20kW–30kW lieljaudas servopiedziņa: motora inerces saskaņošanas un regulēšanas rokasgrāmata

Kad mašīna pārvieto lielu rotējošo galdu, virza smagu veltni, novieto noslogotu platformu vai paātrina ievērojamu mehānisku montāžu, nominālā jauda ir tikai viena daļa no servo izvēles. Motoram ir jārada pietiekami daudz griezes momenta, lai paātrinātu kombinēto inerci, transmisijai ir jānes šis griezes moments bez pārmērīgas atbilstības, un vadības cilpām jāpaliek stabilām visā darba ciklā. Sistēmai var būt dāsna jauda, ​​un tā joprojām parāda pārtēriņu, vibrāciju, ilgu iestatīšanas laiku vai traucējumu trauksmes signālus, ja motora, slodzes, mehānikas un regulēšanas parametri nav saskaņoti.

Šajā rokasgrāmatā ir paskaidrots, kā inženieri var novērtēt inerci, novērtēt griezes momenta pieprasījumu, sagatavot lieljaudas asi nodošanai ekspluatācijā un metodiski to noregulēt. Principi attiecas uz lielām automatizācijas iekārtām, CNC iekārtām, uztīšanas un attīšanas sistēmām, metālapstrādes līnijām, materiālu apstrādi un citiem lietojumiem, kur svarīgs ir liels griezes moments un kontrolēts paātrinājums. Faktiskajiem parametru ierobežojumiem un regulēšanas procedūrām vienmēr jāatbilst izvēlētajām motora un piedziņas rokasgrāmatām.

Kāpēc inerces atbilstība ir svarīga lielas jaudas gadījumā

Rotācijas inerce apraksta, cik spēcīgi ķermenis pretojas leņķiskā ātruma izmaiņām. Tas ir atkarīgs ne tikai no kopējās masas, bet arī no tā, cik tālu šī masa ir sadalīta no rotācijas ass. Liela diametra veltnim var būt daudz lielāka inerce nekā kompaktai detaļai ar tādu pašu masu. Servo sistēmā motoram ir jāpārvar šī pretestība ikreiz, kad tas paātrina vai palēnina slodzi.

Slodzes un motora inerces attiecību parasti izsaka kā slodzes inerci, kas atspoguļota uz motora vārpstu, dalīta ar motora rotora inerci. Augsta attiecība nav automātiski nepieņemama: atļautais diapazons ir atkarīgs no piedziņas vadības algoritma, motora raksturlielumiem, transmisijas stingrības, paātrinājuma profila un precizitātes prasībām. Tomēr liela attiecība parasti padara sistēmu jutīgāku pret mehānisko rezonansi un var ierobežot sasniedzamo reakciju. Attiecība, kas darbojas lēnas indeksācijas tabulai, var nebūt piemērota mašīnas asij, kas strauji maina ātrumu vai bieži maina ātrumu.

Par a20kW–30kW lieljaudas servo piedziņalietojumprogrammā, inženiertehniskais jautājums nav tikai par to, vai piedziņa var nodrošināt motora nominālo jaudu. Komandai ir jāpārbauda, ​​​​vai motors spēj nodrošināt nepieciešamo nepārtrauktu un maksimālo griezes momentu, vai piedziņa spēj izturēt pašreizējo pieprasījumu un vai visa mehāniskā sistēma var reaģēt bez nestabilām svārstībām. Jauda, ​​griezes moments, inerce, ātrums un darba cikls ir jānovērtē kopā.

Aprēķiniet slodzes inerci pie motora vārpstas

Sāciet, identificējot katru kustīgo sastāvdaļu, kas savienota ar asi: rullīši, armatūra, zobrati, skriemeļi, skrūves, sagataves un jebkurš materiāls, kas tiek pārvadāts normālas darbības laikā. Iegūstiet masu, izmērus, transmisijas koeficientus un darbības apstākļus no rasējumiem, CAD modeļiem vai mērījumiem. Neregulāriem mezgliem CAD inerces atskaite vai komponentu aprēķins bieži ir ticamāki nekā aplēses, pamatojoties tikai uz kopējo masu.

