Подсистем обратной связи

Подсистема обратной связи главным образом призвана обеспечивать подсистему управления информацией о реальной позиции исполнительного органа станка и о скорости двигателей. Подсистема обратной связи может быть открытого или замкнутого типа.

Системы открытого типа регистрируют наличие или отсутствие сигнала из подсистемы управления. К сожалению, они не могут дать информации о реальной позиции исполнительного органа и скорости двигателей, поэтому в современных станках с ЧПУ практически не используются.

Системы замкнутого типа используют внешние датчики для проверки необходимых параметров.

Датчики обратной связи – устройства, преобразующие механические величины контролируемых параметров в электрические сигналы.

В системе ЧПУ используют

- датчики положения – контролирующие положение рабочего органа;

- датчики скорости;

- датчики состояния исполнительных органов

Датчики скорости формируют информацию о скорости, ускорении и замедлении исполнительного органа станка. Расчет величины ускорения и замедления необходим для точного позиционирования. Когда рабочий стол перемещается в требуемую позицию, он заранее замедляет скорость перемещения, чтобы "не промахнуться" мимо требуемой координаты.

Ø Обратная связь по положению рабочего органа

Подсистема обратной связи по положению рабочего органа служит для сопоставления его положения, заданного программой, с фактическим и устранения возможного рассогласования. Рассогласования являются динамической характеристикой системы и зависят как от свойств системы (масса, момент инерции и т.д.), так и от скоростей и ускорений, с которыми движутся узлы станка. Величина рассогласования может достигать нескольких импульсов.

Рисунок 21 - Структура подсистемы обратной связи по положению рабочего органа

Привод подач, оснащенный обратной связью по положению рабочего органа, называется следящим приводом, а система ЧПУ – замкнутой по положению. Обобщенная структура следящего привода подач показана на рис.19.

На один вход устройства сравнения поступает информация от интерполятора о заданной величине перемещения рабочего органа в виде

Х_зад=х^*DХ, мм,

где х – рассчитанная величина перемещения в безразмерных дискретах,

DХ – цена одной дискреты, мм.

На второй вход устройства сравнения поступает информация от датчика обратной связи по положению о фактическом положении рабочего органа в данный момент времени в виде

Х_факт=c^*DХ, мм,

где c –фактическое положения рабочего органа в безразмерных дискретах,

DХ – цена одной дискреты, мм.

Одна управляющая дискрета приведет к перемещению рабочего органа на величину DХ мм. Для современных станков с ЧПУ цена одной лискреты равна 1 мкм.

Устройство сравнения сравнивает эти две величины и вырабатывает сигнал рассогласования равный (Х_зад-Х_факт)DХ. Цифро-аналоговый преобразователь формирует импульсы электрического тока, которые приводят в движение рабочий орган станка.

Например, С выхода интерполятора в устройство сравнения поступила информация о необходимом перемещении рабочего органа на величину Х_расч =12,45 мм, что с учетом цены импульса (дискретности) DХ= 0,001 мм/имп, составит Х_расч =12450 импульсов. Если до этого момента рабочий орган был неподвижен, то от ДОС поступит информация о его фактическом положении Х_факт=0.

Устройство сравнения выработает сигнал рассогласования равный (Х_зад-Х_факт) =12,45 мм или 12450 импульсов. Эти импульсы, преобразованный в напряжение, приведут в движение рабочий орган. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока сигнал рассогласования станет равным нулю. После этого рабочий орган остановится и будет ждать нового сигнала от интерполятора.

Ø Датчики обратной связи по положению

Следящий привод предусматривает обратную связь по положению, которая замыкается через УЧПУ. ДОС являются неотъемлемой частью замкнутых систем ЧПУ и используются для косвенного контроля размеров обрабатываемой детали. Они осуществляют измерение перемещений рабочего органа станка и преобразовывают результаты измерения в электрические импульсы обратной связи.

Рисунок 22 -
Места размещения датчиков обратной связи

Обратную связь по положению стремятся получить поближе к конечному звену — рабочему органу, пытаясь охватить как можно больше кинематических элементов станка. На рис.22 показаны возможные места включения датчика обратной связи (ДОС).

