Como componente central de la automatización industrial moderna, el rendimiento de los servosistemas afecta directamente la precisión del movimiento del equipo y la respuesta dinámica. Durante la puesta en servicio del servo, la rigidez y la relación de inercia son dos parámetros críticos que determinan conjuntamente la estabilidad del sistema y la velocidad de respuesta. Este artículo profundizará en los conceptos de rigidez del servo y relación de inercia, sus métodos de puesta en servicio y consideraciones prácticas en aplicaciones del mundo real-.
I. Concepto y depuración de la rigidez del servo
La rigidez del servo refleja la capacidad de un sistema para resistir perturbaciones externas, que generalmente se manifiestan como el efecto combinado de la ganancia del bucle de posición (PG) y la ganancia del bucle de velocidad (VG). Un sistema de alta-rigidez responde rápidamente a las órdenes y resiste perturbaciones externas, pero una rigidez excesiva puede inducir vibraciones mecánicas; un sistema de baja-rigidez ofrece estabilidad pero muestra una respuesta dinámica más lenta.
Métodos de depuración:
1. Ajuste de ganancia de bucle de posición (PG)
PG determina la capacidad del sistema para corregir desviaciones de posición. El aumento de PG mejora la rigidez, pero requiere precaución para evitar sobrepasarse. Se recomienda el "método incremental": comience desde un valor más bajo y aumente gradualmente mientras monitorea la vibración del equipo. Una vez que aparezca una ligera oscilación, reduzca la ganancia entre un 5% y un 10%.
2. Optimización de la ganancia del bucle de velocidad (VG)
VG influye en la velocidad de respuesta del bucle de velocidad. Durante la depuración, corrija PG y aumente incrementalmente VG hasta que se minimice el error de seguimiento del comando de velocidad. En escenarios típicos, la relación VG-a-PG es aproximadamente 1:3 (por ejemplo, cuando PG=30, VG≈10).
3. Tecnología de compensación anticipada
Para aplicaciones de alta-velocidad y alta-precisión, habilite la alimentación anticipada de velocidad y la alimentación anticipada de aceleración. Establezca la avance de velocidad en 80%-95% y la avance de aceleración en 60%-80%. Esto reduce significativamente el error de seguimiento sin aumentar el riesgo de vibración.
Estudio de caso:
Una máquina herramienta CNC presentó errores de contorno durante el mecanizado por arco. Al aumentar PG de 25 a 35, ajustar VG de 8 a 12 y permitir una avance de velocidad del 85 %, la precisión del contorno mejoró en un 42 %. Tenga en cuenta que diferentes estructuras mecánicas (por ejemplo, transmisión directa versus transmisión por tornillo de avance) exhiben variaciones significativas en la sensibilidad a los parámetros de rigidez.
II. Cálculo y coincidencia de la relación de inercia.
La relación de inercia se define como la relación entre la inercia de la carga y la inercia del rotor del motor (JL/JM), que influye directamente en el rendimiento de aceleración y la estabilidad del sistema. La experiencia tradicional sugiere limitar la relación de inercia a 10:1, pero la servotecnología moderna ahora admite relaciones más altas (hasta 50:1 en ciertas aplicaciones).
Método de cálculo:
1. Medición de inercia de carga
● Se obtiene a través de funciones de autoidentificación-del motor (por ejemplo, Yaskawa Σ-7 serie "One-Touch Tuning").
● Cálculo de la fórmula: para cargas rotativas, JL=0.5mr²; las cargas de movimiento lineal requieren conversión a inercia del eje del motor (JL=m × (v/ω)²).
2. Estrategia de optimización:
Cuando la relación de inercia > 15, se recomienda:
a) Aumentar la relación de transmisión (mejora la relación de escuadra; por ejemplo, la relación de transmisión 12 reduce la relación de inercia equivalente a 1/4)
b) Seleccione un motor de alta-inercia
c) Ajustar el tiempo integral del bucle de velocidad (normalmente aumentar entre un 20 % y un 30 %)
Manejo de escenarios especiales:
En los sistemas robóticos multi-articulados, la relación de inercia de cada eje varía según la postura. Para un robot de 6 ejes donde la relación de inercia del cuarto eje cambia de 81 durante el movimiento, implemente:
● Habilite el filtrado adaptativo (p. ej., la función de supresión de vibraciones del Mitsubishi MR-J4).
