|
Применяемые в электроприводах малоинерционные высо-
комоментные двигатели 1ПИ, ДК-1, ДПУ-75, ЗДПМ, ДПУ-240.
ДПУ-200 имеют цилиндрический, а ПЯ-250 и ДДЕ - дисковый
роторы. В приводе ЭПБ-2 используется вентильный электро
двигатель 2ДВУ. 97
Таблица 8. Приводы для роботов
Тип робота |
| Тип | эле ктоопривсдэ | Тип двигателя | |
| тиристорный | транзисторный |
| ||
М10П | "Кемто | к" |
|
| 1ПИ |
М20-Ц | ЭТЗИ | ' |
|
| ДК-1 |
М20П |
|
|
| ЭШИМ | ЧДПУ-75 |
М20К8501 |
|
|
| этим | ЗДПМ; ДПУ-240 |
М20К8505 |
|
|
| ЭПБ-2 | 2Д8У |
М40П |
|
|
| ЭШИМ | ЗДПМ |
ТУР-10 |
|
|
| ЭШИР | ПЯ250; ДПУ-200 |
ТУР-2,5 |
|
|
| ЭШИР | ДДЕ |
Многокоординатный электропривод ЭШИМ выпускается в блочном исполнении на токи 16, 25 и 40 А и в кассетном исполнении на токи 4 и 8А. Он обеспечивает независимое управление по каждой оси в диапазоне регулирования скорости 1: 10 000. Полоса пропускания привода — не менее 100 Гц. Привод имеет следующие виды защит: максимально-токовую, время-токовую, от перегрева блока регулирования при перегрузках, от перегрева двигателя при перегрузках, от перенапряжения, от понижения и повышения стабилизированного напряжения литания, от несоответствия скорости привода заданной, от обрыва фазы.
Комплектный электропривод ЭПБ-2 с вентильным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов, со встроенным или пристроенным бесконтактным датчиком скорости, датчиком положения ротора, датчиком температурной защиты, электрическим тормозом и датчиком пути рассчитан на применение двигателей в диапазоне моментов от 0.05 Нм до 70 Н-м, выпускается как в блочном, так и в кассетном исполнении до пяти координат. Диапазон регулирования скорости 1:10 000, полоса пропускания — не ниже 100 Гц. Привод имеет все необходимые защитные устройства, аналогичные приводу ЭШИМ, а также устройства индикации, значительно уменьшающие время отыскания неисправностей.
Одной иэ важнейших тенденций развития электроприводов промышленных роботов следует считать переход от аналоговых электроприводов, рассмотренных выше, к цифровым. Это связано с необходимостью осуществления весьма сложных законов управления, которые требуется изменять в процессе работы робота. Наиболее гибко эти задачи могут быть решены в цифровых электроприводах с применением микропроцессорной техники, В8
VI. ПРЯМОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТИРИСТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Рассматриваемые ранее электроприводы управлялись с помощью различных регуляторов, построенных на аналоговых операционных усилителях. Однако аналоговый метод обработки информации, применяемый в системе управления электропривода, не позволяет точно воспроизвести программу, поступающую отЧПУ.
Для снижения погрешностей воспроизведения информации, передаваемой УЧПУ, были разработы цифровые системы управления в электроприводе, в которых аналоговые сигналы заменяются дискретными. Это резко повышает помехоустойчивость, чувствительность, точность и стабильность электропривода.
Одни и те же алгоритмы управления в цифровых системах могут решаться аппаратным или программным путем. Аппаратные системы имеют более простую структуру, меньшее количество элементов, но работают по жесткому алгоритму. Средства реализации управления программным путем обычно сложнее, но имеют целый ряд достоинств, важнейшее из которых -переменный алгоритм управления. Средствами реализации цифрового управления программным способом явились микропроцессоры. Замена аппаратной реализации программной повышает надежность электропривода, так как уменьшается количество соединений.
