УЧПУ. Контроллеры измерительных систем.

УЧПУ. Контроллеры измерительных систем.

Введение.

Контроллер измерительной системы предназначен для перемещения рабочего органа управляемого оборудования. Блок схема измерительной системы показана на рис.

В зависимости от способа решения задачи управления координатой контроллеры бывают двух типов: активные и пассивные. В первом случае контроль перемещения и управления приводом координаты осуществляется автономным вычислительным устройством, выполняющим только данную функцию. Данное устройство может управлять одной или несколькими координатами. Пассивные контроллеры осуществляют только преобразовательные или передаточные функции, а непосредственный контроль перемещения и управление приводом осуществляет центральное вычислительное устройство.

Датчики обратной связи.

Много- оборотные

Рис. Классификация датчиков обратной связи.

Дискретные, иногда называемые унитарными, датчики выдают единичный, фиксированный сигнал, соответствующий минимальному перемещению рабочего органа. Это перемещение называется дискретой, а общее перемещение рабочего органа равно сумме всех дискрет, полученных от датчика обратной связи. Дискретные датчики просты по конструкции, однако их использование связано с необходимостью поиска начальной точки отсчета, так как при отключении общего питания УЧПУ информация о перемещениях рабочего органа исчезает.

Позиционные или кодовые датчики осуществляют непрерывный контроль перемещения рабочего органа и автоматическое восстановление координаты после включения общего питания УЧПУ.

Комбинированные датчики представляют собой синтез первых двух типов, при этом в узком диапазоне перемещения (2-10 мм) датчики являются позиционными, а общее перемещение определяется как сумма дискретных диапазонов. Поэтому при включении общего питания восстанавливается координата рабочего органа в пределах диапазона, однако для получения общей координаты необходим возврат в исходную точку. Положительным фактором в данном случае является резкое снижение требований к точности концевых выключателей, используемых для фиксации рабочего органа.

По используемому в ДОС физическому принципу датчики подразделяются на фотоэлектрические, индуктивные, потенциометрические и оптические. В фотоэлектрических выходной сигнал формируется путем модуляции светового потока излучателя с помощью маски, представляющей собой чередование прозрачных и непрозрачных участков – рисок.

В индуктивных ДОС выходной сигнал отражает угловое смещение магнитных полей статора и ротора

Комбинированные датчики обратной связи.

Суть работы таких датчиков заключается в том, что они совмещают работу унитарных и позиционных датчиков. При этом они являются позиционными в ограниченном диапазоне измеряемой координаты, а общее значение получается путем суммирования количества диапазонов. При включении питания УЧПУ такие датчики восстанавливают точное значение координаты в одном диапазоне, однако для начала работы, как и в случае унитарных датчиков, необходим возврат рабочего органа в исходное положение. Преимущество измерительной системы на комбинированных датчиках заключается в резком снижении требований к точности датчиков исходного положения рабочего органа – погрешность не должна превышать величину диапазона позиционного датчика. В качестве позиционного датчика в этом случае применяются либо индуктивные, либо оптические датчики.

Гидравлические приводы.

Гидравлические приводы по сравнению с другими типами обладают одним важнейшим достоинством, а именно, высокой удельной мощностью, т.е. мощностью, приходящейся на единицу массы или объема привода, что объясняется высокими уровнями давления в гидросистеме. Это обстоятельство обуславливает широкое применение гидроприводов в станках тяжелого типажа или в роботах, где при многих степенях свободы требуюется минимизация инерционных масс элементов приводов. Как видно из классификации гидроприводы по виду исполнительных элементов бывают двух типов: возвратно - поступательные и вращательные. К первым относятся различного типа гидроцилиндры, осевое перемещение поршня в которых является и исполнительным, т.е. силовым. К вращательным относятся различного типа гидромоторы, например, аксиальные. Схематичное изображение аксиального насос - мотора приведено на рис.6.3. При вращении корпуса агрегата каким - либо внешним, например, электромотором, аксиальные поршни, вследствие наклона опорной поверхности начинают возвратно - поступательно перемещаться в осевом направлении, создавая давление жидкости в напорной магистрали и разрежение в сливной. И, наоборот, подавая давление в напорную магистраль поршни начинают вращать наклонную опорную поверхность или корпус агрегата, который таким образом превращается в гидромотор.

Рис.6.3. Принцип работы аксиального гидравлического мотор-насоса.