● Configure múltiples conjuntos de parámetros de ganancia y cambie automáticamente a través del PLC.
III. Ajuste colaborativo de la relación de rigidez e inercia
Estos dos parámetros están acoplados, lo que requiere el cumplimiento del principio de depuración de "primero la inercia, luego la rigidez":
1. Pasos básicos:
● Después del montaje mecánico, primero mida la relación de inercia real.
● Parámetros de bucle de velocidad preestablecidos basados en el rango de relación (por ejemplo, cuando la relación de inercia > 20, el VG inicial se establece en el 70% del valor estándar).
● Finalmente, ajuste la ganancia del bucle de posición.
2. Técnicas de Supresión de Vibraciones:
● Habilite los filtros de muesca en el rango de vibración de alta frecuencia de 500-800 Hz.
● Para vibraciones de baja-frecuencia (<100Hz), appropriately reduce PG and increase the speed loop integral time.
3. Método de prueba dinámica:
Utilice una curva de velocidad trapezoidal para realizar pruebas y observar errores de seguimiento durante las diferentes fases de aceleración:
● Gran error durante la aceleración → Aumente VG o agregue aceleración anticipada.
● Error durante velocidad constante → Ajustar PG.
● Sobrepaso durante la desaceleración → Optimizar la constante de tiempo de desaceleración.
IV. Técnicas avanzadas de ajuste y aplicaciones industriales
1. Tecnología de control adaptativo
Por ejemplo, el control HRV en el sistema 30iB de Fanuc puede identificar cambios de carga en tiempo real y ajustar automáticamente las ganancias. En aplicaciones de máquinas de fundición a presión, reduce las fluctuaciones de posición en un 60% cuando fluctúan las relaciones de inercia.
2. Configuración del sistema de bucle-cerrado-doble
Las rectificadoras de alta-precisión suelen emplear retroalimentación dual (codificador de motor + escala lineal). Las consideraciones clave incluyen:
● Una rigidez mecánica insuficiente puede causar oscilaciones en la retroalimentación de escala lineal.
● Establezca la resolución de escala lineal entre 5 y 10 veces la del codificador del motor.
3. Referencia de parámetros de la industria:
| Aplicaciones industriales | Relación de inercia típica | Clasificación PG | Clasificación VG |
| Máquina de colocación SMT | 3-8 | 40-60 | 15-25 |
| Platina de la máquina de moldeo por inyección | 15-30 | 20-35 | 8-15 |
| Máquina herramienta de pórtico | 5-12 | 30-45 | 10-20 |
V. Soluciones a problemas comunes
1. Problema de vibración de baja-frecuencia
Una máquina envasadora exhibió vibraciones persistentes en la banda de frecuencia de 5 Hz. Resuelto a través de los siguientes pasos:
● Verificar la holgura de la transmisión mecánica.<0.05mm.
● Reduzca VG de 12 a 9 y ajuste PG de 35 a 28.
● Aumentar el tiempo integral del bucle de velocidad de 100 ms a 150 ms.
2. Error de reconocimiento de inercia
Cuando se utilizan cajas de engranajes-de terceros, las relaciones de inercia medidas pueden desviarse hasta un 30 % de los valores teóricos. Recomendaciones:
● Tome múltiples mediciones en varias posiciones típicas y calcule el promedio.
● Tenga en cuenta los cambios de inercia equivalentes causados por el juego de la caja de cambios.
3. Escenarios de cambio repentino de rigidez
Para escenarios como máquinas estampadoras que experimentan aumentos repentinos de rigidez al entrar en contacto con las piezas de trabajo, las contramedidas incluyen:
● Configure dos conjuntos de parámetros y conmute entre ellos mediante señales IO.
● Utilice sensores de presión para activar la conmutación de ganancia (el retardo de conmutación debe ser<10ms).
Con el avance de la fabricación inteligente, el ajuste de servos está pasando de enfoques basados en la experiencia a enfoques basados en datos-. Se recomienda a los ingenieros que establezcan bases de datos de parámetros que documenten las combinaciones óptimas de parámetros en diversas condiciones operativas, complementadas con herramientas de análisis del espectro de vibración para un ajuste preciso. En el futuro, el ajuste predictivo integrado con la tecnología de gemelos digitales surgirá como una nueva dirección de desarrollo.