Izmantojiet piemērotu inerces modeli

Cietam diskam vai cilindram, kas rotē ap savu centrālo asi, pamatizteiksme ir J=½mr², kur J ir rotācijas inerce, m ir masa un r ir rādiuss. Plānam gredzenam inerce ir aptuveni J=mr². Šīs formulas ilustrē, kāpēc materiāls, kas atrodas tālāk no vārpstas, nesamērīgi ietekmē kopējo inerci. Sarežģītākai montāžai aprēķiniet katras daļas inerci ap attiecīgo asi un summējiet ieguldījumus, ņemot vērā ģeometriju un rotācijas asi.

Lineāra kustība arī veicina inerci, ko redz rotējošais motors. Masai, ko pārvieto ar skriemeli, skrūvi vai līdzvērtīgu rotējošu transmisiju, pārveidojiet translācijas masu līdzvērtīgā rotācijas inercē, izmantojot transmisijas ģeometriju. Piemēram, ja motors virza lineāro masu caur skriemeli ar efektīvo rādiusu r, ideālā ekvivalentā inerce pie šī skriemeļa ir J=mr². Svina skrūvēm un zobratu vilcieniem ir vajadzīgas savas kinemātiskās attiecības un efektivitātes pieņēmumi.

Atspoguļojiet inerci caur pārnesumkārbu

Kad pārnesumkārba savieno motoru ar slodzi, slodzes inerce, kas atspoguļota motorā, ir atkarīga no attiecības. Pirms aprēķināšanas skaidri definējiet ātruma attiecību: ja motors vienā slodzes apgriezienā griežas N reizes, ideālā slodzes inerce, kas atspoguļota motorā, ir aptuveni Jload/N². Šī kvadrātveida attiecība nozīmē, ka atbilstošs samazinājuma koeficients var būtiski samazināt motora redzamo inerci, lai gan tas arī maina izejas ātrumu un griezes momentu, kā arī rada pārnesumkārbas zudumus, pretdarbību, atbilstību un ierobežojumus.

Nesajauciet slodzes inerci pie izejas vārpstas ar inerci, kas jau ir atspoguļota motora vārpstā. Saglabājiet motora rotora inerci, transmisijas inerci un atstaroto slodzes inerci atsevišķos ierakstos aprēķinu lapā, pēc tam konsekventi apvienojiet tos. Lūdziet piedziņas piegādātājam apstiprināt tā programmatūras izmantoto parametru definīciju; dažas sistēmas pieprasa slodzes un motora attiecību, savukārt citas parāda aprēķināto attiecību vai izmanto patentētu identifikācijas rezultātu.

Pārvērtiet kustības profilu griezes momenta pieprasījumā

Inerces aprēķini kļūst noderīgi, ja tie ir saistīti ar faktisko kustības profilu. Nosakiet nepieciešamo ātrumu, paātrinājuma laiku, palēninājuma laiku, aiztures laiku, apgriešanas biežumu un darba slodzi. Motoram, kas vienmērīgi darbojas ar mērenu ātrumu, var būt atšķirīgas prasības nekā tādam, kam atkārtoti jāpaātrina smags mehānisms līdz tādam pašam ātrumam īsā intervālā.

Galvenās rotācijas attiecības ir T=J , kur T ir paātrinājuma griezes moments, J ir kopējā inerce, kas attiecas uz motora vārpstu, un ir leņķiskais paātrinājums. Kopējā vajadzīgajā motora griezes momentā ir jāņem vērā arī berze, gravitācija, ja nepieciešams, procesa spēki, transmisijas zudumi un citas ārējās slodzes. Vertikālām asīm vai mehānismiem, kas var darbināt motoru palēninājuma laikā, īpaša uzmanība jāpievērš slodzes virzienam un enerģijas plūsmai.

Pārbaudiet maksimālo griezes momentu un RMS griezes momentu

Maksimālais griezes moments ir svarīgs paātrinājuma, palēninājuma, trieciena un straujas apgriešanas laikā. Tam noteiktajā laikā jāpaliek motora atļautā maksimālā griezes momenta un piedziņas strāvas un pārslodzes robežās. RMS griezes moments atspoguļo uzsildīšanu darba cikla laikā, un tas ir jāsalīdzina ar motora nepārtraukto griezes momentu reālos dzesēšanas un apkārtējās vides apstākļos. Nevienu no vērtībām nevajadzētu uzminēt tikai no nominālās jaudas.

