Полная версия

Главная arrow Техника arrow Вопросы автоматизации в машиностроении

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Датчики и приводы исполнительных устройств автоматического оборудования

Необходимая точность перемещения исполнительных устройств различного автоматического оборудования достигается применением специальных устройств обратной связи по положению, объединяемым общим названием «системы дистанционного отсчета'».

Подобные схемы в оборудовании разделяются по принципу измерения: 1) системы с абсолютными датчиками положения; 2) системы с циклическими датчиками положения. В системах первой группы для каждого десятичного разряда отсчета перемещения обычно служит свой датчик положения, цена деления которого соответствует данному разряду. Ко второй группе относят датчики, формирующие один-единственный разряд, подсчет числа разрядов определяет положение исполнительного механизма.

Системы первой группы устойчивы к сбоям и перерывам в работе. Кроме того, они могут функционировать при высоких скоростях перемещений механизмов станка. Это связано с тем, что при переключении с большей скорости перемещений узла на меньшую такие системы не должны обязательно следить за состоянием младших разрядов, поскольку они допускают указанное переключение по показаниям лишь старших разрядов. Однако конструктивно они сложнее, чем системы второй группы.

Системы второй группы конструктивно более просты, так как требуют установки только одного датчика для младшего разряда. Однако они предъявляют повышенные требования к быстродействию считывания и переработки измерительной информации, что проявляется при больших скоростях перемещений, менее устойчивы к сбоям и перерывам в работе, обладают свойством сохранять и накапливать ошибки отсчета.

По типу измерительной информации датчики делятся на дискретные (импульсные) и аналоговые (чаще всего фазовые).

По конструкции измерительного устройства различают круговые и линейные датчики положения. Наибольшую точность могут обеспечивать линейные датчики (типа линейного сельсина или индуктосина), которые монтируют непосредственно на подвижных узлах станка. Круговые датчики (вращающиеся сельсины, иначе называемые вращающимися или поворотными трансформаторами) устанавливают на каком-либо узле кинематической цепи подачи, обычно на шариковом ходовом винте. Они могут приводиться во вращение также от измерительной рейки, закрепленной на подвижном узле, через связанное с рейкой зубчатое колесо. В этом случае на точность измерений влияют погрешности кинематической цепи между подвижным узлом и датчиком.

В системах первой группы применяются в основном кодовые датчики положения. Датчики же, выдающие информацию по одному каналу в виде серии импульсов, число которых пропорционально величине перемещения, применяются главным образом в системах второй группы. Среди аналоговых датчиков, используемых в системах, относящихся к обеим группам, наиболее распространены фазовые датчики положения.

Вращающийся трансформатор представляет собой индукционную микромашину по типу двухфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. В синусно-косинусном вращающемся трансформаторе, называемом также резольвером, на статоре и роторе имеются по две взаимно перпендикулярные обмотки. На статорные обмотки подают два синусоидальных опорных напряжения со взаимным сдвигом фаз на 90°, благодаря чему образуется круговое вращающееся магнитное поле. В результате в роторных обмотках индуцируется ЭДС такой же частоты, но сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на величину, определяемую углом поворота ротора, кинематически связанного с перемещаемым узлом станка.

Примером аналогового фазового датчика, применяемого на станках, может служить круговой (обычно пятидекадный) абсолютный датчик положения с измеряемым перемещением до 10000 мм, в котором с помощью измерительной зубчато-реечной пары приводятся во вращение бесконтактные сельсины. Между сельсинами соседних декад установлен редуктор с передаточным числом 10. Такие датчики применяются в ряде типовых приводов подач станков с ЧПУ.

В качестве датчика точного отсчета может использоваться также линейный датчик, работающий в фазовом режиме. Характерным примером таких датчиков является бесконтактный линейный сельсин (рис. 12.12), состоящий из рейки Р и измерительной головки Г устанавливаемых соответственно на неподвижном и перемещаемом узлах станка. Рейка выполнена из стали и имеет зубцы прямоугольного профиля с шагом Бр. Измерительная головка также представляет собой участок стальной рейки с аналогичными зубьями, шаг которых отличается от Бр на 1/6.

На измерительной головке имеется трехфазная обмотка (С/-/-/ V Сх-2-2 Сз-3-3 ”), причем каждая фаза охватывает третий по счету зубец. Кроме того, на головке имеется однофазная обмотка В, намотанная таким образом, что ее направления на соседних зубцах противоположны. Размеры окна, толщина зубца и зазор между зубцами головки и рейки таковы, что при перемещении головки относительно рейки магнитная проводимость каждого из ее зубцов меняется по закону, приближающемуся к синусоидальному.