Высокая надежность позволяет использовать микропроцессоры продолжительное время. Если электромеханическая система привода подвергается ремонту, морально устаревает и заменяется, микропроцессор управления приводом может быть перепрограммирован и использован в других целях. Микропроцессоры позволяют создать адаптивные, самонастраивающиеся и оптимальные системы управления электроприводом, которые самостоятельно находят наилучший (в определенном смысле) алгоритм. Конечно, микропроцессорные системы имеют и недостатки. Быстродействие микропроцессора иногда оказывается недостаточным и приходится принимать специальные меры для его увеличения.
Развитие цифровых электроприводов с использованием микропроцессоров объясняется еще и тем, что они согласуются с системой программного управления станками с ЧПУ и позволяют создать общее многоуровневое управление станком или станочным комплексом.
Микропроцессорное управление может применяться в различных видах приводов: тиристорном или транзисторном,
постоянного или переменного тока. Наиболее просто управление тиристорным электроприводом постоянного тока. Структура такого привода может быть различной в зависимости от функций, выполняемых микропроцессором (рис. 44).
МП — П/а РТ - СИФУ "^Q-
А/в
S)
Микропроцессор, используемый в качестве задающего устройства, формирует закон изменения скорости (рис. 44, а). Цифровой сигнал, вырабатываемый микропроцессором МП через цифроаналоговыи преобразователь D/A, подается на электропривод, который выполнен по традиционной схеме. Датчики обратной связи в такой структуре аналоговые. В данном случае микропроцессор является внешним устройством и не оказывает существенного влияния на характеристики электропривода.
МП
4а-
%
L-A
Ул
Рис. 44. Структура тиристорного электропривода с применением ми кропроцессора: а — использование микропроцессора для формирования задающего сигнала, б — цифровая обратная связь по скорости с применением тахогенератора, в — цифровая обратная связь по скорости и току, г — цифровое управление тиристорным преобразователем
На рис. 44, б представлена структура электропривода, в которой микропроцессор не только вырабатывает задающий сигнал, но и обрабатывает сигнал главной обратной связи по скорости, т. е. выполняет функции регулятора скорости. Для согласования микропроцессора с аналоговой системой привода встроены цифроаналоговыи D/A и аналого-цифровой A/D преобразователи. В этой схеме применен аналоговый датчик скорости — тахогенератор. Если вместо тахогенератора установлен импульсный фотоэлектрический датчик, то структура привода упрощается, так как надобность в аналого-цифровом преобразователе отпадает. Это относится и к другим схемам, рассматриваемым на рис. 44, е, г.
В схеме электропривода представленного на рис. 44, е, микропроцессор выполняет функции регулятора скорости и регулятора тока. По сравнению со схемой, показанной на рис. 45, б, здесь добавляется еще один аналого-цифровой преобразователь, преобразующий сигнал обратной связи по току в цифровую форму. Недостатком этой схемы является многократное преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и обратно.
В трех предыдущих схемах (рис, 44, а, б, е) система им-пульсно-фазового управления СИФУ была реализована аппаратным путем с помощью аналоговых элементов. В схеме рис. 44, г функции СИФУ выполняются микропроцессором.
В электроприводах с прямым цифровым управлением мик-процессоры могут выполнять различные функции регуляторов, в том числе и наиболее распространенную пропорционально-интегрально-дифференциальную (ПИД). Рассмотрим, как эта функция выполняется микропроцессором.
те*)
*2 X*
х,^Т
РГ
0 12 5 (к-1) к(к*1) К
Рис. 45. Решетчатая функция
Поступающая на вход микропроцессора информация обрабатывается в дискретные моменты времени через равные интервалы (рис. 45). В результате вместо непрерывной функции x(t) получают последовательность чисел я,, х2,.. ■, xk,xk + i, которую называют дискретной, или "решетчатой", функцией. Поскольку рассматриваются только фиксированные моменты времени, взятые через равные интервалы, аргументом такой функции считают не время, а номер интервала — к. Зная величину интервала и его номер, всегда можно определить, к какому моменту времени относится значение рассматривае-
мой функции. Так, если решетчатая функция вычисляется через 0,5 с, то пятый интервал соответствует времени t = 2,5 с и т.д.
