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標題: 伺服電機選型，慣量匹配 [打印本頁]

作者: huawei-hw 時間: 2013-4-7 17:36
標題: 伺服電機選型，慣量匹配
　聲明：本文系轉載csuzhm網友的博客，供大家分享�！�

在伺服系統選型及調試中，常會碰到慣量問題。
　　其具體表現為：
　　在伺服系統選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統換算到電機軸的慣量，再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；在調試時，正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能的前提。此點在要求高速高精度的系統上表現尤為突出，這樣，就有了慣量匹配的問題。
　　
　　一、什么是“慣量匹配”？
　　 1、根據牛頓第二定律：“進給系統所需力矩T = 系統傳動慣量J × 角加速度θ角”。加速度θ影響系統的動態特性，θ越小，則由控制器發出指令到系統執行完畢的時間越長，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。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應該盡量小。 2、進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉慣性動量JM ＋電機軸換算的負載慣性動量JL。負載慣量JL由（以平面金切機床為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯軸器等直線和旋轉運動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”。
　　
　　二、“慣量匹配”如何確定？
　　傳動慣量對伺服系統的精度，穩定性，動態響應都有影響。慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。
　　衡量機械系統的動態特性時，慣量越小，系統的動態特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內。一句話，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。對于基礎金屬切削機床，對于伺服電機來說，一般負載慣量建議應小于電機慣量的5倍。
　　慣量匹配對于電機選型很重要的，同樣功率的電機，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。其實負載慣量最好還是用公式計算出來。常見的形體慣量計算公式在以前學的書里都有現成的（可以去查機械設計手冊）。我們曾經做過一試驗，在一伺服電機的軸伸，加一大的慣量盤準備用來做測試，結果是：伺服電機低速時停不住，搖頭擺尾，不停地振蕩怎么也停不下來。后來改為：在兩個伺服電機的軸伸對接加裝聯軸器，對其中一個伺服電機通電，作為動力即主動，另一個伺服電機作為從動，即做為一個小負載。原來那個搖頭擺尾的伺服電機，啟動、運動、停止，運轉一切正常！
　　
　　三、慣量的理論計算的功式？
　　慣量計算都有公式，至于多重負載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動，只要分別算出各轉動件慣量然后相加即是系統慣量，電機選型時建議根椐不同的電機進行選配。負載的轉動慣量肯定是要設計時通過計算算出來拉，如果沒有這個值，電機選型肯定是不那么合理的，或者肯定會有問題的，這是選伺服的最重要的幾個參數之一。至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標注。當然，對某些伺服，可以通過調整伺服的過程測出負載的慣量，作為理論設計中的計算的參考。畢竟在設計階段，很多類似摩擦系數之類的參數只能根據經驗來猜，不可能準確。理論設計中的計算的公式：（僅供參考）通常將轉動慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關系為
　　
　　 J=mp^2= GD^2/4g
　　式中 m與G－轉動部分的質量（kg）與重量（N）；
　　
　　與D－慣性半徑與直徑（m）；
　　
　　 g=9.81m/s2 －重力加速度
　　
　　飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375
　　
　　當然，理論與實際總會有偏差的，有些地區（如在歐洲），一般是采用中間值通過實際測試得到。這樣，相對我們的經驗公式要準確一些。不過，在目前還是需要計算的，也有固定公式可以去查機械設計手冊的。
　　
　　四、關于摩擦系數？
　　關于摩擦系數，一般電機選擇只是考慮一個系數加到計算過程中，在電機調整時通常都不會考慮。不過，如果這個因素很大，或者講，足以影響電機調整，有些日系通用伺服，據稱有一個參數是用來專門測試的，至于是否好用，本人沒有用過，估計應該是好用的。有網友發貼說，曾有人發生過這樣的情況：設計時照搬國外的機器，機械部分號稱一樣，電機功率放大了50%選型，可是電機轉不動。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差，負載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對具體工況考慮不周。當然，黏性阻尼和摩擦系數不是同一個問題。摩擦系數是不變值，這點可以通過電機功率給予補償，但黏性阻尼是變值，通過增大電機功率當然可以緩解，但其實是不合理的。況且沒有設計依據，這個最好是在機械狀態上解決，沒有好的機械狀態，伺服調整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機械結構設計、加工、裝配等相關，這些在選型時是必須考慮的。而且跟摩擦系數也是息息相關的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數不定，不同點相差較大，甚至技術工人裝配水平的差異也會導致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數，當然歸根結底還是電機功率的問題。
　　
　　五、慣量的理論計算后，微調修正的簡單化
　　可能有些朋友覺的：太復雜了！實際情況是，某品牌的產品各種各樣的參數已經確定，在滿足功率，轉矩，轉速的條件下，產品型號已經確定，如果慣量仍然不能滿足，能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求？
　　答案是：功率提高可以帶動加速度提高的話，應是可以的。

