Индуктосины

Линейный индуктосин (рис. 4.14) состоит из набора измерительных шкал 2 и ползуна 1, монтируемых на станке. Измерительная шкала 2, укрепленная на неподвижной части 3 станка, представляет собой стальную линейку длиной 250 мм и толщиной порядка 10 мм, на которую на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка в виде полоски меди шириной около 1 мм с шагом 2 мм. Число таких линеек выбирают в зависимости от хода управляемого элемента станка, и их стыкуют так, чтобы они образовали одну измерительную шкалу необходимой длины. Ползун 1, укрепленный на подвижной части станка, является, собственно, датчиком и содержит две такие же, но значительно более короткие обмотки, сдвинутые на 1/4 шага относительно друг друга, поэтому напряжение в них смещено на 90⁰ (рис. 4.14,б). Зазор между ползуном и линейкой равен 0,2-0,3 мм.

Обмотки на ползуне являются статорными. Они питается переменным напряжением с частотой 4000 Гц. Обмотка на неподвижной линейке является роторной, с неё снимается сигнал синусоидального напряжения.

На обмотки ползуна подаются входные сигналы из устройства ЧПУ в виде синусоидальных напряжений. Выходной сигнал снимается с последовательно включенных обмоток линеек. Величина индукции в этих обмотках зависит от взаимного положения обмоток на ползуне и линейке. Таким образом, электрическая схема индуктосина совпадает со схемой вращающегося трансформатора.

При перемещении подвижного элемента в обмотке ротора происходит изменение сдвига фаз от максимума до минимума, которое преобразовывается в соответствующие импульсы управления и поступают на счётчик системы управления.

Индуктосин является циклическим измерительным устройством, так как он измеряет положение только в пределах своего шага (2 мм).

Индуктосин позволяет измерять линейные перемещения рабочего органа станка с большой точностью, примерно 0,4 мкм на длине 250 мм. Для измерения больших перемещений линейки стыкуют, что представляет определенную сложность. Для крупных станков используют гибкие ленточные индуктосины, у которых измерительная шкала выполняется в виде гибкой стальной ленты. Но они имеют меньшую точность.

К недостаткам линейных индуктосинов относится необходимость очень точной настройки взаимного расположения элементов датчика, особенно зазора между линейками, и чувствительность к загрязнению.

Поворотный индуктосин представляет собой многополюсный поворотный трансформатор с плоским, а не цилиндрическим воздушным зазором и печатными обмотками на статоре и роторе (рис. 4.15).

В корпусе 1 расположены два диска – статор 2 и ротор 3, выполненные из изоляционного материала: керамики, стекла или пластмассы. Диски расположены соосно, параллельно и удалены друг от друга на 0,1 мм. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, расположены печатные обмотки, выполненные методом фотолитографии. Точность их нанесения - ±10^``.

Проводящие линии обмоток статора смещены на ½ полюсного деления ротора и образуют две цени, питаемые напряжением, сдвинутым по фазе на 90⁰.

На роторе рис. 4.15,б) обычно расположена однофазная обмотка возбуждения, у которой число проводников равно требуемому числу полюсов. Число пар полюсов в зависимости от области применения либо делают равным 2ⁿ (32-256), либо 180, 360.

Напряжение переменного тока подается на обмотку ротора через контактные кольца 5, укрепленные на валу 4, и щетки 6. На статоре расположены две многополюсные обмотки, сдвинутые на электрический угол 90°, – синусная и косинусная.

При подаче переменного напряжения на обмотку возбуждения по ней течет ток и создается магнитный поток Ф, который наводит ЭДС взаимоиндукции в выходных обмотках статора. При повороте ротора изменяется взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора и соответственно наводимые в обмотках статора ЭДС. При соответствующем выборе ширины проводников, их скоса и шага катушек взаимоиндуктивность будет изменяться по гармоническому закону.

Достоинствами индуктосинов являются простота конструкции, высокая технологичность и точность изготовления обмоток методами фотолитографии, отсутствие влияния нестабильности характеристик ферромагнитных материалов. У современных индуктосинов асимметрия нулевых положений не превышает 1–3 угловых секунд.

Недостатком индуктосинов является низкий уровень выходного сигнала- порядка 10–20 мВ. Уровень выходного сигнала может быть повышен за счет частоты f, поэтому современные индуктосины работают на частотах до 10–100 кГц.

Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрический линейный преобразователь лишён недостатков, присущих индуктосину. Он предназначен для преобразования измеряемого перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений для последующей обработки в СЧПУ.

Одной из первых систем измерения перемещений была система английской фирмы «Ферранти», основой которой являются две дифракционных решетки с штрихами, толщина которых равняется расстояния между ними (рис. 3.16). Частота - 200 штрихов/мм. Решетка 4 - недвижимая, а решетка 3 крепится на подвижной части станка, например, на суппорте. Световые импульсы от источника 5, попадая на фотоэлемент 1 или 2, превращаются в пульсирующий электрический ток, причем частота импульсов будет зависеть от скорости рабочего органа. Для этого, чтобы фиксировать направление перемещения ставят не один, а два фотоэлемента. При следовании решетки 3 по стрелке (влево) сначала затемнится фотоэлемент 2, а потом 1. Импульсы, которые возникают в фотоэлементах, будут смещены по фазе. При обратном направлении движение будет обратный сдвиг фаз.