Так и в аналоговом регуляторе пропорциональная составляющая выходного сигнала соответствует изменению величины входного сигнала в те же моменты времени: к.хк.
Для получения интегральной составляющей необходимо проинтегрировать входной сигнал.
В цифровых регуляторах интеграл от непрерывной функции x(t) заменяется суммой прямоугольников площадью xkAt. В результате получаем интегральную составляющую выходного сигнала для А:-го интервала:
A t у ' и /=1 ' где Ги — постоянная времени интегрирования.
В такой же дискретной форме вычисляется и дифференциальная составляющая. При этом производная приближенно заменяется отношением конечных приращений:
dx ^ Ах dt ~ дг ■
Приращение функции Ах представляет собой разность двух соседних значений решетчатой функции:
*-1
*** = **
Величину Ахк часто называют конечной разностью. Таким образом, мы получаем дифференциальную составляющую выходного сигнала:
~дТ '** ~хк-^ •
Величина Гд представляет собой постоянную времени дифференцирования. Шумы и помехи не оказывают на цифровое дифференцирование такого сильного влияния, как на аналоговое, поэтому его широко применяют на практике.
Однако для получения точного значения производной необходимо делать промежуток At достаточно малым.
Суммируя все три составляющие, получим выходной сигнал П И Д-регулятора:
At
и /=о
У к = кхк +
Эта формула представляет собой алгоритм работы ПИД-регулятора. Его недостатком является то, что в памяти микропроцессора необходимо хранить все значения входного сигнала хк и, каждый раз вычисляя выходное воздействие, все их суммировать. Такой алгоритм называют позиционным, на его реализацию тратится много машинного времени. 102
Существует ряд алгоритмов, отличающихся от приведенного: с их помощью находят ту же самую передаточную функцию, но существенно меньшее машинное время, что увеличивает быстродействие цифровой системы.
Рассмотрим формирование сигнала обратной связи по скорости в электроприводе с цифровым управлением и с применением импульсного фотоэлектрического датчика (рис. 46). Чаще всего в цифровом приводе изменяют среднюю частоту вращения за определенное время — интервал квантования Т. Для этого подсчитывают количество импульсов /\/и, поступающее от фотоэлектрического датчика. Среднюю частоту вращения лср за время Г определяют по формуле
ср
ZT
где Z — общее количество импульсов, поступающих от фотоэлектрического датчика за один оборот вала. Время выражается в секундах.
Импульсы фотоэлектрического датчика поступают в счетчик и преобразуются в код. Код скорости переносится в оперативную память и используется для управления приводом в следующий интервал квантования. Такой датчик скорости работает циклически и выдает информацию с запаздыванием на один такт.
Фотоэлектрические датчики скорости хорошо работают при высокой частоте вращения двигателя, когда за один интервал квантования на счетчик поступает большое количество импульсов.
Абсолютная ошибка Д измерения связана с пропуском одного импульса, а относительная ошибка обратно пропорциональна их общему числу.
Рассмотрим пример. Пусть в приводе используется фотоэлектри-
Г
■>. д
■ "j" и I 111 11 1111111111|111
J L
°)
*)
Рис. 46. Обратная связь по скорости в приводе с цифровым управлением с применением импульсного датчика: а — схема, б — временная диаграмма
ческий датчик, который выдает Z = 1000 импульсов за один оборот. Период квантования Т = 0,01 с. При частоте вращения л_„ = 1000 об/мин за время Г=0,01 с на счетчик поступает
псс?т /V =— £к — *** 167 импульсов.
Ошибка в измерении на 1 импульс дает относительную ошибку измерения скорости:
б =-^~ 100 = 0,6%. '"и
Точность измерения скорости будет очень высокой. Однако уже при частоте вращения п = 10 об/мин на счетчик поступит только один импульс, измерение станет неточным, так как погрешность составит 50-60 %.