При подаче на обмотку В синусоидального напряжения с амплитудой итах и перемещения головки на величину х в фазах С/, С23

'. Схема бесконтактного линейного сельсина

Рис. 12.12'. Схема бесконтактного линейного сельсина

индуцируются синусоидальные ЭДС, амплитуды которых меняются по косинусоидальному закону:

Е,=итах соэ (2х/8р);

Еі=итахсоБ (2 ж х/8р+2 ж/3); Е,=итихсов(2жх/8р-2ж/3).

Фаза этих напряжений изменяется на 180° при переходе через нулевое положение. Такой режим работы называется трансформаторным.

При подаче синусоидального напряжения на трехфазную обмотку головки образуется бегущее магнитное иоле, а в ее однофазной обмотке индуцируется ЭДС, фаза которой изменяется по линейному закону: ф=2жх/Ёр. Этот режим работы называется режимом фазовращателя.

Кроме сельсинов в качестве датчиков положения могут использоваться как круговые, так и линейные индуктосины. Датчик такого типа состоит из двух шкал, одна из которых представляет собой пластину из электроизоляционного материала, на которую печатным способом нанесены обмотки с витками прямоугольной формы (рис. 12.13). На одной шкале имеется обмотка 1 с шагом 51, на другой - две обмотки 2 и 3, сдвинутые по отношению друг к другу на 574.

При подаче на обмотки 2 и 3 синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 90°, образуется бегущее магнитное поле, и в обмотке 1 индуцируется ЭДС, фаза которой ф=2жх/Б, где х - перемещение шкалы.

В качестве датчиков дистанционного отсчета в системах управления используются устройства цифровой индикации (УЦИ). Как правило, они шестиразрядные и базируются на циклических (фазовых) датчиках положения. По способам формирования показаний младших разрядов эти датчики идентичны рассмотренным выше, различие состоит в способах формирования показаний старших разрядов. В младших разрядах обычно используются датчики типа сельсинов, по одному на каждую координату; могут применяться также

резольверы. Принцип работы подобного УЦИ заключается в следующем.

Рис. 12.13. Схема линейного индуктосина

Измеряется разность фаз между опорным сигналом (напряжением) и выходным сигналом датчиков младших разрядов. Затем временной интервал, соответствующий этой разности, преобразуется в дискретную величину (операция квантования), имеющую

вид числа, записанною в один или два младших разряда УЦИ. После этого формируются показания в старших разрядах УЦИ путем подсчета (с помощью реверсивных счетчиков) числа импульсов, возникающих в моменты совпадения фаз опорного напряжения и выходного сигнала датчика. Обычно это происходит через каждый миллиметр перемещения узла станка.

Основными компонентами УЦИ являются: 1) блок опорного сигнала, генерирующий сигналы прямоугольной формы с рядом фиксируемых частот; из этих сигналов формируется трехфазное напряжение для питания сельсинов, а также для управления вводом и выводом информации; 2) блок согласования, осуществляющий квантование непрерывно изменяющейся разности фаз на выходе датчика, т.е. ее преобразование в скачкообразно изменяющееся напряжение; 3) блок формирования, производящий формирование базы отсчета (т.е. начального значения показаний) и импульсов отсчета целых шагов (миллиметров), их выдачу на блок реверсивных счетчиков старших разрядов УЦИ, определение знака направления перемещения узла, а также выполняющий некоторые другие функции.

Устройства подобного типа используются как автономно для цифровой индикации положения рабочих органов на станках с ручным управлением, так и для управления приводами в режиме позиционирования на станках с УПУ. На основе этих принципов измерений с использованием линейных либо круговых датчиков обратной связи создают следящие электроприводы с цифровым управлением. Последние в сочетании с системой ЧПУ способны полностью заменять электрогидравлические шаговые приводы, что особенно эффективно при использовании высокомоментных электродвигателей, соединяемых непосредственно с шариковым ходовым винтом без промежуточных кинематических звеньев.

Значительно расширяют возможности оборудования с автоматическим и числовым программным управлением управляемые электрические приводы, которые служат для решения следующих задач: осуществление подач и главного движения, а также приведение в действие вспомогательных механизмов.

Приводы подачи делятся на две группы: дискретные (шаговые) и следящие непрерывные. В свою очередь шаговые приводы делятся на две группы: 1) приводы с силовым шаговым двигателем (ШД), передающим момент непосредственно на управляющий орган через силовую кинематическую цепь; 2) приводы с управляющим ШД, задающим угол поворота или перемещение клапана дросселя, регулирующего число оборотов гидромотора или усилие гидроцилиндра.

