Исполнительные устройства УЧПУ.
Исполнительные устройства СПУ реализуют согласованное движение рабочих органов, заданное управляющей программой, а также различные переключения исполнительных механизмов. Системы управления исполнительными механизмами подразделяются в зависимости от характера и способа задания реализуемого движения на цикловые, позиционные и контурные.
Цикловые системы управления обеспечивают лишь включение и выключение исполнительных механизмов в зависимости от номера реализуемого такта в составе технологического цикла и номера рабочей точки, по достижении которой совершаются заданные переключения. Приход в заданную точку фиксируется электромеханическими упорами (путевыми переключателями), информация о которых поступает в управляющее устройство и определяет дальнейшее распределение управляющих сигналов в рамках текущего такта управления. При чисто цикловом управлении положение рабочих органов фиксируется лишь в отдельных точках траектории их движения, различаемых по номерам этих точек. При необходимости фиксируется также и время пребывания исполнительных механизмов в заданном положении. Траектории перемещения рабочих органов от одной фиксированной точки к другой при цикловом управлении жёстко определяются конструкцией исполнительных устройств и не могут быть изменены произвольно.
Позиционные системы управления, кроме того, что реализуют цикловые системы управления, обеспечивают вывод рабочих органов в произвольную точку пространства в зоне обслуживания и фиксирование (позиционирование) рабочих органов в заданной точке с заданной точностью. При позиционировании траектория перемещения рабочих органов в пределах зоны обслуживания может быть задана произвольно, а точность отработки перемещения задаётся лишь в окрестности точки позиционирования.
Контурные системы управления помимо реализации описанных ранее функций обеспечивают перемещение рабочих органов по заданному контуру с заданной точностью отработки контура. Для этого контур намечается в виде совокупности опорных точек, а перемещение рабочих точек реализуется от точки к точке путём линейной или круговой интерполяции (см. вопрос 7.4). Для исполнительных устройств УЧПУ характерна реализация как позиционного, так и контурного управления.
В качестве силовой части исполнительных устройств УЧПУ применяются электрические, гидравлические и пневматические приводы, следящие или шаговые, причём применение электроприводов непрерывно расширяется. Это происходит благодаря улучшению их массогабаритных показателей, лучшим эксплуатационным характеристикам и КПД и созданию электромеханизмов, способных с высокой эффективностью воспроизводить заданные пространственные траектории. Наибольшее распространение среди исполнительных устройств УЧПУ получили следящие электроприводы (СЭП) постоянного и переменного тока.
В электродвигателях постоянного тока, использующих беспазовые малоинерционные двигатели и предъявляющих повышенные требования к качеству воспроизведения движения, широко применяются транзисторные широтно-импульсные преобразователи. Применение следящих приводов этого типа характерно для роботов-манипуляторов и станков малой мощности. Функциональная схема следящего электропривода постоянного тока для роботов приведена на рис.7.8.
Рис.7.8. Функциональная схема следящего электропривода постоянного тока для роботов.
Здесь транзисторные модули VT1 … VT4, питаемые от нерегулируемого выпрямителя В с ёмкостным фильтром С, составляют силовую часть широтно-импульсного преобразователя, питающего двигатель постоянного тока М. Коммутация вентилей VT1 … VT4 определяется частотой и скважностью импульсов, поступающих с широтно-импульсного регулятора (ШИР). Скважность импульсов на выходах ШИР определяется уровнем напряжения на его входе и задаёт скважность напряжения, поступающего на двигатель М. Чем больше скважность, тем меньше среднее напряжение, питающее якорь двигателя М.
Система управления приводом включает в себя цифровой контур регулирования положения (причём регулятор положения запрограммирован в микропроцессорном модуле МПМ) и аналоговые контуры регулирования скорости и тока с датчиком тока (ДТ) и тахогенератором (ТГ) в качестве датчика скорости. Таким образом, мы имеем трёхконтурную следящую систему с подчинённым регулированием скорости и тока якоря. В качестве регуляторов скорости и тока применены аналоговые пропорционально-интегральные регуляторы PC и PT. Могут быть применены и цифровые регуляторы, причём их алгоритмы строятся по схеме, представленной на рис.5.20. В случае применения цифровых регуляторов сигналы скорости и тока должны быть преобразованы в числовую форму с помощью АЦП.
В качестве датчика положения ДП (см. рис.7.8) использован фотоэлектрический датчик, работающий в коде Грея, причём в ДП встроен преобразователь кода Грея в двоичный арифметический код. В МПМ число Nφ, определяющее положение исполнительного механизма, сигнализируемое ДП, сравнивается с числом Nφ з, определяющим заданное положение. Величина рассогласования обрабатывается в соответствии с программой регулятора положения; в результате определяется в числовом виде величина уставки скорости Nφ з. Затем данная уставка должна поступить на вход комплектного регулируемого привода, имеющего, как показано на рис.7.8, аналоговую систему управления. Поэтому она преобразуется цифроаналоговым преобразователем ПКН (преобразователь код-напряжение) в аналоговую форму.
