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重型數控加工中心伺服驅動中的慣量匹配分析
閱讀：200 發布時間：2020-8-10文章預覽：
機械傳動部件的轉動慣量會影響整個系統的諧振頻率以及動態性能，尤其對于重型加工中心其移動負載慣量大，所以必須處理好負載/電機的慣量匹配問題。根據牛頓第二定律有：系統加速轉矩=系統轉動慣M X角加速度，進給系統電機選定之h，電機轉矩大值也就確定了，如果希望系統角加速度的變化小，應使系統轉動慣量的變化小，則負載變化所占比例小些，這就是常說的“慣量匹配"[1]。
*志等人指出若僅考慮轉矩匹配而忽略了慣量E配，會影響交流伺服系統的靈敏度、伺服精度、瞬態響應時間等p。而且作雙軸M步驅動M服系統中，慣 [1] [2]量不叩配會造成兩軸運動不同步，系統出現振蕩或抖動，降低加工精度，所以一定要處理好慣量匹配的問題。?般認為負載慣彳I越小，系統的動態響應越好：相反，負載慣量越大，電機越難控制，當負載慣量大于或等于3倍的電機轉子慣量時，伺服電機的可控性會顯著下降，系統可能出現工作不正常[3_5]，在高速切削下表現尤為突出。
季晶晶[6]等提出，對于重型數控加工中心由于其自身的一些特點，各個部件慣量差異比較大，之間會存在響應不一致和參數不匹配的情況，導致其控制精度變差，其中慣性滯后是這類大慣量物體的一個明顯特征，對精度影響尤其重要。吳沁[7]等針對大慣量的滾珠絲杠伺服進給結構，采用定量求解以及數值
仿真的方式，對其中的非線性環節進行了研究，通過實驗分析了大慣量進給系統動力學特性及系統參數的關系和匹配規律，總結出非線況下的一些加工策略。西安交大的劉輝[8]等人通過建立進給系統的雙慣量模型，從能量耦合、閉環控制增益上限、閉環頻率特性及抗干擾剛度等方面對負載慣量比進行了相應的仿真分析，并給出了綜合考慮各項性能的進給系統負載慣量比設計步驟和方法。2012年，清華大學的Sha〇[9]等人通過對某并聯機器人的研究，綜合考慮加工中心共振頻率、加速力矩、動態性能，結合仿真得出了慣量指標以及合適的慣量匹配范圍，并得到推廣應用。2015年，華中科技大學的楊森[1°]通過建立加工中心虛擬樣機的機電聯合仿真平臺，分析了不同驅動方式和不同加工工況下加工中心進給系統負載慣量比。
為了使整個系統具有良好的匹配性能，提高工作效率，本文搭建了數控加工中心進給伺服系統通用的全閉環仿真控制模型，以GMC1600H/2五坐標橫梁移動龍門加工中心軸為研宄對象，從時域和頻域上分別仿真分析慣量比對系統的影響，并結合實際情況對雙軸聯動下系統輪廓誤差進行仿真分析，后給出了直線加工和圓弧加工兩種加工形式下較優的慣量比，同時說明了在超過一定慣量比范圍后，系統輪廓誤差會呈現明顯的波動。
1伺服進給系統仿真模型
數控加工中心伺服控制單元與機械裝置之間通過伺服電機輸出扭矩起來，為了實現數控加工中心高精度的控制，現在加工中心一般采用全閉環控制方式，伺服系統對工作臺的實際位置直接進行檢測，并比較位置信息反饋值與指令位值，通過將差值放大實現對伺服電機速度和位置精準控制。于是在Simulink中建立數控加工中心進給伺服系統通用的全閉環仿真模型，如下面圖1所示。
2慣量比對單軸系統性能影響分析
在加工中心實際的工作過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態響應特性的不同，合理的慣量匹配對伺服系統的動態響應特性有較大影響，它可以保證合理的響應速度，從而抑制諧振的發生，進一步改善重型加工中心低速爬行的現象，進而滿足整機的高運動速度、定位精度等技術性指標。為了使整個系統具有良好的匹配性能，提高工作效率，于是在Sim-ulink 中建立數控加工中心進給伺服系統通用 的仿真模型，以GMC1600H/2五坐標橫梁移動龍門加工中心Z軸為研究對象，進行仿真、分析慣量比對系統動態性能的
影響。
2.1慣量比對系統時域內特性的影響2-1-1慣量比對單位階躍響應性能的影響
調節圖1中的控制器參數，利用Simulink中PID調節器模塊提供的tune功能可以實現控制器參數快速、簡便調整，分別對速度環和位置環參數進行整定，使速度環超調量為20%，增大位置環比例增益使位置環不產生超調，然后對模型進行仿真分析，仿真模型包含五種慣量比，通過調整各自的位置環增益和速度環PI控制環節的參數，使其達到響應，仿真得到相應的瞬態響應指標參數如表1所示。
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結束語：
本文在Simulink中建立數控加工中心進給伺服系統通用的仿真模型，仿真得到隨著慣量比增加系統在時域、頻域內的特性以及雙軸聯動K直線軌跡和_形軌跡輪廊漢差的變化：
(1) 單軸系統在時域內的特性：隨著慣量比的增加，系統的響應越慢，到達峰值時間逐漸增加，系統的跟隨誤差逐漸增大,達到穩定狀態的時間也越長，位置環增益上限逐漸減小，恢復到穩定狀態的時間逐漸減小，抗*力逐漸增加。
(2) 單軸系統在頻域內的特性：隨著慣量比的增加，系統的控制帶寬逐漸增加，震蕩性逐漸減弱；不同慣量比系統在低頻干擾下抗擾動剛度基本相同，且都隨著頻率增加有下降趨勢；但在高頻下隨著慣量比增大，系統抗擾動剛度隨之增加，且隨著頻率增大系統抗擾動剛度也隨著增加，表現為高速切削下的抗擾動性能較強。
(3) 雙軸1「(動輪廓W差的變化：隨fH貫V:比的增加，系統在啟動加速階段的直線輪廓誤差波動隨之增大，在換向時圓輪廓誤差波動隨之增大，并且得到兩種加工形式下較優的慣量比:對于直線加工，為了獲得較好的輪廓精度，慣量比在1 ~3是的選擇；對于圓弧加工，慣量比在1 ~4是的選擇。