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慣性匹配在伺服電動機選型中的應用.pdf

'慣性匹配在伺服電動機選型中的應用.pdf'
一 化 ,llCS 欄目主持 .趙 宇龍 慣性匹配在伺服電動機選型中的應用 青海第二機床制造有限責任公司 (西寧 810021) 王 勇 在數控機床中,伺服系統是數控裝 置與機 床的 中間連接環節,正確選擇伺服 電動機對伺服進 給系 統性能至關重要。受傳統思維 的影響 ,人們在數控 設計 中往 往 只 重視 轉 矩 匹 配 ,而 忽 視 慣 量 匹配 ,以 致影 響整 機 性 能 ,但 轉 動 慣 量 對 伺 服 系 統 的精 度 、 穩 定性 、動態 響應 都 有 影 響 。慣 量 大 ,系統 的機 械 常數大,響應慢 ,會使 系統 的固有頻率下 降,容 易 產 生諧振 ,因而 限制 了伺 服 帶 寬 ,影 響 了 伺 服 精 度 和響應速度 ,慣量的適當增大對改善低速爬行 時有 利 。 因此 ,機 械 設 計 在 不 影 響 系 統 剛 度 的條 件 下 , 應盡量減小慣量。所 以伺服電動機慣量匹配是伺服 系統動態 性能 的重要 指標 。 1.慣量 匹 配 (1) 根據 牛 頓 第 二 定律 :進 給 系 統所 需 轉矩 = 系統 傳動慣 量 J X角 加 速度 0,角 加 速度 越 小 ,則 由控 制器發 出指 令 到 系 統 執 行完 畢 的時 間 越 長 ,系 統反應 越 慢 。如 果 角加 速 度 出現 變 化 ,則 系 統 反 應 將忽快忽慢,影響加工精度。由于伺服 電動機選定 后最大輸 出轉矩值不變。如果希望角加速度 的變化 小 ,則系統 轉 到 慣量 應該 盡 量 小 ,而 系統 總慣 量 包 括伺 服 電動機 的 旋 轉 轉 動慣 量 與 電動 機軸 換 算 的 負 載慣 量 。同樣 當伺 服 電 動機 選 定 后 ,伺 服 電動 機 轉 動慣 量也 為定值 ,系統 總 慣量 就 由負載 慣量 所 決 定 。 負載 慣 量 由 滾 珠 絲 桿 ,聯 軸 器 或 齒 輪 、 同步 帶 輪 , 工作 臺及 上 面裝 的夾 具 和 工 件 等直 線 和 旋 轉 運 動 部 件的慣量折合到伺服電動機上慣量組成。負載慣量 則 隨工 件等 負 載 改 變 而發 生 變 化 。如 果 希 望 系統 慣 量 變化率 小 些 ,則 最 好 負 載 變 化所 占 比例 小些 。 這 就 是通俗 意 義上 的 “慣量 匹配”。 (2)進給系統包括穩態與動態兩個方面。進 給 系統 穩態 性 能 主 要考 慮 電動 機 的 轉 矩 ,進 給 系統 對 動態 性能 要 求 加 減速 快 、瞬態 響應 過 程 平 穩 等 。慣 72 爭磊 秈 工 量 越小 ,系統 的動 態特 性 反 應 越 好 。慣 量 越 大 ,伺 服 電動機 的負 載 也 就越 大 ,越 難 控 制 ,特 別 是 對 于 數控 機床 高 速 切 削 時 ,機 械 響 應 慢 ,加 工 丁 件 誤 差 大 。所 以機械 系 統 的慣 量 需 和 伺 服 電 動機 相 匹配 才 行 。在機 械傳 動 系 統 設計 合理 的前 提 下 ,對 于進 給 系統機 械傳 動 部件 直接 聯 接 或 少 用 齒輪 、同 步傳 動 帶 聯接 。為 保證 系 統 有 良好 的動 態 性 能 ,作 為進 給 系統 的一般 設 計 原 則 ,同 時也 是 選 擇 伺 服 電 動 機 原 則 ,慣量 的選 擇應滿 足如下 公式 0<., < (2~3) (1) 式 中 ,J.是負 載慣量 (kg-m ); 是 電動 機轉 子的 慣 量 (kg· m )。 當負載 慣 量 等 于 3倍 的 電動 機 轉 子 的慣 量 時 , 伺 服 電動機 的可 控 性 會 明 顯下 降 ,在 高 速 切 削 式 表 現突 出 。如果 折 合 到 伺 服 電 動機 軸 上 的 負 載 慣 量 大 于伺 服 電動 機轉 子慣量 的 3~5倍 ,系統 白丁能 工作 不 正常 。實 際情 況 是 運行 出現 嚴 重 的震 蕩 ,電動 機 負 載率 為 75%左右 。 2.運動部件慣量的計算 (1)旋轉運動部件在旋轉運動部件 中,滾珠絲 桿 、聯 軸 器或 齒 輪 、同 步 帶 輪等 大 部 分 均 可 以通 過 如 下實心 圓柱體 的慣量 計算 基本公 式 1 .,( = RD L (2) J 厶 式 中 ,凡 是 圓 柱 體 慣 量 (kg· m );R 是 材 料 密 度 (kg/m );D是實 心 圓柱 體直 徑 (In);L是 實心 圓柱 體 長度 (II1)。 (2)直 線 運 動 部 件 直 線 運 動 部 件 的工 作 臺 、 工 件等 。其慣 量計算 基本公 式 玎 = ( ) M (3) 厶 II 式 中 ,., 是 直線 運動部 件慣 量 (kg· m );M 是 運動 部件 質量 (kg); 是 絲杠螺 距 (m)。
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選型 慣性 電動機 伺服 匹配 應用
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