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深度解析伺服系统选型及调试中行星减速机惯量问题



导读:

      随着自动化技术的不断进步,越来越多的自动化机械设备制造商选择精度更高的伺服传动系统,而在此对于伺服系统选型及调试中行星减速机惯量问题一直是产品研发工程师头疼的问题,本文参照宇鑫伺服专用行星减速机设计生产原理,结合惯量各方面的问题加以解读。

深度解析伺服系统选型及调试中行星减速机惯量问题



    在伺服系统选型时,除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外,我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量,再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机;在调试时,正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前提。此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出,这样,就有了惯量匹配的问题。


1、根据牛顿第二定律:
    “进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ角”。
加速度θ影响系统的动态特性,θ越小,则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长,系统反应越慢。如果θ变化,则系统反应将忽快忽慢,影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变,如果希望θ的变化小,则J应该尽量小。

2、进给轴的总惯量“J=伺服电机的旋转惯性动量JM + 电机轴换算的负载惯性动量JL。
     负载惯量JL由(以平面金切机床为例)工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。 JM为伺服电机转子惯量,伺服电机选定后,此值就为定值,而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些,则最好使JL所占比例小些,这也就是通俗意义上我们所讲的“惯量匹配”。传动惯量对伺服系统的精度,稳定性,动态响应都有影响。惯量大,系统的机械常数大,响应慢,会使系统的固有频率下降,容易产生谐振,因而限制了伺服带宽,影响了伺服精度和响应速度,惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利,因此,机械设计时在不影响系统刚度的条件下,应尽量减小惯量。衡量机械系统的动态特性时,惯量越小,系统的动态特性反应越好;惯量越大,马达的负载也就越大,越难控制,但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。 不同的机构,对惯量匹配原则有不同的选择,且有不同的作用表现。不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求,但大多要求JL与JM的比值小于十以内。

    总之,惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。 对于基础金属切削机床,对于伺服电机来说,一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。

    惯量匹配对于电机选型很重要的,同样功率的电机,有些品牌有分轻惯量,中惯量,或大惯量。其实负载惯量最好还是用公式计算出来。常见的形体惯量计算公式在以前学的书里都有现成的(可以去查机械设计手册)。至于电机惯量,电机样本手册上都有标注。当然,对某些伺服,可以通过调整伺服的过程测出负载的惯量,作为理论设计中的计算的参考。毕竟在设计阶段,很多类似摩擦系数之类的参数只能根据经验来猜,不可能准确。 理论设计中的计算的公式:(仅供参考)通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示,它们之间的关系为J=mp^2=GD^2/4g。式中m与G-转动部分的质量(kg)与重量(N);D-惯性半径与直径(m);g=9.81m/s2-重力加速度 飞轮惯量=速度变化率*飞轮距/375。当然,理论与实际总会有偏差的,有些地区(如在欧洲),一般是采用中间值通过实际测试得到。这样,相对我们的经验公式要准确一些。

    关于摩擦系数,一般电机选择只是考虑一个系数加到计算过程中,在电机调整时通常都不会考虑。不过,如果这个因素很大,或者讲,足以影响电机调整,有些日系通用伺服,据称有一个参数是用来专门测试的,至于是否好用,本人没有用过,估计应该是好用的。可能有些朋友觉的:太复杂了!实际情况是,某品牌的产品各种各样的参数已经确定,在满足功率,转矩,转速的条件下,产品型号已经确定,如果惯量仍然不能满足,能否将功率提高一档来满足惯量的要求?  答案是:功率提高可以带动加速度提高的话,应是可以的。在选择好机械传动方案以后,就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。

   1、选型条件:一般情况下,选择伺服电机需满足下列情况:
马达最大转速>系统所需之最高移动转速。
马达的转子惯量与负载惯量相匹配
连续负载工作扭力≤马达额定扭力
马达最大输出扭力>系统所需最大扭力(加速时扭力)

   2、选型计算:
惯量匹配计算(JL/JM)
回转速度计算(负载端转速,马达端转速)
负载扭矩计算(连续负载工作扭矩,加速时扭矩)
    宇鑫伺服专用行星减速机,内部齿轮采用20CrMnTi渗碳淬火和磨齿具有体积小、重量轻,承载能力高,使用寿命长、运转平稳,噪声低、输出扭矩大,速比大、效率高、性能安全的特点。兼具功率分流、多齿啮合独用的特性。是一种具有广泛通用性的新型减速机。最大输入功率可达104kW。适用于起重运输、工程机械、冶金、矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器和航空航天等工业部门。了解更多咨讯可关注宇鑫机电官网:http://www.twyuxin.com/或咨询全国服务热线:400-887-3358.


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