(duì)慣量匹配原則有不同的選擇,且有不同的作用表現(xiàn)。不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求,但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。一句話,慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。對(duì)于基礎(chǔ)金屬切削機(jī)床,對(duì)于伺服電機(jī)來說,一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機(jī)慣量的5倍。
慣量匹配對(duì)于電機(jī)選型很重要的,同樣功率的電機(jī),有些品牌有分輕慣量,中慣量,或大慣量。其實(shí)負(fù)載慣量最好還是用公式計(jì)算出來。常見的形體慣量計(jì)算公式在以前學(xué)的書里都有現(xiàn)成的(可以去查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè))。我們?cè)?jīng)做過一試驗(yàn),在一伺服電機(jī)的軸伸,加一大的慣量盤準(zhǔn)備用來做測(cè)試,結(jié)果是:伺服電機(jī)低速時(shí)停不住,搖頭擺尾,不停地振蕩怎么也停不下來。后來改為:在兩個(gè)伺服電機(jī)的軸伸對(duì)接加裝聯(lián)軸器,對(duì)其中一個(gè)伺服電機(jī)通電,作為動(dòng)力即主動(dòng),另一個(gè)伺服電機(jī)作為從動(dòng),即做為一個(gè)小負(fù)載。原來那個(gè)搖頭擺尾的伺服電機(jī),啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、停止,運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常!
三、慣量的理論計(jì)算的功式?
慣量計(jì)算都有公式,至于多重負(fù)載,比如齒輪又帶齒輪,或渦輪蝸桿傳動(dòng),只要分別算出各轉(zhuǎn)動(dòng)件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量,電機(jī)選型時(shí)建議根椐不同的電機(jī)進(jìn)行選配。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量肯定是要設(shè)計(jì)時(shí)通過計(jì)算算出來拉,如果沒有這個(gè)值,電機(jī)選型肯定是不那么合理的,或者肯定會(huì)有問題的,這是選伺服的最重要的幾個(gè)參數(shù)之一。至于電機(jī)慣量,電機(jī)樣本手冊(cè)上都有標(biāo)注。當(dāng)然,對(duì)某些伺服,可以通過調(diào)整伺服的過程測(cè)出負(fù)載的慣量,作為理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的參考。畢竟在設(shè)計(jì)階段,很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來猜,不可能準(zhǔn)確。理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的公式:(僅供參考)通常將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來表示,它們之間的關(guān)系為
J=mp^2=GD^2/4g
式中
m與G-轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量(kg)與重量(N);
D-慣性半徑與直徑(m);
g=9.81m/s2-重力加速度飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375
當(dāng)然,理論與實(shí)際總會(huì)有偏差的,有些地區(qū)(如在歐洲),一般是采用中間值通過實(shí)際測(cè)試得到。這樣,相對(duì)我們的經(jīng)驗(yàn)公式要準(zhǔn)確一些。不過,在目前還是需要計(jì)算的,也有固定公式可以去查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的。
四、關(guān)于摩擦系數(shù)?
關(guān)于摩擦系數(shù),一般電機(jī)選擇只是考慮一個(gè)系數(shù)加到計(jì)算過程中,在電機(jī)調(diào)整時(shí)通常都不會(huì)考慮。不過,如果這個(gè)因素很大,或者講,足以影響電機(jī)調(diào)整,有些日系通用伺服,據(jù)稱有一個(gè)參數(shù)是用來專門測(cè)試的,至于是否好用,本人沒有用過,估計(jì)應(yīng)該是好用的。有網(wǎng)友發(fā)貼說,曾有人發(fā)生過這樣的情況:設(shè)計(jì)時(shí)照搬國外的機(jī)器,機(jī)械部分號(hào)稱一樣,電機(jī)功率放大了50%選型,可是電機(jī)轉(zhuǎn)不動(dòng)。因?yàn)闃訖C(jī)的機(jī)械加工、裝配的精度太差,負(fù)載慣量是差不多,可摩擦阻力相差太多了,對(duì)具體工況考慮不周。當(dāng)然,黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個(gè)問題。摩擦系數(shù)是不變值,這點(diǎn)可以通過電機(jī)功率給予補(bǔ)償,但黏性阻尼是變值,通過增大電機(jī)功率當(dāng)然可以緩解,但其實(shí)是不合理的。況且沒有設(shè)計(jì)依據(jù),這個(gè)最好是在機(jī)械狀態(tài)上解決,沒有好的機(jī)械狀態(tài),伺服調(diào)整完全是一句空話。還有,黏性阻尼跟機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配等相關(guān),這些在選型時(shí)是必須考慮的。而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的,正是因?yàn)榧庸に讲粔虿旁斐傻哪Σ料禂?shù)不定,不同點(diǎn)相差較大,甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會(huì)導(dǎo)致很大的差異,這些在電機(jī)選型時(shí)必須要考慮的。這樣,才會(huì)有保險(xiǎn)系數(shù),當(dāng)然歸根結(jié)底還是電機(jī)功率的問題。
五、慣量的理論計(jì)算后,微調(diào)修正的簡單化
可能有些朋友覺的:太復(fù)雜了!實(shí)際情況是,某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定,在滿足功率,轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速的條件下,產(chǎn)品型號(hào)已經(jīng)確定,如果慣量仍然不能滿足,能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求?答案是:功率提高可以帶動(dòng)加速度提高的話,應(yīng)是可以的。
六、伺服電機(jī)選型
在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后,就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。
(1)選型條件:一般情況下,選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況:
1.馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速。
2.馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。
3連續(xù)負(fù)載工作扭力≤馬達(dá)額定扭力
4.馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時(shí)扭力)
(2)選型計(jì)算:
1.慣量匹配計(jì)算(JL/JM)
2.回轉(zhuǎn)速度計(jì)算(負(fù)載端轉(zhuǎn)速,馬達(dá)端轉(zhuǎn)速)3.負(fù)載扭矩計(jì)算(連續(xù)負(fù)載工作扭矩,加速時(shí)扭矩。
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