【摘要】 伺服系統(tǒng)負(fù)載慣量比對(duì)快速響應(yīng)性,運(yùn)行穩(wěn)定性很重要。本文給出了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量計(jì)算方法及實(shí)際應(yīng)用案例。
【關(guān)鍵字】慣量計(jì)算、慣量比、伺服系統(tǒng)
0 引言
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Moment of Inertia)是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性(回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性)的量度,用字母I或J表示。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動(dòng)力學(xué)中的質(zhì)量,可形象地理解為一個(gè)物體對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性。在負(fù)載加速和減速的過程中,慣量是一個(gè)非常重要的參數(shù),因此在運(yùn)動(dòng)控制中需要非常熟練的掌握常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量計(jì)算方法。
本文整理了各種常見機(jī)構(gòu)的慣量計(jì)算方法,給出兩種應(yīng)用案例中,睿馳伺服電機(jī)選型計(jì)算例題。
1 服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,常見5種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量計(jì)算方法
1.1常見物體慣量計(jì)算
模型1、長(zhǎng)為L(zhǎng)的細(xì)棒,旋轉(zhuǎn)中心通過細(xì)棒的中心并與細(xì)棒垂直,如下圖所示。
在棒上離軸x處,取一長(zhǎng)度元dx,假設(shè)棒的質(zhì)量密度為λ,則長(zhǎng)度元的質(zhì)量為dm=λdx,根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式:
得到
將 代入上式,得
模型2、長(zhǎng)為L(zhǎng)的細(xì)棒,旋轉(zhuǎn)中心通過細(xì)棒的一端A并與細(xì)棒垂直,如下圖所示。
同理可得出
將 代入上式,得
模型3、半徑為R的質(zhì)量均勻的細(xì)圓環(huán),質(zhì)量為m,旋轉(zhuǎn)中心通過圓心并與環(huán)面垂直。
取一長(zhǎng)度元dx,假設(shè)棒的質(zhì)量密度為λ,則長(zhǎng)度元的質(zhì)量為 ,根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式:
得到
將 代入上式,得
模型4、質(zhì)量為m、半徑為R、厚度為h的圓盤或?qū)嵭膱A柱體,繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。
取任意半徑為r,寬度為dr的薄圓環(huán),設(shè)ρ為圓盤的密度,dm為薄圓環(huán)的質(zhì)量,則此圓環(huán)轉(zhuǎn)到的慣量為 ,將 代入
得
由 , 可得
按照此公式,直徑為D的圓柱體繞中心軸旋轉(zhuǎn)的慣量為:
,其中L為圓柱長(zhǎng)度, 為密度。
模型5、絲桿帶動(dòng)的負(fù)載慣量:
注:式中Pb為絲杠導(dǎo)程(螺距)
總結(jié):模型1與模型2可以應(yīng)用于均勻的長(zhǎng)條形或棒狀負(fù)載結(jié)構(gòu)的慣量計(jì)算。
模型3則可以應(yīng)用于同步輪負(fù)載結(jié)構(gòu)的慣量計(jì)算。
模型4則可以應(yīng)用于絲桿本身慣量的計(jì)算或圓柱體結(jié)構(gòu)的慣量計(jì)算。
模型5則可以應(yīng)用于絲桿帶動(dòng)的負(fù)載慣量計(jì)算。
注:常見剛體慣量計(jì)算助記
1.2服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,常見5種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量計(jì)算方法
在上述五種模型的基礎(chǔ)上,可以給出伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,常見5種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量計(jì)算方法(絲桿機(jī)構(gòu)、同步帶輪機(jī)構(gòu),齒輪齒條結(jié)構(gòu)、圓盤結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)臂結(jié)構(gòu))
A、 絲桿結(jié)構(gòu):
絲桿慣量
聯(lián)軸器慣量
絲桿上負(fù)載慣量
加速力矩
勻速力矩
總力矩
B、 同步帶輪/齒條結(jié)構(gòu):
負(fù)載慣量
皮帶慣量
同步輪/齒輪慣量
勻速力矩
加速力矩
總力矩
C、 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu):
轉(zhuǎn)盤慣量
聯(lián)軸器慣量
加速力矩
長(zhǎng)臂結(jié)構(gòu):
長(zhǎng)臂慣量
負(fù)載慣量
加速力矩
2 計(jì)算選型舉例
睿馳公司的交流伺服電機(jī)一般有不同慣量的型號(hào)可供用戶選用,如60、80機(jī)座電機(jī)都有中慣量和小慣量?jī)煞N。下面通過兩個(gè)常見案例的負(fù)載慣量計(jì)算,合理電機(jī)選型,來說明減小慣量不匹配的方法。