Крутящий момент или осевое усилие гидроприводов зависит от геометрических размеров и, главное, от величины давления в гидросистеме, которое может достигать нескольких десятков, а то сотен атмосфер. Однако регулирование скорости представляет определенные трудности, поскольку скорость зависит от величины расхода рабочей жидкости через агрегат. Регулирование расхода производится специальными устройствами, которые представляют собой также механические агрегаты и для своей автоматической работы требуют дополнительных, хотя и меньшей мощности, приводов, например, электрических. Все это обусловило использование гидроприводов прямого действия только в оборудовании тяжелого типа с высоким мощностями и небольшими диапазонами регулирования скорости. Для использования в оборудовании среднего класса более широкое распространение получили гидроприводы со следящими золотниками. Принцип работы возвратно - поступательного гидропривода со следящим золотником показан на рис. 6.4. Основной рабочий гидроцилиндр с поршнем совмещается в одном корпусе со следящим золотником, представляющим собой гидроцилиндр небольшого диаметра с поршнем, имеющим, как правило, два пояска. В исходном положении пояски золотника перекрывают входной и выходной каналы основного цилиндра, заполненного рабочей жидкостью. В таком положении возникает так называемый «гидравлический замок», прочно удерживающий рабочий орган в неподвижном состоянии, что исключает необходимость применения различных тормозных механизмов. При перемещении золотника, например, вправо на какую либо величину входной канал основного цилиндра соединяется с напорной магистралью, а выходной – со сливной. Происходит перемещение корпуса основного цилиндра вправо, а поскольку цилиндр золотника совмещен с корпусом основного цилиндра, то цилиндр золотника также перемещается вправо и снова поясками золотника перекрываются оба канала основного цилиндра. При перемещении золотника влево основой цилиндр также переместится влево, отслеживая таким образом перемещения золотника. При непрерывном перемещении золотника с определенной скоростью с такой же скоростью будет перемещаться и корпус основного цилиндра. Поскольку рабочий напор жидкости проходит по полости между двумя поясками золотника, осевые усилия на поясках уравновешивают друг друга, поэтому при перемещении золотника нужно преодолеть практически только силы трения на стенках между цилиндром и золотником. Эти силы незначительны, поэтому для перемещения золотника можно использовать маломощные приводы, например, на основе шаговых двигателей или маломощных приводов постоянного тока. Гидроприводы со следящим золотником бывают и вращательного типа в виде так называемых гидроусилителй момента (ГУМ). Их принцип работы аналогичен рассмотренному.

Рис. 6.4. Схема работы гидроцилиндра со следящим золотником.

Пневматические приводы несколько уступают гидравлическим по удельной мощности, но имеют преимущество перед последними в части подготовки рабочего тела, так как используемый в приводах воздух постоянно обновляется и не возникает проблема его охлаждения, как в случае с гидравлическими. Однако проблема регулирования скорости в пневматических приводах также имеет место, по этой причине в приводах оборудования с ЧПУ среднего класса в настоящее время наибольшее распространение получили электрические приводы.

4.2. Электрические приводы.

Как видно из классификации электрические приводы в зависимости от рода используемого тока бывают двух типов: постоянного тока и переменного тока.

Приводы переменного тока.

Приводы переменного тока в зависимости от типа двигателей могут быть синхронными или асинхронными. Синхронные двигатели отличаются значительной сложностью в управлении и обслуживании, поэтому не нашли широкого применения в качестве исполнительных двигателей приводов станков среднего класса. Здесь большее распространение получили асинхронные двигатели и приводы на их основе. Скоростная характеристика асинхронных двигателей определяется зависимостью: n = kfN, где: к – коэффициент пропорциональности, f – частота переменного тока, N – число пар полюсов. Число пар полюсов является конструктивной характеристикой и не может использоваться в качестве параметра автоматического регулирования частоты вращения ротора двигателя. Хотя промышленностью выпускаются асинхронные двигатели, имеющие выводы обмоток нескольких пар полюсов, что позволяет дискретно менять частоту вращения в два или три раза, но не более. Поэтому для целей регулирования частоты вращения более пригоден параметр частоты питающей сети. На рис. 6.14. приведена структурная схема привода переменного тока на основе асинхронного двигателя. Импульсы маломощного генератора импульсов подаются на вход управляемого делителя импульсов, с входа которого снимается последовательность импульсов пропорциональная разности сигналов задатчика скорости и датчика действительной скорости вращения ротора двигателя. Импульсы подаются на трехтактный коммутатор импульсов, формирующий импульсы по трем выходным линиям (как показано на рис. 6.15.) со сдвигом фазы импульсов на 120 градусов. Полученные таким образом импульсы подаются на усилитель мощности с интегратором. Последний превращает прямоугольные однополярные импульсы в синусоидальные напряжения той же частоты, которые направляются на обмотки асинхронного двигателя. Чередование фаз на двигателе зависит таким образом от чередования импульсов на выходе коммутатора, что и определяет направление вращения двигателя. В качестве датчика обратной связи по скорости в приводе используется датчик фаз, представляющий собой маломощный генератор трехфазного напряжения. Применение в данном случае датчика фаз, а не датчика частоты, обуславливается требуемым быстродействием датчика обратной связи. Сигнал с датчика фаз направляется в фазовый дискриминатор, с выхода которого снимается сигнал, впоследствии сравниваемый с сигналом задатчика скорости.