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維修技術(shù)
淺析伺服電機慣量問(wèn)題
內容簡(jiǎn)介:傳動(dòng)慣量對伺服系統的精度,穩定性,動(dòng)態(tài)響應都有影響。 慣量大,系統的機械常數大,響應慢,會(huì )使系統的固有頻率下降,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速度,慣量的適當增大只有在改善低速爬行時(shí)有利,因此,機械設計時(shí)在不影響系統剛度的條件下,應盡量減小慣量。
      在伺服系統選型及調試中,常會(huì )碰到慣量問(wèn)題。其具體表現為:  在伺服系統選型時(shí),除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外,我們還需要先計算得知機械系統換算到電機軸的慣量,再根據機械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來(lái)具體選擇具有合適慣量大小的電機;在調試時(shí),正確設定慣量比參數是充分發(fā)揮機械及伺服系統最佳效能的前提。此點(diǎn)在要求高速高精度的系統上表現尤為突出,這樣,就有了慣量匹配的問(wèn)題。 

一、什么是“慣量匹配”? 
      1、根據牛頓第二定律:“進(jìn)給系統所需力矩T = 系統傳動(dòng)慣量J × 角加速度θ角”。 加速度θ影響系統的動(dòng)態(tài)特性,θ越小,則由控制器發(fā)出指令到系統執行完畢的時(shí)間越長(cháng),系統反應越慢。如果θ變化,則系統反應將忽快忽慢,影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變,如果希望θ的變化小,則J應該盡量小。

      2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機的旋轉慣性動(dòng)量JM + 電機軸換算的負載慣性動(dòng)量JL。負載慣量JL由(以平面金切機床為例)工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線(xiàn)和旋轉運動(dòng)件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。 JM為伺服電機轉子慣量,伺服電機選定后,此值就為定值,而JL則隨工件等負載改變而變化。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)慣量對伺服系統的精度,穩定性,動(dòng)態(tài)響應都有影響。 慣量大,系統的機械常數大,響應慢,會(huì )使系統的固有頻率下降,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速度,慣量的適當增大只有在改善低速爬行時(shí)有利,因此,機械設計時(shí)在不影響系統剛度的條件下,應盡量減小慣量。 衡量機械系統的動(dòng)態(tài)特性時(shí),慣量越小,系統的動(dòng)態(tài)特性反應越好;慣量越大,馬達的負載也就越大,越難控制,但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。 不同的機構,對慣量匹配原則有不同的選擇,且有不同的作用表現。 不同的機構動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對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?xún)取R痪湓?huà),慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì) 量要求來(lái)確定。 對于基礎金屬切削機床,對于伺服電機來(lái)說(shuō),一般負載慣量建議應小于電機慣量的5倍。 
      慣量匹配對于電機選型很重要的,同樣功率的電機,有些品牌有分輕慣量,中慣量,或大慣量。其實(shí)負載慣量最好還是用公式計算出來(lái)。常見(jiàn)的形體慣量計算公式在以前學(xué)的書(shū)里都有現成的(可以去查機械設計手冊)。 我們曾經(jīng)做過(guò)一試驗,在一伺服電機的軸伸,加一大的慣量盤(pán)準備用來(lái)做測試,結果是:伺服電機低速時(shí)停不住,搖頭擺尾,不停地振蕩怎么也停不下來(lái)。 后來(lái)改為:在兩個(gè)伺服電機的軸伸對接加裝聯(lián)軸器,對其中一個(gè)伺服電機通電,作為動(dòng)力即主動(dòng),另一個(gè)伺服電機作為從動(dòng),即做為一個(gè)小負載。原來(lái)那個(gè)搖頭擺尾的伺服電機,啟動(dòng)、運動(dòng)、停止,運轉一切正常!

