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重型數(shù)控加工中心伺服驅(qū)動(dòng)中的慣量匹配分析
閱讀：193 發(fā)布時(shí)間：2020-8-10文章預(yù)覽：
機(jī)械傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率以及動(dòng)態(tài)性能，尤其對(duì)于重型加工中心其移動(dòng)負(fù)載慣量大，所以必須處理好負(fù)載/電機(jī)的慣量匹配問(wèn)題。根據(jù)牛頓第二定律有：系統(tǒng)加速轉(zhuǎn)矩=系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣M X角加速度，進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)選定之h，電機(jī)轉(zhuǎn)矩大值也就確定了，如果希望系統(tǒng)角加速度的變化小，應(yīng)使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化小，則負(fù)載變化所占比例小些，這就是常說(shuō)的“慣量匹配"[1]。
*志等人指出若僅考慮轉(zhuǎn)矩匹配而忽略了慣量E配，會(huì)影響交流伺服系統(tǒng)的靈敏度、伺服精度、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間等p。而且作雙軸M步驅(qū)動(dòng)M服系統(tǒng)中，慣 [1] [2]量不叩配會(huì)造成兩軸運(yùn)動(dòng)不同步，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩或抖動(dòng)，降低加工精度，所以一定要處理好慣量匹配的問(wèn)題。?般認(rèn)為負(fù)載慣彳I越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好：相反，負(fù)載慣量越大，電機(jī)越難控制，當(dāng)負(fù)載慣量大于或等于3倍的電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量時(shí)，伺服電機(jī)的可控性會(huì)顯著下降，系統(tǒng)可能出現(xiàn)工作不正常[3_5]，在高速切削下表現(xiàn)尤為突出。
季晶晶[6]等提出，對(duì)于重型數(shù)控加工中心由于其自身的一些特點(diǎn)，各個(gè)部件慣量差異比較大，之間會(huì)存在響應(yīng)不一致和參數(shù)不匹配的情況，導(dǎo)致其控制精度變差，其中慣性滯后是這類大慣量物體的一個(gè)明顯特征，對(duì)精度影響尤其重要。吳沁[7]等針對(duì)大慣量的滾珠絲杠伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)，采用定量求解以及數(shù)值
仿真的方式，對(duì)其中的非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了大慣量進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系和匹配規(guī)律，總結(jié)出非線況下的一些加工策略。西安交大的劉輝[8]等人通過(guò)建立進(jìn)給系統(tǒng)的雙慣量模型，從能量耦合、閉環(huán)控制增益上限、閉環(huán)頻率特性及抗干擾剛度等方面對(duì)負(fù)載慣量比進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，并給出了綜合考慮各項(xiàng)性能的進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載慣量比設(shè)計(jì)步驟和方法。2012年，清華大學(xué)的Sha〇[9]等人通過(guò)對(duì)某并聯(lián)機(jī)器人的研究，綜合考慮加工中心共振頻率、加速力矩、動(dòng)態(tài)性能，結(jié)合仿真得出了慣量指標(biāo)以及合適的慣量匹配范圍，并得到推廣應(yīng)用。2015年，華中科技大學(xué)的楊森[1°]通過(guò)建立加工中心虛擬樣機(jī)的機(jī)電聯(lián)合仿真平臺(tái)，分析了不同驅(qū)動(dòng)方式和不同加工工況下加工中心進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載慣量比。
為了使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的匹配性能，提高工作效率，本文搭建了數(shù)控加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)通用的全閉環(huán)仿真控制模型，以GMC1600H/2五坐標(biāo)橫梁移動(dòng)龍門加工中心軸為研宄對(duì)象，從時(shí)域和頻域上分別仿真分析慣量比對(duì)系統(tǒng)的影響，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)雙軸聯(lián)動(dòng)下系統(tǒng)輪廓誤差進(jìn)行仿真分析，后給出了直線加工和圓弧加工兩種加工形式下較優(yōu)的慣量比，同時(shí)說(shuō)明了在超過(guò)一定慣量比范圍后，系統(tǒng)輪廓誤差會(huì)呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。
1伺服進(jìn)給系統(tǒng)仿真模型
