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.
Назначение, состав, основные характеристики.
Измерительные системы (ИС) предназначены для непрерывного контроля положения рабочего органа станка в процессе отработки управляющей программы. Число ИС в УЧПУ равно числу управляемых координат станка или робота. ИС бывают двух типов разомкнутые и замкнутые. Структурную схему разомкнутой ИС можно представить в следующем виде:
1 – контролируемое управляющее воздействие,
2 – специальный коммутатор,
3 – усилитель,
4- приводной двигатель,
5 – гидроусилитель мощности,
6 – рабочий орган станка.
Основу разомкнутых ИС представляет специальный приводной двигатель, ротор которого поворачивается на строго определенный угол при подаче на обмотки импульсного сигнала, другими словами каждый импульс поворачивает ротор на величину одной дискреты, называемой шагом, поэтому такие двигатели называются шаговыми. Число таких импульсов на один оборот ротора зависит от конструкции двигателя. Так используемый в станочных приводах двигатель типа ШД-5М, требует 240 импульсов на один оборот двигателя или другими словами величина дискреты двигателя составляет 1,5 угловых градуса. Преобразование углового перемещения ротора в контролируемое перемещение осуществляется либо напрямую для вращательного движения рабочего органа, либо с помощью механического преобразователя, например, передачи винт-гайка – для поступательного движения рабочего органа. Таким образом, число поданных на двигатель импульсов напрямую соответствует величине перемещения по данной координате, а частота подаваемых импульсов – скорости перемещения. Например, для станков средних габаритов (16К20) для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное применяются шарико-винтовые пары с шагом 10мм. Откуда цена одного импульса равна: 10 / 240 = 0,042 мм. Точность позиционирования получается довольно низкой, поэтому с помощью механического мультипликатора точность позиционирования доводят до 0,01 мм.
Как следует из вышеизложенного, разомкнутые ИС просты по конструкции и надежны в работе, однако они имеют ряд недостатков:
- низкая точность измерения из-за разброса механических характеристик двигателя,
- малая мощность двигателей, что влечет за собой необходимость применения дополнительных усилителей мощности,
- малые скорости перемещения вследствие вероятности пропуска импульсов, поскольку двигатель работает в «старт-стопном» режиме.
Так для указанного выше двигателя ШД-5М максимально допустимая частота входных импульсов составляет 8 Кгц, причем данная частота увеличивается (или уменьшается) плавно или ступенчато, но с перепадом не более 2 Кгц.
Вследствие этих недостатков разомкнутые ИС применяются в оборудовании с невысокими точностными требованиями, в частности, в приводах принтеров, плоттеров, различных накопителях, часовых механизмах невысокой точности. При высоких требованиях к точности измерения используются замкнутые ИС. Структурная схема замкнутой ИС показана на рис.
Рис. Структурная схема замкнутой измерительной системы.
1 – управляющее воздействие (ЦАП),
2 – привод,
3 – приводной двигатель,
4 – механический преобразователь,
5 – рабочий орган станка,
6 – датчик обратной связи,
7 - счетно-решающий блок.
В замкнутых системах канал управления скоростью рабочего органа станка не зависит от измерительной системы, и скорость определяется только технологическими факторами. Точность же перемещения рабочего органа определяется только точностными характеристиками датчика обратной связи (ДОС). Классификации существующих ДОС приведена на рис.
Датчики обратной связи.
|
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