三、慣量的理論計算的功式?  
      慣量計算都有公式,至于多重負載,比如齒輪又帶齒輪,或渦輪蝸桿傳動(dòng),只要分別算出各轉動(dòng)件慣量然后相加即是系統慣量,電機選型時(shí)建議根椐不同的電機進(jìn)行選配。 負載的轉動(dòng)慣量肯定是要設計時(shí)通過(guò)計算算出來(lái)拉,如果沒(méi)有這個(gè)值,電機選型肯定是不那么合理的,或者肯定會(huì )有問(wèn)題的,這是選伺服的最重要的幾個(gè)參數之一。至于電機慣量,電機樣本手冊上都有標注。 當然,對某些伺服,可以通過(guò)調整伺服的過(guò)程測出負載的慣量,作為理論設計中的計算的參考。畢竟在設計階段,很多類(lèi)似摩擦系數之類(lèi)的參數只能根據經(jīng)驗來(lái)猜,不可能準確。 理論設計中的計算的公式:(僅供參考) 通常將轉動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來(lái)表示,它們之間的關(guān)系為 
      J=mp^2= GD^2/4g 
      式中
      m與G-轉動(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 
      當然,理論與實(shí)際總會(huì )有偏差的,有些地區(如在歐洲),一般是采用中間值通過(guò)實(shí)際測試得到。這樣,相對我們的經(jīng)驗公式要準確一些。不過(guò),在目前還是需要計算的,也有固定公式可以去查機械設計手冊的。

四、關(guān)于摩擦系數?  
      關(guān)于摩擦系數,一般電機選擇只是考慮一個(gè)系數加到計算過(guò)程中,在電機調整時(shí)通常都不會(huì )考慮。不過(guò),如果這個(gè)因素很大,或者講,足以影響電機調整,有些日系通用伺服,據稱(chēng)有一個(gè)參數是用來(lái)專(zhuān)門(mén)測試的,至于是否好用,本人沒(méi)有用過(guò),估計應該是好用的。 有網(wǎng)友發(fā)貼說(shuō),曾有人發(fā)生過(guò)這樣的情況:設計時(shí)照搬國外的機器,機械部分號稱(chēng)一樣,電機功率放大了50%選型,可是電機轉不動(dòng)。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差,負載慣量是差不多,可摩擦阻力相差太多了,對具體工況考慮不周。 當然,黏性阻尼和摩擦系數不是同一個(gè)問(wèn)題。 摩擦系數是不變值,這點(diǎn)可以通過(guò)電機功率給予補償,但黏性阻尼是變值,通過(guò)增大電機功率當然可以緩解,但其實(shí)是不合理的。況且沒(méi)有設計依據,這個(gè)最好是在機械狀態(tài)上解決,沒(méi)有好的機械狀態(tài),伺服調整完全是一句空話(huà)。 還有,黏性阻尼跟機械結構設計、加工、裝配等相關(guān),這些在選型時(shí)是必須考慮的。而且跟摩擦系數也是息息相關(guān)的,正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數不定,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 )導致很大的差異,這些在電機選型時(shí)必須要考慮的。這樣,才會(huì )有保險系數,當然歸根結底還是電機功率的問(wèn)題。 

五、慣量的理論計算后,微調修正的簡(jiǎn)單化 
      可能有些朋友覺(jué)的:太復雜了! 實(shí)際情況是,某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數已經(jīng)確定,在滿(mǎn)足功率,轉矩,轉速的條件下,產(chǎn)品型號已經(jīng)確定,如果慣量仍然不能滿(mǎn)足,能否將功率提高一檔來(lái)滿(mǎn)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(huà),應是可以的。 

六、伺服電機選型 
      在選擇好機械傳動(dòng)方案以后,就必須對伺服電機的型號和大小進(jìn)行選擇和確認。
      (1)選型條件:一般情況下,選擇伺服電機需滿(mǎn)足下列情況:  
        1.馬達最大轉速>系統所需之最高移動(dòng)轉速。  
        2.馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配。 
        3.連續負載工作扭力≤馬達額定扭力 
        4.馬達最大輸出扭力>系統所需最大扭力(加速時(shí)扭力) 
 
      (2)選型計算: 
        1. 慣量匹配計算(JL/JM)  
        2. 回轉速度計算(負載端轉速,馬達端轉速) 3. 負載扭矩計算(連續負載工作扭矩,加速時(shí)扭矩。
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