Sadaliet ciklu tādos segmentos kā paātrinājums, nemainīgs ātrums, palēninājums un tukšgaita. Novērtējiet katrā segmentā nepieciešamo griezes momentu, pēc tam aprēķiniet RMS griezes momentu, izmantojot kvadrātsakni no laika svērtās griezes momenta kvadrāta summas, kas dalīta ar kopējo cikla laiku. Ja ražošanas laikā mainās slodze, aprēķiniet gan tipisko ciklu, gan sliktāko ticamo ciklu. Saglabājiet projektēto rezervi izmaiņām, bet neizmantojiet patvaļīgu rezervi, lai aizstātu pilnīgu slodzes aprēķinu.

• Apstipriniet nepieciešamo maksimālo griezes momentu zemākajā un augstākajā darba ātrumā.
• Pārbaudiet nepārtrauktu griezes momentu un RMS sildīšanu visā darba ciklā.
• Pārbaudiet, vai bieža palēninājuma rezultātā enerģija tiek atgriezta līdzstrāvas kopnē.
• Pārskatiet motora apgriezienu skaita ierobežojumus, griezes momenta-ātruma līknes un visus pazemināšanas nosacījumus.

Pirms regulēšanas pārbaudiet mehānisko pārnesumkārbu

Vadības regulēšana nevar pilnībā kompensēt vāju vai bojātu mehānisko mezglu. Pirms palielināšanas pārbaudiet sakabes izlīdzināšanu, pārnesumkārbas stāvokli, siksnas spriegojumu, vārpstas atbalstu, gultņu stāvokli, montāžas skrūves un rāmja stingrību. Pārliecinieties, ka krava brīvi pārvietojas visā tās gājienā un vai noteiktās pozīcijās neparādās cieti plankumi, saistīšanās vai intermitējoša saskare.

Pretdarbība var radīt atšķirīgu uzvedību, kad ass maina virzienu. Elastīga josta vai gara kāta paātrinājuma laikā var uzkrāt enerģiju un atbrīvot to pēc komandas maiņas. Pārnesumkārbas nodilums vai vaļīgs sakabes savienojums var radīt trieciena troksni, kas līdzinās elektriskās vadības problēmai. Ja vibrācija rodas tikai pie noteiktiem ātrumiem, mehāniskajai sistēmai var būt rezonanses frekvence, kas jāizmēra vai jāidentificē pirms filtra uzlikšanas.

Lielām mašīnām novērtējumā iekļaujiet visu uzstādīto struktūru. Motors, pārnesumkārba, montāžas plāksne, kravas rāmis un pamats veido savienotu dinamisku sistēmu. Piedziņa var darboties labi neslodzes testa laikā un kļūt nestabila pēc īstā armatūras vai sagataves uzstādīšanas. Tāpēc pārbaudiet asi pakāpeniski: bez slodzes, reprezentatīva slodze un maksimālā paredzētā slodze, vienmēr ievērojot apstiprinātās darbības robežas.

Sagatavojiet piedziņu un motoru nodošanai ekspluatācijā

Pirms kustības iespējošanas pārbaudiet barošanu, aizsargzemējumu, motora barošanas kabeli, kodētāja atgriezeniskās saites kabeli, bremžu aprīkojumu un sakaru vadus atbilstoši ražotāja norādījumiem. Apstipriniet precīzu motora modeli un atgriezeniskās saites veidu, ko atbalsta disks. Nepareizi motora dati vai nesaderīga kodētāja konfigurācija var pasliktināt regulēšanu un izraisīt neparedzētu kustību vai trauksmes signālus.

Ievadiet motora datu plāksnīti un ražotāja norādītos parametrus, tostarp nominālo jaudu, nominālo ātrumu, nominālo strāvu, polu vai atgriezeniskās saites datus, ja piemērojams, un visas nepieciešamās motora identifikācijas vērtības. Izmantojiet piedziņas atbalstīto motora identifikācijas vai inerces novērtēšanas funkciju, ja tā ir pieejama, bet uzskatiet rezultātu par sākumpunktu, kas ir jāpārbauda attiecībā pret mehāniskiem aprēķiniem un novēroto kustību. Identifikācijas procedūras jāveic tikai saskaņā ar rokasgrāmatā aprakstītajiem drošības nosacījumiem.

