Тема 1.5. Исполнительные устройства

В настоящее время в станках с числовым программным управлением используются, как правило, два вида приводов подач.

1.5.1. Разомкнутый (шаговый) привод подач.

В основу работы такого привода положен шаговый электрический двигатель, который обеспечивает надежное и стабильное перемещение режущего инструмента на строго определенную величину по пришествии из УЧПУ на шаговый двигатель одного электрического импульса. Этим объясняется отсутствие в приводе контроля за текущим действительным положением режущего инструмента (отрицательной обратной связи по положению), а привод подач называется разомкнутым.

Обобщенная структурная схема разомкнутого привода подач представлена на рис. 1.5.1.

На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УЧПУустройство числового программного управления;

СУсхема управления шаговым двигателем;

УМусилитель электрической мощности сигнала, поступающего на вход шагового двигателя;

ШДшаговый двигатель, у которого вал ротора поворачивается на строго определенный угол по пришествии на вход двигателя одного электрического импульса;

СЗследящий золотник, обеспечивающий подачу на гидродвигатель жидкости под давлением и управляющий его работой;

НСнасосная станция, создающая давление в жидкости;

ГДгидродвигатель, обеспечивающий перемещение объекта управления станка (суппорта, подвижного стола);

ОУобъект управления станка.

В результате расчета координаты текущего положения объекта управления УЧПУ посылает в схему управления (СУ) электрический импульс для перемещения объекта управления (режущего инструмента) на строго определенную величину. После сформирования в схеме управления (СУ) команд управления в виде импульсов и усиления их по мощности в усилителе мощности (УМ) они подается на шаговый двигатель (ШД). В результате этого ротор шагового двигателя поворачивается на строго определенный угол, открывая следящий золотник (СЗ). Жидкость под давлением из насосной станции (НС) через следящий золотник (СЗ) поступает в гидродвигатель (ГД), в результате чего объект управления (ОУ) начинает перемещаться, одновременно постепенно закрывая следящий золотник (СЗ). Переместившись на заданную величину, объект управления (ОУ) полностью закроет следящий золотник (СЗ), и привод прекратит перемещение объекта управления (ОУ).

Минимальная, стабильная величина перемещения объекта управления (режущего инструмента) в результате поступления на привод подач с УЧПУ одного электрического импульса называется дискретой.

Количество дискрет, поступивших с УЧПУ, характеризует величину перемещения, а количество дискрет, поступивших с УЧПУ в единицу времени, характеризует скорость перемещения объекта управления.

1.5.2. Замкнутый (следящий) привод подач.

Основу замкнутого привода подач составляет двигатель постоянного тока с широким диапазоном регулирования частоты вращения вала ротора под нагрузкой и устройство контроля объекта управления по положению. Устройство контроля постоянно измеряет текущее положение объекта управления, что позволяет сравнить это положение с заданным устройством ЧПУ.

Обобщенная структурная схема замкнутого привода подач представлена на рис. 1.5.2.

На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УЧПУустройство числового программного управления;

СУсравнивающее устройство заданного перемещения объекта управления и действительного его перемещения;

ЦАПцифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал схемы сравнения, выраженный в дискретной форме, в сигнал в виде постоянного напряжения, амплитуда которого пропорциональна цифровому значению сигнала схемы сравнения;

УМусилитель электрической мощности постоянного напряжения;

ИДисполнительный двигатель постоянного тока;

Рредуктор для понижения частоты вращения вала ротора исполнительного двигателя и преобразования вращения ротора исполнительного двигателя в линейное перемещение объекта управления;

ОУобъект управления;

ДОСдатчик обратной связи для преобразования линейных перемещений объекта управления в пропорциональный электрический сигнал.

Если на привод подач с УЧПУ поступает унитарный код (последовательность электрических импульсов, каждый импульс которой характеризует перемещение объекта управления на одну дискрету), то в качестве датчика обратной связи используется вращающийся трансформатор в импульсном режиме, а в качестве схемы сравненияреверсивный счетчик. В импульсном режиме датчик обратной связи вырабатывает один электрический импульс при перемещении объекта управления на одну дискрету. Импульсы, поступающие с УЧПУ, на счетчике суммируются, а импульсы, поступающие с датчика обратной связи, в счетчике вычитаются из суммы импульсов, поступивших в него из УЧПУ.

Если на привод подач с УЧПУ поступает сигнал в виде числовой комбинации (числа, характеризующего величину перемещения), то в качестве датчика обратной связи используется кодовый датчик, а в качестве схемы сравнения используется сумматор, позволяющий производить операцию вычитания кодовой комбинации, поступившей с датчика обратной связи, из кодовой комбинации, записанной ранее в сумматор устройством ЧПУ.

Предположим, что из УЧПУ на вход схемы сравнения (СС) поступают импульсы (унитарный код), характеризующие величину перемещения объекта управления. Если предположить, что в момент поступления импульсов объект находился в состоянии покоя, то в схеме сравнения образуется сумма из импульсов поступивших в данный момент только из УЧПУ. После преобразования количества этих импульсов в величину амплитуды постоянного напряжения в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и усиления этого напряжения в усилителе мощности (УМ) оно подается на исполнительный двигатель постоянного тока (ИД). В редукторе происходит понижение оборотов вращения ротора двигателя и преобразование вращательных движений в поступательные. Объект управления начинает перемещаться. При перемещении объекта управления на одну дискрету датчик обратной связи (ДОС) вырабатывает один электрический импульс, который поступит в схему сравнения (СС) и там произойдет вычитание его из суммы импульсов, поступивших до этого из УЧПУ. При перемещении объекта управления на величину, равную расстоянию перемещения заданную количеством импульсов из УЧПУ, объект управления прекращает свое движение.

Следовательно, как и в случае разомкнутого привода подач, в замкнутом приводе подач справедливо понятие дискреты.

При использовании следящего привода подач датчик по положению объекта управления может устанавливаться на выходном валу редуктора или непосредственно на перемещающемся объекте управления (например, суппорте). Поскольку в первом случае пара винт-гайка не охватываются обратной связью, погрешности этой пары переносятся на изделие.

Следящие приводы подач могут работать с одним из четырех видов модуляции управляющего сигнала: амплитудной, фазовой, импульсной и кодовой.

При амплитудной модуляции управляющего сигнала в качестве датчика положения используется вращающийся трансформатор в режиме амплитудной модуляции. В качестве сравнивающего устройства применяют дифференциальный операционный усилитель.

При фазовой модуляции управляющего сигнала в качестве датчика положения используют индуктосин в режиме фазовращения и в качестве сравнивающего устройства  фазочувствительный детектор.

В том случае, если используется импульсная модуляция, то применяют оптический импульсный датчик и в качестве сравнивающего устройства  электронный счетчик.

При кодовой модуляции управляющего сигнала используют кодовый оптический датчик и в качестве сравнивающего устройства  сумматор, позволяющий производить операции вычитания с числами, выраженными в двоичной системе счисления.