2.1 絲桿結(jié)構(gòu)
已知:負(fù)載重量m=200kg,螺桿螺距 =20mm,螺桿直徑 =50mm,螺桿重量 =40kg,摩擦系數(shù)μ=0.002,機(jī)械效率η=0.9,負(fù)載移動(dòng)速度V=30m/min,全程移動(dòng)時(shí)間t=1.4s,加減速時(shí)間t1=t3=0.2s,靜止時(shí)間t4=0.3s。請(qǐng)選擇滿足負(fù)載需求的最小功率伺服電機(jī)。
解:1) 計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量
重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
總負(fù)載慣量
2)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速
電機(jī)所需轉(zhuǎn)速
3) 計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩
克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩
重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩
所需最大轉(zhuǎn)矩
選定電機(jī)方案:運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總慣量為145.29 ,需要最大轉(zhuǎn)矩為12.686Nm。睿馳DB-M12025電機(jī),額定轉(zhuǎn)速2500RPM,額定力矩12NM,轉(zhuǎn)子慣量29 ,負(fù)載慣量比=145/29≈5倍,符合要求。
2.2 同步輪結(jié)構(gòu)
已知:快速定位運(yùn)動(dòng)模型中,負(fù)載重量M=5kg,同步帶輪直徑D=60mm,D1=90mm,D2=30mm,負(fù)載與機(jī)臺(tái)摩擦系數(shù)μ=0.003,負(fù)載最高運(yùn)動(dòng)速度2m/s,負(fù)載從靜止加速到最高速度時(shí)間100ms,忽略各傳送帶輪重量,選擇伺服電機(jī)。
解:
1)計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量
2)計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩
克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩
加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
3)所需轉(zhuǎn)矩
4)計(jì)算電機(jī)所需要轉(zhuǎn)速
選定電機(jī)方案:
由上述計(jì)算結(jié)果,可選擇睿馳伺服電機(jī)DB-M19030(額定轉(zhuǎn)矩1.9NM,額定轉(zhuǎn)速3000RPM,電機(jī)慣量0.6 ),慣量比為:5 / 0.6=8.3倍。
筆者在一些客戶現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn), 有部分用戶選用了以下型號(hào)電機(jī):ACM6004L2H(額定力矩1.27NM,峰值轉(zhuǎn)矩3.81NM,額定轉(zhuǎn)速3000RPM,電機(jī)慣量0.42 kg.cm^2)。如果選擇了此方案,系統(tǒng)慣量比為5/0.42=11.9倍,動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及定位完成時(shí)間都會(huì)比選擇ACM6006L2H伺服方案要差,合理的慣量比對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很大的提升。
3 結(jié)論:
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有五種:絲桿機(jī)構(gòu)、同步帶輪機(jī)構(gòu),齒輪齒條結(jié)構(gòu)、圓盤結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)臂結(jié)構(gòu)。工程師宜熟練掌握各種機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上,才能正確計(jì)算慣量比。要提高伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性,首先必須提高機(jī)械傳動(dòng)部件的諧振頻率,即提高機(jī)械傳動(dòng)部件的剛性和減小機(jī)械傳動(dòng)部件的慣量。其次通過增大阻尼壓低諧振峰值也能提高快速響應(yīng)特性創(chuàng)造條件。第三,如果負(fù)載慣量較大時(shí),可以考慮采用減速機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)負(fù)載慣量與電機(jī)慣量之間的慣量比在合適范圍。在部分應(yīng)用案例中,也可以考慮選用慣量更大的電機(jī),來滿足降低慣量比,提高加速性能和穩(wěn)定性的要求。最后,伺服驅(qū)動(dòng)控制算法很多新技術(shù)的成功應(yīng)用,也為伺服系統(tǒng)更高精度、高平穩(wěn)性運(yùn)行提供了可能。更詳細(xì)慣量比合理取值的論述,可參考睿馳公司文章《伺服電機(jī)負(fù)載慣量比的合理取值》。
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