Следящие электроприводы постоянного тока имеют высокие показатели: диапазон регулирования скорости – до 104 при относительной неравномерности движения не более 0, 2; полосу пропускания замкнутого контура – более 20 Гц; высокую идентичность приводов по различным управляемым осям. Они выпускаются комплектно в аналоговом и цифровом исполнениях. Однако в настоящее время они успешно вытесняются СЭП переменного тока, двигатели которых имеют лучшие массогабаритные и стоимостные показатели.
На рис.7.9 приведена функциональная схема следящего электропривода переменного тока на базе вентильного двигателя с управлением от микроконтроллера (МК).
Рис.7.9. Функциональная схема следящего электропривода переменного тока
на базе вентильного двигателя.
Вентильные двигатели широко используются в приводах подач станков с ЧПУ и приводах звеньев промышленных роботов. Вентильный двигатель, представленный на рис.7.9, построен на базе трёхфазной синхронной машины М переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов в роторе и на базе вентильного коммутатора, построенного на транзисторных модулях VT1 … VT6 с подключенными антипараллельно обратными диодами VD1 … VD6. Двигатель М совместно с коммутатором эквивалентен машине постоянного тока. Он получает питание от неуправляемого выпрямителя В с ёмкостным фильтром С на выходе. Вентильный коммутатор переключается коммутатором фаз (КФ) в зависимости положения ротора М сигналами датчика положения ротора (ДПЗ).
Прядок переключения вентилей VT1 … VT6 устанавливается таким, чтобы двигатель М мог развивать максимальный для текущего положения его ротора момент. Релейный регулятор тока (РРТ) обеспечивает регулирование тока статора путём сравнения уставки Iз заданного значения тока, поступающей от переключения характеристик (ПХ), с сигналом обратной связи по току, поступающим от датчиков фазных токов (ДТ). Устройство сравнения (УС) и переключатель характеристик (ПХ) обеспечивают соответствие знаков уставки тока и фактического значения сигнала обратной связи по току. Поскольку момент вентильного двигателя пропорционален амплитуде первой гармоники тока статора, то сигнал, задающий ток статора, задаёт тем самым и момент двигателя.
В СЭП (см. рис.7.9) сигнал обратной связи по положению формируется импульсным датчиком перемещения (ДПер), каждый импульс которого соответствует одной дискрете перемещения датчика. Величина перемещения Nф фиксируется в числовом виде на выходе АЦП. На другом выходе АЦП формируется также в числовом виде величина скорости Nω , полученная путём дифференцирования сигналов ДП. Сигнал положения Nф поступает на вход цифрового регулятора положения ЦРП, а сигнал скорости Nω – на вход цифрового регулятора скорости ЦРС. Их алгоритмы составляются по схеме, представленной на рис.5.20. На выходах указанных регуляторов формируются в числовом виде уставка скорости Nω з и уставка Niз. Поскольку уставка тока должна поступать на ПХ в аналоговом виде Iз, на выходе ЦРС установлен цифроаналоговый ПКН.
Исполнительные устройства на базе электроприводов с шаговыми двигателями могут быть двух вариантов: с приводом от силового шагового двигателя (ШД) и с приводом от гидромотора (ГМ), управляемого от ШД и являющегося усилителем момента (рис.7.10).
Рис. 7.10. Шаговый электропривод с гидроусилителем момента.
Система управления шаговым двигателем (СУШД) состоит из двух функциональных узлов: микроконтроллера (МК) и совокупности усилителей-регуляторов токов фаз (УТФ). Микроконтроллер выполняет функции интерполятора и коммутатора фаз. Как интерполятор он преобразует число Xз, поступившее от УЧПУ и задающее число импульсов, поступающих на обмотки статора ШД, в реальные импульсы соответствующей частоты, причём число импульсов равно заданному числе Xз, а их частота определяется заданной скоростью вращения.
Как коммутатор фаз МК распределяет импульсы по фазам ШД. Перед подачей на ШД импульсы усиливаются УТФ. Каждому импульсу соответствует одна дискрета (минимальная величина) поворота вала ШД. Если применён силовой ШД, то он непосредственно вращает исполнительный механизм (ИМ). В противном случае ШД поворачивает ведущий элемент гидрораспределителя (ГРС), что приводит к изменению давления в полостях насоса переменной производительности (НПП) и гидромотора (ГМ). Выходной вал ГМ поворачивает ИМ и одновременно – ведомый элемент ГРС. Это приводит к тому, что после поворота вала ГМ на заданный угол ГРС оказывается в нейтральном положении и вал ГМ останавливается.
|
