要說(shuō)剛性,先說(shuō)剛度。
剛度是指材料或結構在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。是材料或結構彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量E來(lái)衡量。在宏觀(guān)彈性范圍內,剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數,即引起單位位移所需的力。它的倒數稱(chēng)為柔度,即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度。
一個(gè)結構的剛度(k)是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。k=P/δ,P是作用于結構的恒力,δ是由于力而產(chǎn)生的形變。
轉動(dòng)結構的轉動(dòng)剛度(k)為:k=M/θ 其中,M為施加的力矩,θ為旋轉角度。
舉個(gè)例子,我們知道鋼管比較堅硬,一般受外力形變小,而橡皮筋比較軟,受到同等力產(chǎn)生的形變就比較大,那我們就說(shuō)鋼管的剛性強,橡皮筋的剛性弱,或者說(shuō)其柔性強。
在伺服電機的應用中,用聯(lián)軸器來(lái)連接電機和負載,就是典型的剛性連接;而用同步帶或者皮帶來(lái)連接電機和負載,就是典型的柔性連接。
電機剛性就是電機軸抗外界力矩干擾的能力,而我們可以在伺服控制器調節電機的剛性。
伺服電機的機械剛度跟它的響應速度有關(guān),一般剛性越高其響應速度也越高,但是調太高的話(huà),很容易讓電機產(chǎn)生機械共振,所以,在一般的伺服放大器參數里面都有手動(dòng)調整響應頻率的選項,要根據機械的共振點(diǎn)來(lái)調整,需要時(shí)間和經(jīng)驗(其實(shí)就是調增益參數)。
在伺服系統位置模式下,施加力讓電機偏轉,如果用力較大且偏轉角度較小,那么就認為伺服系統剛性強,反之則認為伺服剛性弱。注意這里我說(shuō)的剛性,其實(shí)更接近響應速度這個(gè)概念。從控制器角度看的話(huà),剛性其實(shí)是速度環(huán),位置環(huán)和時(shí)間積分常數組合成的一個(gè)參數,它的大小決定機械的一個(gè)響應速度。
像松下和三菱伺服都有自動(dòng)增益功能。通常不需要特別去調整。國產(chǎn)的一些伺服,只能夠手工調整。
其實(shí)如果你不要求定位快,只要準,在阻力不大的時(shí)候,剛性低,也可以做到定位準,只不過(guò)定位時(shí)間長(cháng)。因為剛性低的話(huà)定位慢,在要求響應快,定位時(shí)間短的情況下,就會(huì )有定位不準的錯覺(jué)。
而慣量描述的是物體運動(dòng)的慣性,轉動(dòng)慣量是物體繞軸轉動(dòng)慣性的度量。轉動(dòng)慣量只跟轉動(dòng)半徑和物體質(zhì)量有關(guān)。一般負載慣量超過(guò)電機轉子慣量的10倍,可以認為慣量較大。
導軌和絲杠的轉動(dòng)慣量對伺服電機傳動(dòng)系統的剛性影響很大,固定增益下,轉動(dòng)慣量越大,剛性越大,越易引起電機抖動(dòng);轉動(dòng)慣量越小,剛性越小,電機越不易抖動(dòng)??赏ㄟ^(guò)更換較小直徑的導軌和絲桿減小轉動(dòng)慣量從而減小負載慣量來(lái)達到電機不抖動(dòng)。
我們知道通常在伺服系統選型時(shí),除考慮電機的扭矩和額定速度等等參數外,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)(手動(dòng)模式下),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。
那到底什么是“慣量匹配”呢?
其實(shí)也不難理解,根據牛二定律:
“進(jìn)給系統所需力矩= 系統轉動(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。
伺服電機選定后最大輸出值不變,如果希望θ的變化小,則J就應該盡量小。
而上面的,系統轉動(dòng)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”。
一般來(lái)說(shuō),小慣量的電機制動(dòng)性能好,啟動(dòng),加速停止的反應很快,高速往復性好,適合于一些輕負載,高速定位的場(chǎng)合。中、大慣量的電機適用大負載、平穩要求比較高的場(chǎng)合,如一些圓周運動(dòng)機構和一些機床行業(yè)。
所以伺服電機剛性過(guò)大,剛性不足,一般是要調控制器增益改變系統響應了。慣量過(guò)大,慣量不足,說(shuō)的是負載的慣量變化和伺服電機慣量的一個(gè)相對的比較。
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