Iestatiet saprātīgus sākotnējos ierobežojumus ātrumam, griezes momentam/strāvai, paātrinājumam, palēninājumam un braucienam. Pirms pārbaudes apstipriniet avārijas apturēšanu un aizsargbloķētājus. Ja sistēmai ir bremzes, pārbaudiet tās atbrīvošanas un ieslēgšanas secību atbilstoši mašīnas konstrukcijai. Lieljaudas ass var uzglabāt ievērojamu mehānisko un elektrisko enerģiju, tāpēc apsardze, droša piekļuve un apstiprināta nodošanas ekspluatācijā procedūra ir būtiska.

Soli pa solim noregulējiet vadības cilpas

Lielākā daļa servo sistēmu izmanto ligzdotas strāvas, ātruma un pozīcijas kontroles cilpas. Strāvas cilpa ir visdziļākā cilpa un regulē motora strāvu, kas ir cieši saistīta ar griezes momentu. Ātruma cilpa kontrolē ātrumu, bet pozīcijas cilpa izseko pavēlēto vietu. Tā kā cilpas mijiedarbojas, regulēšana jāveic ražotāja norādītajā secībā un veidā, nevis jāmaina vairāki parametri vienlaikus.

Sāciet ar strāvas cilpas un motora datiem
Vispirms pārliecinieties, vai motora identifikācija, atgriezeniskās saites signāli, strāvas ierobežojumi un vadības režīms ir pareizi. Daudzos integrētajos servo produktos strāvas cilpas parametrus aprēķina vai pārvalda disks, un tie nav paredzēti neierobežotai manuālai regulēšanai. Ja rokasgrāmata pieļauj izmaiņas, izmantojiet tās procedūru un pārbaudiet, vai pašreizējā reakcija ir stabila, pirms pāriet uz augstāka līmeņa cilpām. Pirms palielināt ātruma cilpas pastiprinājumu, ir jāizpēta neparasts strāvas troksnis vai svārstības.

Pielāgojiet ātruma cilpas reakciju pakāpeniski
Kad mehānika ir nostiprināta un ass darbojas ar konservatīvu ātrumu, pielāgojiet ātruma cilpas reakciju ar nelielu soli. Lielāks proporcionālais pastiprinājums var uzlabot stingrību un samazināt izsekošanas aizkavi, bet pārmērīgs pastiprinājums var izraisīt mehānisku rezonansi vai dzirdamu vibrāciju. Integrēta darbība var samazināt līdzsvara stāvokļa ātruma kļūdu, tomēr pārāk daudz integrētas darbības var izraisīt zemas frekvences svārstības vai pārsniegumus. Veiciet vienu izmaiņu vienlaikus un ierakstiet rezultātu.

Kontrolēta soļa vai paātrinājuma testa laikā ievērojiet ātruma komandu un faktisko ātrumu. Apskatiet pieauguma laiku, pārsniegumu, nostādināšanas laiku un svārstības pēc komandas stabilizēšanās. Ja reakcija kļūst trokšņaina vai svārstīga, atgriezieties pie iepriekšējā stabilā iestatījuma, nevis turpiniet palielināt pastiprinājumu. Ja slodzes inerce būtiski mainās visā darba ciklā, pārbaudiet iestatījumus reprezentatīvos slodzes līmeņos un apsveriet, vai pastiprinājuma plānošana vai cita ražotāja atbalstīta funkcija ir piemērota.

Aizveriet pozīcijas cilpu un uzlabojiet izsekošanu
Kad ātruma cilpa ir stabila, noregulējiet pozīcijas cilpas parametrus saskaņā ar piedziņas rokasgrāmatu. Pārmērīga pozīcijas pastiprināšana var radīt pārtēriņu, pēc kļūdu maksimumus un vibrāciju kustības beigās. Zems pastiprinājums var izraisīt ass lēnu nostāšanos vai nespēju sasniegt nepieciešamo pozicionēšanas laiku. Feedforward funkcijas, ja tās tiek atbalstītas, var uzlabot izsekošanu, paredzot ātruma vai paātrinājuma pieprasījumu, taču tās ir jāpielāgo tikai pēc tam, kad pamata atgriezeniskās saites cilpas ir stabilas.