Для повышения точности отсчета создаются измерительные системы, существенно повышающие количество импульсов, поступающих от датчика в пределах одного оборота, однако это неизбежно связано с усложнением конструкции и повышением стоимости датчика.
VII. ЭЛЕКТРОПРИВОД С АДАПТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Одним из требований при создании станков-модулей для ГПС является обеспечение коррекции режимов для повышения эффективности обработки и защиты станка от перегрузок и аварийных ситуаций. Эта задача решается путем применения адаптивных систем управления станками, в которых в процессе обработки ведется активный контроль параметров, прямо или косвенно характеризующих процесс, сравнение их с заданными значениями и изменение режимов в соответствии с выбранной стратегией. Различают адаптивные системы граничного (предельного) и оптимального управления. Адаптивные системы граничного управления поддерживают значение какого-либо параметра технологического процесса на предельно возможном уровне.
К предельным системам можно условно отнести системы стабилизации скорости резания, мощности резания, крутящего момента, упругих деформаций при резании, температуры резания.
Система стабилизации скорости резания применяется главным образом на токарных, карусельных, шлифовальных станках при обработке деталей, имеющих переменную кривизну, торцевой обработке и при износе инструмента (шлифовального круга). Поддержание постоянства скорости резания повышает
производительность за счет сокращения машинного времени, увеличивает стойкость инструмент"3 и улучшает качество обработки поверхности. Ощутимый рост производительности может быть достигнут при сравнительно небольших диапазонах изменения угловой скорости, в то время как для получения высококачественной поверхности требуется существенно более широкий диапазон. Так как непосредственное измерение скорости резания зачастую невозможно, то прибегают к косвенным методам измерения, определяя либо диаметр обрабатываемой заготовки (в токарных станках), либо диаметр шлифовального круга для компенсации его износа. Далее задача сводится к схемной реализации гиперболической зависимости между скоростью шпинделя и диаметром обработки, что обычно не вызывает затруднений. Полученный сигнал управления поступает на привод и изменяет частоту вращения либо асинхронного двигателя (электрошпиндели шлифовальных станков), либо постоянного тока (главный привод токарных и карусельных станков) в соответствии с выбранным законом.
Система стабилизации мощности резания, применяемая на токарных, фрезерных и шлифовальных сганках, осуществляется путем регулирования скорости главного привода или привода подачи, а иногда и обоих приводов. Более полное использование возможностей главного привода и режущего инструмента дает существенный рост производительности, особенно при обработке на черновых режимах. Оценка мощности резания ведется по активной мощности, потребляемой двигателем. Для двигателей постоянного тока замер этой величины не представляет особых трудностей, для асинхронных двигателей приходится усложнять схему измерения, так как в зависимости от нагрузки изменяется cos <p. Следует отметить, что сложность поддержания постоянства мощности резания сводится отнюдь не только к задачам измерения, но и управления, так как регулирование параметров приводов подачи или главного движения подчас приводит к колебательным процессам в каждом из приводов. Последнее объясняется наличием внутренних связей между процессом резания (и следовательно, мощностью резания) и названными приводами в виде возмущений по нагрузке.
Система стабилизации усилий резания применяется в различных типах станков и предназначена для уменьшения машинного времени, обеспечения заданной геометрической точности и улучшения качества обрабатываемой поверхности. В качестве датчиков усилия применяют специальные динамометрические устройства, встраиваемые в различные узлы станка.
Система стабилизации крутящего момента находит применение в токарных, фрезерных, сверлильных и расточных станках. Момент можно измерять как непосредственным методом, так и косвенным — путем вычисления его по параметрам приводного двигателя (с учетом кпд передачи). Стабилизация крутящего момента повышает точность обработки.