　　六、伺服電機選型

在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。

（1）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：

1.馬達最大轉速＞系統所需之最高移動轉速。

2.馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配。

3連續負載工作扭力≤馬達額定扭力

4.馬達最大輸出扭力＞系統所需最大扭力（加速時扭力）

（2）選型計算：

1. 慣量匹配計算（JL/JM）

2. 回轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速）

3. 負載扭矩計算（連續負載工作扭矩，加速時扭矩）

作者: 孤若流星 時間: 2013-4-7 17:55
好高深啊

作者: 無情、無我 時間: 2013-4-7 19:36
謝謝樓主分享啊

作者: WUHANLIST 時間: 2013-4-7 23:06
有見解。我們以前公司請的好多專家，連慣量和慣量比都不懂，仿制別人的機床甚至是原圖照抄也沒能抄明白。很簡單一個例子。一個鑄件，你可以抄別人的圖，可是，你不明白人家結構為什么這樣設計，怕強度不夠了，加大壁厚，你卻不知道控制總重，不知道裝配細節，結果是慣量不一樣，慣量比也不一樣，做出來的機床肯定是不行的。

作者: /_cast_王珂 時間: 2013-4-8 15:11
賣伺服的會有軟件幫你算好。直接給你選電機聯軸器減速機。
現在正涉及到這里，已經有結果了，感謝樓主的講解，現在去推算一下。

作者: 機械小葉 時間: 2013-4-16 12:17
我的畢業設計正是工業機器人的設計，想請問一下機器人臂的轉動慣量該怎么算。比如確定了臂的質量和長度

作者: huawei-hw 時間: 2013-4-16 12:27

機械小葉發表于 2013-4-16 12:17
我的畢業設計正是工業機器人的設計，想請問一下機器人臂的轉動慣量該怎么算。比如確定了臂的質量和長度

最簡單快捷的方法，畫出3D模型，比如在ProE里，建模后，再賦值材料屬性，就可以直接測量出其轉動慣量了。

作者: 機械小葉 時間: 2013-4-16 12:31
我本科呀。不會那么高深的，能加QQ聊嗎464019028

作者: denghg 時間: 2013-5-24 13:31
在串行機器人這個機械模型中怎么去計算每個軸的慣量呢？

作者: zhuxuwei8 時間: 2013-5-25 08:49
我前幾天也在一個伺服選型手冊里面把這部分專門看了下。。。但是還是對一些東西不是特別的明了，估計要玩了才能明了。。。

作者: RAJRLZD 時間: 2013-10-23 13:47
正找這個資料，作個記號。

作者: 人工智能哦 時間: 2013-10-27 23:28
領教了

作者: xiaoc06 時間: 2013-10-28 15:48
長知識咯，嘿嘿

作者: 志不窮 時間: 2013-10-28 20:25
學習了，感謝

作者: myloveliya 時間: 2014-2-7 15:53
總之就是避免小馬拉大車，拉不動，同時避免大馬拉小車浪費東家銀子

作者: lngk 時間: 2014-2-15 10:47
在伺服系統選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統換算到電機軸的慣量。

作者: myloveliya 時間: 2014-2-15 12:11

/_cast_王珂發表于 2013-4-8 15:11
賣伺服的會有軟件幫你算好。直接給你選電機聯軸器減速機。
現在正涉及到這里，已經有結果了，感謝樓主的講 ...

德國的力士樂電機就有電機一系列的選型參數計算

作者: 739046455 時間: 2014-4-25 11:07
感謝分享啊，不過還是有些迷糊

作者: dickpan748 時間: 2014-4-25 17:19
深有感觸~謝謝分享！！

作者: namenon 時間: 2014-5-20 15:26
謝謝樓主分享

作者: wk1453652921 時間: 2014-5-21 15:25
值得收藏

作者: gyq720 時間: 2014-5-21 16:27

孤若流星發表于 2013-4-7 17:55
好高深啊

我們比較惡心，一般有問題都推到電機選的不對上。

作者: 汗水 時間: 2014-5-21 23:36
深感謝

作者: 懶蛋不懶 時間: 2014-5-22 14:48
樓主受教了

作者: 孤若流星 時間: 2014-5-27 14:03

gyq720 發表于 2014-5-21 16:27
我們比較惡心，一般有問題都推到電機選的不對上。

呵呵，我們電機選型的少，一般都是簡單算一下，或者讓電氣工程師算一下就行了

作者: mystery1223 時間: 2014-5-28 07:53
做機械設計就應該嚴謹，每一個選型及設計都有經過計算和分析。我師傅在設計之初，會用筆記本記錄幾十頁的計算結果，之后才開始建模，我認為這才是真正的設計者。