Pārbaudiet īsas un garas kustības, mazu un lielu ātrumu un abus braukšanas virzienus. Iekļaujiet apstāšanās un apgriezienus, jo tie bieži atklāj problēmas, kas nav redzamas pastāvīgā ātruma darbības laikā. Ja ass ir stabila vienā virzienā, bet ne otrā, pirms pieņemšanas, ka tikai pastiprinājuma regulēšana atrisinās problēmu, izpētiet pretsparu, gravitāciju, berzes atšķirības, kabeļu maršrutēšanu vai slodzes asimetriju.

Izmantojiet filtrus tikai pēc avota noteikšanas
Iecirtumu filtri un vibrāciju slāpēšanas funkcijas var samazināt zināmās rezonanses ietekmi, taču tos nedrīkst izmantot, lai slēptu vaļīgu aparatūru, nepareizus inerces datus, sliktu izlīdzināšanu vai bojātu transmisiju. Nosakiet ar vibrāciju saistīto frekvenci un apstākļus, ievērojiet piedziņas filtra procedūru un pārbaudiet, vai filtrēšana nepadara reakciju pārāk lēnu vai nerada nestabilitāti citur darbības diapazonā.

Novērsiet izplatītas vibrācijas un reakcijas problēmas

Saglabājiet nodošanas ekspluatācijā žurnālu ar parametra vērtību, testa stāvokli, izmērīto reakciju, trauksmes vēsturi un lēmumu par katru izmaiņu. Tas atvieglo zināmas stabilas konfigurācijas atjaunošanu un palīdz inženieru komandai atšķirt vadības problēmu no mehāniskas vai izmēru problēmas. Dublējiet galīgos parametrus un marķējiet failu ar motora modeli, mašīnas asi, transmisijas attiecību un programmatūras versiju.

Nostrādāts inženierijas piemērs

Apsveriet rotācijas apstrādes galdu, kas tiek darbināts caur reduktora pārnesumkārbu. Galdam, armatūrai un sagatavei ir apvienota izejas inerce, kas jāatspoguļo uz motora vārpstu. Pieņemsim, ka motors griežas piecas reizes katrā galda apgriezienā. Pieņemot ideālu attiecību, motorā atspoguļotā izejas inerce tiek dalīta ar 25. Pārnesumkārbas inerce un zudumi pēc tam jāpievieno atsevišķi, izmantojot ražotāja datus, ja tādi ir pieejami.

Pēc tam no vēlamās ātruma maiņas un paātrinājuma laika nosakiet nepieciešamo leņķisko paātrinājumu. Reiziniet kopējo motora inerci ar leņķisko paātrinājumu, lai novērtētu inerces griezes momentu. Pievienojiet griezes momentu, kas nepieciešams, lai pārvarētu berzi un procesa slodzi. Atkārtojiet palēninājuma un apgriešanas aprēķinus, pēc tam salīdziniet iegūto maksimālo griezes momentu ar motora atļauto maksimālo griezes momentu un piedziņas pārslodzes spēju. Visbeidzot, aprēķiniet RMS griezes momentu visā darbības ciklā un pārbaudiet termisko piemērotību.

Nodošanas ekspluatācijā laikā sāciet ar konservatīvu kustības profilu un pārbaudiet, vai motors griežas pareizajā virzienā. Veiciet īsas kustības, pārbaudiet faktisko ātrumu un pozīcijas reakciju un pēc tam palieliniet paātrinājumu kontrolētos soļos. Ja, pieaugot paātrinājumam, parādās vibrācija, pauzējiet un nosakiet, vai iemesls ir strāvas ierobežojums, mehāniskā rezonanse, pārmērīgs pastiprinājums vai slikta inerces aplēse. Piedziņas jaudas palielināšana, nenoskaidrojot cēloni, var palielināt izmaksas, vienlaikus atstājot neatrisinātu pamata nestabilitāti.

Šis piemērs ir apzināti vispārīgs. Pareizais rezultāts ir atkarīgs no reālās slodzes ģeometrijas, pārnesumkārbas attiecības, berzes, nepieciešamā cikla laika, motora datiem un piedziņas ierobežojumiem. Inženiertehniskajā darblapā ir jāsaglabā vienības un jānošķir slodzes izejas vārpstas inerce no vērtības, kas atspoguļota motorā.