Современные быстродействующие ШД представляют собой модификацию синхронных электрических машин с активным зубчатым ротором и реактивным зубчатым статором (либо с активным статором и реактивным ротором), обмотки которых возбуждаются сигналами, существенно отличающимися от синусоидальных. Как правило, это импульсы прямоугольной или трапецеидальной формы, которые могут отличаться частотой, изменяемой в широких пределах. Этой частоте пропорциональна частота вращения вала ШД. Ступенчатое изменение напряжения обусловливает прерывистое вращение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором.

Принцип работы шагового двигателя заключается в преобразовании унитарного кода в угол поворота вала. При этом зубцы статора и ротора взаимодействуют между собой таким образом, чтобы в устойчивом положении магнитный поток замыкался через минимальный воздушный зазор.

Управление вращающимся магнитным полем осуществляется при помощи электронных схем коммутации, которые последовательно передают напряжение от одной фазы к другой и т.д. Функционально подобные схемы выполнены в виде отдельных плат, расположенных в шкафу управления и соединяемых с другими блоками при помощи специальных разъемов.

Главной характеристикой ШД является цена шага импульса, т. е. величина перемещения исполнительного органа или угол поворота вала. Цену шага можно уменьшить, например, в два раза, если для трех фаз А,В,С принят следующий закон коммутации: А;А и В;В; В и С;С ; С и А. Тогда устойчивыми будут положения ротора не только «зубец против зубца», но и «зубец против зубца со смещением на 1/12 шага». Возможны различные законы коммутации с разным числом тактов в цикле. Для шестифазных ШД наиболее часто применяют 12-тактный цикл коммутации. Динамические и кинематические показатели ШД зависят от числа фаз числа тактов коммутации.

Главные преимущества шаговых приводов заключаются в простоте, надежности, низкой себестоимости. Но из-за малой мощности они нашли применение прежде всего в малых и средних токарных станках, а также в электрофизических и шлифовальных станках. В современном оборудовании силовые шаговые приводы успешно конкурируют с гидроусилителями.

Создание высокомоментных электродвигателей с постоянными магнитами позволило расширить область применения следящего привода. Принцип работы следящего привода (рис. 12.14) заключается в следующем: на его вход поступают импульсы от интерполятора УЧПУ, в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) импульсный сигнал преобразуется, а аналоговый поступает на элемент сравнения (компаратор), где вырабатывается сигнал рассогласования, пропорциональный разности заданного ф, и фактического ф положений выходного вала привода (фактическое положение вала определяется с

помощью измерительного преобразователя). Заданное и фактическое положения вала могут сравниваться как в аналоговой, так и в импульсной форме. Сигнал рассогласования поступает на регулятор положения РП, который способствует уменьшению рассогласования.

I

м

Фз

11 * к:

УЧПУ -* ЦАП

<

1

РП '

:=? У —* тп —> Д ?

-?* 1

Ф

Рис. 12.14. Обобщенная схема следящего электропривода подачи: /-следящий привод; II - регулируемый привод; Мс - момент сопротивления (нагрузка); со - угловая скорость выходного вала двигателя; р - оператор

преобразований

В силовую часть регулируемого электропривода, являющегося базовым узлом следящего электропривода подачи, входят: усилитель У, регулируемый двигатель Д постоянного тока и силовой тиристорный преобразователь ТП, который преобразует переменное напряжение управляющего сигнала в регулируемое постоянное напряжение на якоре двигателя.

Тиристорный преобразователь работает следующим образом: тиристор открывается при положительном полупериоде подаваемого напряжения и остается в таком состоянии до тех пор, пока величина протекающего через него тока не станет равной 0. Регулирование величины тока, протекающего через тиристор, осуществляется путем изменения фазы (угла сдвига) управляющего напряжения, т.е открытие тиристора несколько запаздывает после перехода через 0.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют многофазные схемы тиристорных преобразователей, в том числе нулевые (однотактные) и мостовые (двухтактные). В нулевой схеме нагрузку (якорь двигателя) подключают к средней точке вторичной обмотки питающего трансформатора. Тиристоры, включенные в каждую фазу, объединяют либо катодами (катодная группа) либо анодами (анодная группа). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения последовательно с нагрузкой включают реактор (дроссель). В нулевой схеме работает только одна полуволна переменного напряжения в каждой фазе. Мостовая схема получается последовательным соединением двух нулевых схем. При этом работают обе полуволны

переменного напряжения, и пульсации выпрямленного напряжения значительно меньше.

Управляемый тиристорный преобразователь может функционировать не только в выпрямительном, но и в инверторном режиме, используемом при рекуперативном торможении.