Место установки датчика обратной связи по положению определяется требуемой точностью и существенно зависит от соотношения параметров электрических и механических звеньев привода.

ДОС присоединяют либо непосредственно к рабочим органам станка, либо к промежуточному звену механизма передачи движения к рабочему органу (например, к ходовому винту). Точность контроля тем выше, чем ближе к рабочему органу установлен ДОС (чем большее количество звеньев привода подач охвачено обратной связью). Это объясняется тем, что исключается часть погрешностей, вносимых люфтами и отжимами промежуточных звеньев цепи подач.

ДОС в виде обычного вращающегося трансформатора (ВТ) можно включить непосредственно на вал двигателя М (рис. 4.10,а), при этом вся кинематическая цепь окажется разомкнутой и все ее погрешности скажутся на точности обработки. При включении ВТ на ходовой винт (рис. 4.10,6) после редуктора обратная связь учитывает погрешности редуктора. Значительно большие по величине зазоры в передаче винт—гайка остаются неучтенными. Поэтому такая схема тоже малоэффективна.

ВТ можно подключить (рис. 4.10,в) через измерительный мультипликатор 1 (повышающий редуктор) к измерительному колесу 2, сцепленному с измерительной рейкой 3, которая укреплена на столе 4. Все эти элементы могут быть изготовлены с достаточно высокой точностью. При этом для снижения зазоров можно применять специальный высокомоментный двигатель, работающий в тормозном режиме при пониженном напряжении питания. Такая схема учитывает пару винт—гайка и обеспечивает высокую точность.

С точки зрения стабильности все три варианта практически равнозначны. А именно стабильность является главным условием обработки деталей высокой точности.

Структура, показанная на рис а, в последнее время получает все большее распространение, так как использование широкодиапазонных быстродействующих двигателей позволило существенно сократить механическую часть, повысить ее жесткость. Это существенно облегчает наладку привода. Предварительный учет погрешностей ходового винта, люфтов и т.д. и введение коррекции в систему ЧПУ позволяет обеспечить точность позиционирования ±10 мкм и стабильность позиционирования ±2 мкм. Большая часть станков с ЧПУ имеет полузамкнутую систему.

Следует иметь в виду, что, чем большее количество звеньев охвачено обратной связью, тем в большей степени снижается статическая и динамическая точность следящего привода, его быстродействие, усложняется схема управления. В результате эффект повышения точности при переносе измерительного датчика от привода к рабочему органу снижается и для его реализации должна быть обеспечена высокая жесткость кинематических цепей, должны отсутствовать зазоры.

Как правило в станках с ЧПУ для определения положения и состояния рабочего органа используют два типа датчиков обратной связи:

- линейные;

- круговые.

По принципу работы датчики бывают

- индукционные(резольвер, редусин, индуктосин);

- фотоэлектрические (оптические).

Для станков классов точности Н и П применяют круговые оптические датчики и резольверы, доя станков класса В – линейные оптические и индуктосины.

Вращающийся датчик положения крепится на валу двигателя или на ходовом винте и позволяет определять их угловое положение.

Все вращающиеся датчики имеют один существенный недостаток. Так как они устанавливаются непосредственно на валу двигателя, то не могут напрямую измерить линейное положение исполнительного органа станка. Они дают рассчитанное положение, основанное на данных о шаге ходового винта, и в высокоточных станках для определения линейного положения не применяются.

Их можно использовать в конструкции шпинделя для определения числа оборотов при вращении и для нахождения его углового положения.

Линейные датчики положения используются практически во всех современных станках с ЧПУ для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов.

Этот датчик состоит из источника света, оптического датчика (приемника) и диска с маленькими радиальными прорезями (растрами). Растровый диск укреплен на валу, источник света и оптический датчик находятся с разных сторон от диска.

Когда диск вращается, то лучи проходят сквозь его прорези и падают на оптический датчик. Оптический датчик работает как переключатель, который включается или выключается при попадании на него лучей света. Это дает возможность определить относительное или абсолютное положение и направление вращения двигателя. Полученная информация отправляется в подсистему управления.

Индукционные датчики