Nodošanas ekspluatācijā kontrolsaraksts

Slodzes inerce un transmisijas koeficients ir aprēķināti ar konsekventām vienībām.

Maksimālais griezes moments, RMS griezes moments, darba ātrums un darba cikls ir pārbaudīti atbilstoši motora un piedziņas specifikācijām.

Ir pārbaudīta mehāniskā izlīdzināšana, sakabes integritāte, gultņi, pārnesumkārba, siksnas spriegojums un stiprinājuma stingrība.

Motora un atgriezeniskās saites parametri atbilst izvēlētajai aparatūrai un ražotāja dokumentācijai.

Paātrinājums, palēninājums, griezes momenta/strāvas ierobežojumi un gājiena ierobežojumi sākotnējiem testiem ir konfigurēti konservatīvi.

Strāvas, ātruma un pozīcijas cilpas ir noregulētas ieteicamajā secībā un pārbaudītas ar atkārtojamiem testiem.

Ir novērtēta reģeneratīvā enerģija, bremžu komponenti, zemējums, apsardze un avārijas apturēšanas funkcijas.

Galīgie parametri un testa rezultāti ir dublēti un dokumentēti.

FAQ

Vai zemāka inerces attiecība vienmēr ir labāka?
Nav obligāti. 20kW–30kW lieljaudas servopiedziņai zemāka attiecība bieži vien atvieglo augstas dinamiskās reakcijas sasniegšanu, taču pieņemamā vērtība ir atkarīga no piedziņas, motora, transmisijas stingrības, slodzes profila un precizitātes mērķa. Piemērota pārnesumkārba var samazināt atstaroto inerci, taču tā arī maina ātrumu un griezes momentu un var radīt pretdarbību vai atbilstību.

Vai automātiskā regulēšana var atrisināt visas vibrācijas problēmas?
Nē. Automātiskā regulēšana var palīdzēt novērtēt inerci vai noteikt sākotnējos ieguvumus, taču tā nevar salabot vaļīgas mehāniskās daļas, nepareizus motora datus, bojātus gultņus vai slikti izvēlētu transmisiju. Vienmēr pārbaudiet mehāniku un apstipriniet rezultātu reālos darbības apstākļos.

Vai man vajadzētu palielināt piedziņas nominālu, ja ass svārstās?
Ne kā pirmais solis. Svārstības var izraisīt pārmērīgs pieaugums, strukturāla rezonanse, pretreakcija, atgriezeniskās saites problēmas vai nepareizs inerces novērtējums. Apstipriniet griezes momenta un strāvas prasības, bet pirms diska izmēra maiņas noskaidrojiet patieso cēloni.

Kāda informācija man jānosūta, pieprasot tehnisko atbalstu?
Norādiet motora un piedziņas modeli, piegādes detaļas, slodzes un transmisijas izkārtojumu, aplēsto inerci, kustības profilu, paātrinājuma laiku, cikla darbību, kodētāja veidu, trauksmes kodus un attiecīgos tendenču fiksācijas datus. Īss apraksts par to, kad problēma rodas, piemēram, paātrinājuma, apstāšanās, apgriešanas vai noslogotas darbības laikā, palīdz inženieru komandai sašaurināt cēloni.

Secinājums

Uzticama lieljaudas kustības vadība sākas ar pilnīgu mašīnas skatu, nevis tikai ar jaudu. Aprēķiniet slodzes inerci un atspoguļojiet to caur transmisiju, nosakiet nepieciešamo maksimālo un RMS griezes momentu, pārbaudiet mehānisko stingrību un noregulējiet cilpas kontrolētā secībā. Apstipriniet galīgos iestatījumus pie reprezentatīviem ātrumiem un slodzēm un dokumentējiet rezultātus, lai nodošanu ekspluatācijā varētu konsekventi atkārtot.

OEM un mašīnu ražotājiem, kas novērtē a20kW–30kW lieljaudas servo piedziņa, visefektīvākā pieeja ir nodrošināt piegādātāju ar faktiskajām motora prasībām, slodzes īpašībām, transmisijas detaļām un kustības profilu. Tas atbalsta pārdomātāku disku saderības, regulēšanas prasību un lietojuma ierobežojumu novērtējumu.