Для управления реверсивными приводами постоянного тока необходимы реверсивные тиристорные преобразователи. В станкостроении распространено использование двух комплектов тиристорных преобразователей в целях обеспечения высокого быстродействия при реверсировании двигателя и (или) изменения знака момента сопротивления. Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняют по перекрестной либо встречно-параллельной схеме.

С силовым тиристорным преобразователем непосредственно связана схема импульсно-фазового управления (СИФУ), предназначенная для преобразования непрерывного сигнала в последовательность импульсов, фаза которых может изменяться пропорционально входному воздействию.

Для стабилизации механической характеристики регулируемого привода в схему вводят отрицательную обратную связь по угловой скорости двигателя. Сигналом обратной связи является напряжение тахогенератора либо напряжение, снимаемое с диагонали тахометрического моста, образованного обмоткой якоря двигателя, обмоткой дополнительных полюсов и двумя специально введенными резисторами.

В приводах главного движения современных станков применяют преимущественно регулируемые приводы с двигателем постоянного тока и тиристорным преобразователем. При этом мощность привода главного движения изменяется в функции частоты вращения шпинделя. На основании статистических исследований загрузки станков было установлено, что от нижней границы примерно до середины диапазона регулирования зависимость мощности от частоты вращения близка к прямо пропорциональной, и регулирование привода нужно производить при постоянном моменте. Затем мощность достигает максимума и далее незначительно снижается при наибольшей частоте вращения. На этом участке привод можно регулировать при постоянной максимальной мощности. Такое регулирование называют двухдиапазонным.

Регулирование с постоянной максимальной мощностью осуществляется путем изменения тока возбуждения двигателя при неизменном напряжении на якоре. Частота вращения изменяется от номинальной. Диапазон регулирования при этом невелик (примерно 4:1). Если его необходимо расширить, вводят дополнительную коробку скоростей. Чаще всего - это коробки с автоматическим переключением скоростей, например с помощью электромагнитных муфт.

Для регулирования с постоянным моментом необходимо изменять напряжение на якоре при неизменном токе возбуждения (так же, как в регулируемом приводе подачи). Частота вращения при этом изменяется вниз от номинальной, и диапазон регулирования может быть достаточно большим (1:20). Однако в многоцелевых станках этот диапазон должен быть значительно увеличен (1:1000), что связано с необходимостью точного позиционирования шпинделя при смене инструмента. Для этого привод главного движения переключают на «ползучую скорость», благодаря чему достигается высокая точность позиционирования.

В большинстве станков для обеспечения работы привода в двигательном и тормозном режимах и реверсирования шпинделя используются все четыре квадранта координатной плоскости иМ (здесь со - угловая скорость выходного вала; М - момент, развиваемый двигателем). Поэтому привод главного движения должен иметь два тиристорных преобразователя: для цепи якоря и цепи возбуждения.

К вспомогательным функциям, выполняемым при управлении станками, относятся: реверсирование и остановка шпинделя (в том числе в заданном положении); переключение поддиапазонов частоты вращения приводов главного движения и подачи; поиск и смена инструмента, коррекция и фиксация его положения; установка рабочих органов в исходное положение; движения, связанные с позиционированием заготовки или инструмента; зажим и освобождение заготовки, фиксация и освобождение подвижных узлов станка; включение и выключение систем смазывания, охлаждения, удаления стружки и др. Для выполнения указанных функций предусмотрены специальные механизмы, оснащенные соответствующими приводами.

Приводы вспомогательных механизмов могут иметь постоянную и регулируемую скорость. Последние служат для осуществления точных делительных и установочных перемещений. Такой привод должен обладать высокими динамическими качествами: развивать большое рабочее усилие, иметь высокую кратность пускового момента по отношению к номинальному, а также быть способным сочетаться с разнообразными конструктивными элементами. Указанным требованиям в большей мере отвечают гидроприводы (возвратно-поступательного, вращательного и поворотного движений). Там, где требуется высокая мощность и точное позиционирование, применяют пневматические и пневмоэлектрические приводы.

Учитывая вышеизложенное, можно считать, что в настоящее время превалирующим является использование в приводах подачи вентильных приводов постоянного тока, регулируемых изменением напряжения управляемого выпрямителя с дополнительным ослаблением тока возбуждения при выполнении быстрых установочных движений. В универсальных станках, как в приводе главного движения, так и в

приводе подачи, применяют электродвигатели постоянного тока нормального исполнения. Для быстродействующих приводов наиболее подходящими являются специальные малоинерционные двигатели с гладким якорем или дисковым печатным якорем и высокомоментные двигатели с высокоэнергетическими постоянными магнитами. Эффективно также применение бесщеточных двигателей переменного тока, короткозамкнутых асинхронных и синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>