Фотоэлектрический преобразователь

Принцип работы фотоэлектрических преобразователей основан на фотоэлектрическом считывании растровых кодовых сопряжений (рис. 4.18). В состав преобразователя входит растровое измерительное звено, состоящее из подвижного измерительного растра 1 в виде линейки для линейных ДОС или диска для круговых, и неподвижного индикаторного растрового анализатора в виде пластины или диска 2. Шаг растров 20 или 40 мкм. Датчик постоянно освещен источником инфракрасного излучения 3. С другой стороны растровага звена расположены определённым образом светоприёмники – фотодиоды 4 (5,6), которые преобразовывают импульсы от источника света в электрические импульсы отсчёта.

Рисунок 4.18 Схема фотоэлектрического датчика обратной связи:

а – кругового; б - линейного

При относительном перемещении растровой шкалы и индикаторной пластины ее поля считывания реализуют два идентичных канала приема излучения А и В. В состав каждого канала входят два поля считывания А, , В, соответственно, растры которых имеют пространственный сдвиг относительно друг друга на ½ шага растра, и по два осветителя и фотоприемника. Поля считывания канала А имеют пространственный сдвиг растров относительно растров полей считывания В, равный 1/4 шага растра.

Параллельный световой поток, сформированный осветителем, проходя через растровое сопряжение, анализируется четырехквадрантным фотоприемником 5. Соединенные определенным образом токоприемники, позволяют получать два ортогональных токовых сигнала Ia и Iб, постоянная составляющая которых не зависит от уровня освещенности.

Наличие двух сигналов позволяет определить направление перемещения. Сигнал Ia опережает сигнал Iб при вращении по часовой стрелке измерительного лимба, жестко связанного с валом преобразователя

Кроме измерительных сигналов перемещения преобразователь имеет сигнал референтной метки (Р и М). Этот сигнал вырабатывается один раз за один оборот вала и позволяет использовать преобразователь как датчик положения. При полном совпадении кодовых растров Е и Д световой поток, принимаемый одной из секций фотоприемника 6 в 3-4 раза больше, чем при любом другом взаимном положении растров.

Фотоэлектрические преобразователи типа ВЕ-164, устанавливаемые на станки, выпускаются с линейными размерами 500х1000х1500мм.

Эти датчики обладают высокой точностью. Цена импульса может достигать 0,5 мкм. Фотоэлектрические ИП позволяют обеспечить высокую стабильность отсчета и лучше согласуются с системами ЧПУ, поэтому получили преимущественное применение в новых системах.

Кроме вышеперечисленных датчиков, конечно же, используются и другие. Температурные датчики (термопары) применяют для определения температуры исполнительных органов, расчета температурного линейного расширения компонентов станка и для контроля над температурой масла и воздуха. Инфракрасные датчики используются в станочных системах авто­матического измерения.

2.5. Программируемые контроллеры

Контроллер – это специализированный аппарат, дооснащенный терминалом в виде персонального компьютера. Возрастание мощности и уровня сервиса персонального компьютера позволяет объединить терминал, программатор и собственно контроллер в рамках единой компьютерной системы с дополнительным модулем ввода-вывода сигналов электроавтоматики.

Существует прообраз, который называют системой РСС (Personal Computer Controller – персональный программируемый контроллер). Развитие РСС идет в следующих направлениях:

использование однокомпьютерного варианта с системой Windows;

увеличение числа функций интерфейса оператора за счет многорежимного управлении и применения встроенных инструментальных систем программирования;

поддержание в реальном времени динамических графических моделей управляемого объекта;

применение визуального программирования электроавтоматики (например по типу графического языка HighGraph фирмы Siemens).

Основная задача контроллера состоит в одновременном выполнении нескольких команд и параллельной обработке внешних сигналов. Каждый процесс контроллера, который нуждается в выделении отдельного потока, выполняется в рамках основного процесса. Процессорное время, выделяемое операционной системой основному процессору, должно быть разделено между потоками. Процессорное время выделяется потокам отдельными квантами. В каждом кванте может реализовываться только один поток. Все потоки разделены на группы по приоритетам – чем меньше время реакции на внешнее воздействие, тем выше приоритет потока, обслуживающего задачу. Более высокий приоритет потока означает более высокую частоту выделения квантов времени.

Контроллер состоит из отдельных модулей. Взаимодействие модулей осуществляется следующим образом. В результате интерпретации УП формируется промежуточный IPD -код, который содержит траекторную информацию об относительных перемещениях инструмента и детали, а также информацию о вспомогательных М -командах. Модуль интерполятора читает IPD -код, отделяя те данные, которые относятся к командам контроллера. Выделенная команда направляется соответствующему модулю, внутри которого есть все необходимое для выполнения команды. Допускается параллельное выполнение нескольких команд. В каждом кванте времени идет анализ на наличие признаков сбоев или особо важных сигналов, которые поступают при воздействии оператора на внешние органы управления. После отработки внутреннего алгоритма контроллер передает интерполятору информацию о своем состоянии с помощью специального модуля, предназначенного для обмена информации между системой ЧПУ и контроллером.

Сегодня появляется реальная возможность программной реализации управления электроавтоматикой станков в рамках общего программного обеспечения систем ЧПУ без привлечения дополнительной аппаратуры и системного программного обеспечения программируемых контроллеров, которые являются неотъемлемой частью любой современной системы ЧПУ.

Подобные программные системы получили название виртуальных контроллеров. Этот подход позволяет:

- снизить стоимость системы управления;

- упростить программное обеспечение;

- уменьшить вероятность ошибок системного программирования;

- улучшить возможности отладки УП;

- повысить гибкость электроавтоматики;

- использовать коммерческие библиотеки данных.

 

 

 

Рисунок 23 -
Модульная архитектура системы ЧПУ типа PCNC