數(shù)控加工中心伺服控制單元與機(jī)械裝置之間通過(guò)伺服電機(jī)輸出扭矩起來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工中心高精度的控制，現(xiàn)在加工中心一般采用全閉環(huán)控制方式，伺服系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置直接進(jìn)行檢測(cè)，并比較位置信息反饋值與指令位值，通過(guò)將差值放大實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)速度和位置精準(zhǔn)控制。于是在Simulink中建立數(shù)控加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)通用的全閉環(huán)仿真模型，如下面圖1所示。
2慣量比對(duì)單軸系統(tǒng)性能影響分析
在加工中心實(shí)際的工作過(guò)程中由于工況的不同從而造成了不同慣量比下加工中心的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的不同，合理的慣量匹配對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有較大影響，它可以保證合理的響應(yīng)速度，從而抑制諧振的發(fā)生，進(jìn)一步改善重型加工中心低速爬行的現(xiàn)象，進(jìn)而滿足整機(jī)的高運(yùn)動(dòng)速度、定位精度等技術(shù)性指標(biāo)。為了使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的匹配性能，提高工作效率，于是在Sim-ulink 中建立數(shù)控加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)通用 的仿真模型，以GMC1600H/2五坐標(biāo)橫梁移動(dòng)龍門加工中心Z軸為研究對(duì)象，進(jìn)行仿真、分析慣量比對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的
影響。
2.1慣量比對(duì)系統(tǒng)時(shí)域內(nèi)特性的影響2-1-1慣量比對(duì)單位階躍響應(yīng)性能的影響
調(diào)節(jié)圖1中的控制器參數(shù)，利用Simulink中PID調(diào)節(jié)器模塊提供的tune功能可以實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)快速、簡(jiǎn)便調(diào)整，分別對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)參數(shù)進(jìn)行整定，使速度環(huán)超調(diào)量為20%，增大位置環(huán)比例增益使位置環(huán)不產(chǎn)生超調(diào)，然后對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，仿真模型包含五種慣量比，通過(guò)調(diào)整各自的位置環(huán)增益和速度環(huán)PI控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，使其達(dá)到響應(yīng)，仿真得到相應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。
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結(jié)束語(yǔ)：
本文在Simulink中建立數(shù)控加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)通用的仿真模型，仿真得到隨著慣量比增加系統(tǒng)在時(shí)域、頻域內(nèi)的特性以及雙軸聯(lián)動(dòng)K直線軌跡和_形軌跡輪廊漢差的變化：
(1) 單軸系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)的特性：隨著慣量比的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)越慢，到達(dá)峰值時(shí)間逐漸增加，系統(tǒng)的跟隨誤差逐漸增大,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也越長(zhǎng)，位置環(huán)增益上限逐漸減小，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間逐漸減小，抗*力逐漸增加。
(2) 單軸系統(tǒng)在頻域內(nèi)的特性：隨著慣量比的增加，系統(tǒng)的控制帶寬逐漸增加，震蕩性逐漸減弱；不同慣量比系統(tǒng)在低頻干擾下抗擾動(dòng)剛度基本相同，且都隨著頻率增加有下降趨勢(shì)；但在高頻下隨著慣量比增大，系統(tǒng)抗擾動(dòng)剛度隨之增加，且隨著頻率增大系統(tǒng)抗擾動(dòng)剛度也隨著增加，表現(xiàn)為高速切削下的抗擾動(dòng)性能較強(qiáng)。
(3) 雙軸1「(動(dòng)輪廓W差的變化：隨fH貫V:比的增加，系統(tǒng)在啟動(dòng)加速階段的直線輪廓誤差波動(dòng)隨之增大，在換向時(shí)圓輪廓誤差波動(dòng)隨之增大，并且得到兩種加工形式下較優(yōu)的慣量比:對(duì)于直線加工，為了獲得較好的輪廓精度，慣量比在1 ~3是的選擇；對(duì)于圓弧加工，慣量比在1 ~4是的選擇。