作者: gyq720 時間: 2014-5-28 08:47

mystery1223 發表于 2014-5-28 07:53
做機械設計就應該嚴謹，每一個選型及設計都有經過計算和分析。我師傅在設計之初，會用筆記本記錄幾十頁的計 ...

你說的很對，你師傅的公司真的是太好了，有那么多時間讓他在那里計算，我們也不是不會算或不想算，只是一個案子過來方案要你2天或最多3天完成，我們基本上除傳動算過，其它強度啊啥的都是留余量，以經驗判。

再說一個：我想問一下，你師傅算的時候算完加不加寬放？算不算你買的零部件本身的質量差異？算不算材料的差異，加工水平的差異和機床的差異，再問一下，你師傅算出來的結果加上寬放，得到的數據與計算量差那么多，老板會怎么看。

作者: gyq720 時間: 2014-5-28 08:51

孤若流星發表于 2014-5-27 14:03
呵呵，我們電機選型的少，一般都是簡單算一下，或者讓電氣工程師算一下就行了

我們電機也是經過計算的，加上寬放，加上各電機類型質量差的系數，選的是經濟實用的東西，但，這僅僅只是個理論依據而已，能不能與設計工況匹配，還得加上經驗的成分。
要不然公司招有經驗的人干啥，招些剛畢業的人，學校成績好的就會算。

作者: 紫風Robin 時間: 2014-5-28 09:06
謝樓主，先收藏，后學習

作者: 暢游 時間: 2014-5-28 10:11
學習一下

作者: mystery1223 時間: 2014-5-30 16:09

gyq720 發表于 2014-5-28 08:47
你說的很對，你師傅的公司真的是太好了，有那么多時間讓他在那里計算，我們也不是不會算或不想算，只是一 ...

方案兩天出來沒問題，試問下細化的時間應該不止吧，細化過程沒有計算，全靠經驗值，設備合理性及壽命能保證嗎？再請教下，加工件為什么在加工過程中會有那么多差異？要求在公差范圍內才算合格啊。如果連加工件的精度都滿足不了，談何設計。

作者: 福人王 時間: 2014-5-31 09:10
慣量知識，是伺服電機選型的重要一環，尤其在重載，高速，高精度條件下。

作者: 福人王 時間: 2014-5-31 09:11
這篇文章寫的好，值得珍藏。

作者: 福人王 時間: 2014-5-31 09:12
樓主，要是關于伺服選型的，請多多發布分享，謝謝。

作者: wshtrtf 時間: 2014-6-11 22:19
樓主寫的不錯！贊一個！電機選型是一個很重要的過程，做好的話能夠很好的保證機器的性能。
但是很多情況下大家在設計選型時為了絕對保證設備能夠正常運轉往往會增大電機的容量。這其實是一種非常粗放的設計方法。怎么能夠非常精細的進行電機選型也是一門很深的課題�。�

作者: 福人王 時間: 2014-6-12 15:12
需要計算-驗算-總結過程

作者: ZOJQR 時間: 2014-6-12 22:52
謝謝樓主啊！一直在找這方面的資料！

作者: wangbin1682 時間: 2014-6-21 14:08
剛入門這么基礎知識的普及還是蠻好的最好能加一個基礎模塊

作者: hooper的機械 時間: 2014-6-22 09:46
好復雜

作者: junqi201 時間: 2014-6-22 14:00
學習了！

作者: mengfeit 時間: 2014-6-23 22:59
想自己學會計算，還真是不易，有哪位兄弟，指點一下，QQ2996527035

作者: lngk 時間: 2014-6-24 09:40
伺服電機選型經過公式計算更加的準確！

作者: 十分大方的呢 時間: 2014-6-24 11:30
選電機是個麻煩事，細活

作者: Vincent_carry 時間: 2014-8-5 21:18
好好讀一讀，之前也看過類似的

作者: Vincent_carry 時間: 2014-8-5 22:20
“三、慣量的理論計算的功式？
　　慣量計算都有公式，至于多重負載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動，只要分別算出各轉動件慣量然后相加即是系統慣量”
這句話沒看懂，應該不是單純的累加吧？不知道哪位大蝦能詳細介紹下慣量匹配的問題啊

作者: 20080646 時間: 2014-8-5 22:35
伺服電機太貴，我們都不讓用

作者: 機器人55555 時間: 2015-4-15 13:12

WUHANLIST 發表于 2013-4-7 23:06
有見解。我們以前公司請的好多專家，連慣量和慣量比都不懂，仿制別人的機床甚至是原圖照抄也沒能抄明白。很 ...

這也能算專家

作者: hanchao166 時間: 2015-11-10 20:34
很不錯，謝謝了

作者: 機械小白條 時間: 2016-1-13 16:56
謝謝樓主的知識分享啊

作者: scuxyz 時間: 2016-2-17 22:09
好東西額

作者: long_wzq 時間: 2016-2-27 11:36
賺個積分

作者: we2016hang 時間: 2016-2-29 15:19
找個伺服電機的樣本看看，有介紹的

作者: shaoqi 時間: 2017-5-16 17:54
感謝樓主啊

作者: 付永旭 時間: 2017-7-19 16:06
收藏了，感謝樓主

作者: shaoqi 時間: 2017-9-18 14:38
謝謝樓主分享好東西啊�。�！

作者: 安瀾01 時間: 2017-9-20 08:37
很有用，學習了

作者: qishi730 時間: 2017-9-20 17:09
好東西，要分享~

作者: 羅賓遜LB 時間: 2017-12-1 17:39
謝謝分享！

作者: 俊俊時 時間: 2017-12-5 15:53
非常好的東西!贊

作者: 括弧 時間: 2017-12-6 11:30
理論還需實踐

作者: 八月騏_sKvBo 時間: 2017-12-7 15:17
學習了

作者: 韓良佐 時間: 2017-12-8 14:10
謝謝樓主分享啊

作者: zjhzsz 時間: 2017-12-17 20:14

正找這個資料，作個記號。

作者: Jamie520 時間: 2018-2-27 00:09
謝謝分享

作者: 鋒wyf 時間: 2018-2-27 11:23
社會社會，本事本事

作者: 136203992 時間: 2018-3-2 15:43

作者: люб 時間: 2018-3-2 16:18
值得一看

作者: люб 時間: 2018-3-2 16:59
講的很清晰

作者: zjhzsz 時間: 2018-3-13 14:58
講的很清晰

作者: 愛洗澡的貓貓 時間: 2018-3-14 11:16
正在學習機器人系統，確定了傳動系統，正好到了要進行電機選型的時候，這篇文章對我幫助很大，謝謝樓主

作者: Sommon 時間: 2018-5-25 14:16
謝謝分享

作者: aguolaode 時間: 2018-5-27 20:39
太有用啦~~

作者: huranxuyan 時間: 2018-5-29 16:33
講的不錯，挺好

作者: 瑞香 時間: 2018-9-10 14:12

作者: 蒼天笑110 時間: 2018-9-18 09:08
拜讀中，獲得了能量

作者: zlxinqing 時間: 2018-9-18 20:49

:lol:lol

作者: candyyao11 時間: 2019-12-20 17:11
非常感謝大神，學習了

作者: hhd21 時間: 2019-12-31 10:48
摩擦系數我一般用0.1

作者: 馮奕菘 時間: 2020-1-8 11:37
謝謝樓主分享

作者: alibaba-lili 時間: 2020-11-13 13:33
樓主好厲害，學習了

作者: 0388 時間: 2020-11-16 10:33
謝謝樓主分享

作者: jamscz 時間: 2020-11-25 10:49
最好還是自己校核計算

作者: 0388 時間: 2020-11-30 11:50
謝謝分享

作者: wanglj671 時間: 2020-12-11 13:15
頂帖

作者: wanglj671 時間: 2020-12-11 16:38
頂帖

作者: zhus1210 時間: 2021-6-7 14:47
很實用不過設計經驗真的不能忽略仿真也是有偏差的不可全信

作者: davisa 時間: 2021-6-9 11:49
謝謝樓主分享。需要進一步學習，加深了解

作者: zhenghua1990 時間: 2021-8-4 16:14
一般用的話，3陪左右是沒什么大問題的

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