Система стабилизации температуры резания применяется главным образом в токарных станках, реже во фрезерных и шлифовальных. В качестве исходных данных при построении подобной системы используется априорная информация, связывающая температуру в зоне резания со стойкостью инструмента, хотя, вообще говоря, температура зависит еще от целого ряда причин: эффективности системы охлаждения, изменения твердости заготовки и т. д.. Наиболее эффективно работает система при использовании естественной термопары "заготовка—инструмент", обеспечивая рост стойкости инструмента в 1,5-2 раза.
Система стабилизации упругих деформаций при резании основана на измерении упругой деформации звена с наименьшей жесткостью в системе станок—приспособление—инструмент—деталь. Изменяя усилие резания либо воздействуя на устройства, меняющие жесткость конструкции узлов станка, система стабилизации обеспечивает повышение точности, рост производительности и улучшения качества обработанной поверхности. Система стабилизации подобного типа может применяться в токарных, сверлильных, фрезерных и шлифовальных станках. Адаптивная система оптимального управления решает задачу поиска сочетания элементов режима обработки, при которой достигается экстремальное значение одного из показателей (например, производительности) при одновременном обеспечении заданных значений других показателей (точности стойкости инструмента и т.д.)
Адаптивные системы оптимального управления могут строиться по поисковому или беспоисковому принципу Для поисковых систем требуется малый объем предварительной информации, но приходится измерять много параметров; последнее является существенным недостатком; др'угой недостаток - значительное время для осуществления алгоритма поиска.
Достоинство такой системы - точное поддержание экстремума. Беспоисковые системы основаны на использовании предварительно разработанной модели процесса обработки, на основании которых по информации о внешних возмущениях формируется управляющее воздействие. Беспоисковые
системы нашли более широкое применение, хотя эффективность их значительно ниже, чем поисковых.
По своему назначению адаптивные системы металлорежущих станков подразделяются на технологические, точностные и комплексные.
Задача технологических адаптивных систем - оптимальное регулирование параметров процесса обработки (подачи, скорости резания и т.д.) по выбранному критерию. Задача точностных адаптивных систем — автоматическая коррекция управляющей программы перемещения узлов станка с учетом статических и динамических погрешностей системы "станок— приспособление-инструмент-деталь" (СПИД) для достижения требуемой точности обработки деталей. Комплексные адаптивные системы должны достигать экстремального значения одного из показателей при заданных значениях других параметров. Широкое распространение получили технологические адаптивные системы предельного управления. На рис. 47 представлена структурная схема адаптивной системы управления приводом поперечной подачи внутришлифовального станка. Система поддерживает предельно допустимое усилие подачи F при переменном припуске детали S и уменьшающемся диаметре шлифовального круга. Программное устройство ПУ формирует сигнал управления в зависимости от величины сигналов, поступающих от датчика диаметра шлифовального круга ДДШК, датчика припуска ДП и датчика усилия подачи ДРУ. После сравнения с истинной величиной усилия сигнал через усилитель УО поступает на вход тиристорного преобразователя 777, питающего двигатель механизма подачи МП, который через механизм подачи МПП и систему "станок—приспособление — инструмент—деталь" (СПИД) передает усилие на деталь.
Рис. 47. Адаптивная система управления приводом подачи внутришлифовального станка
В настоящее время серийно выпускаются адаптивные системы предельного управления, которые предназначены для
поддержания силового параметра резания путем регулирования подачи, автоматической компенсации мощности холостого хода в начале цикла; индикации текущего значения силового параметра процесса резания на стрелочном приборе; световой индикации о двух технологических параметрах и аварийных режимах, блокировки электропривода подачи в аварийных ситуациях.
Основным путем оптимизации при черновой и получистовой обработке является обеспечение предельных режимов резания.
Существуют адаптивные системы предельного управления, которые кроме устройств для поддержания предельного значения параметров резания имеют блоки подавления вибрации в механической части станка, способные функционировать при большом уровне помех на входе адаптивной системы (рис. 48).
В качестве регулируемого силового параметра выбран момент силы резания, возникающий на валу шпиндельного устройства тяжелого станка с ЧПУ. Пунктиром обведена замкнутая система стабилизации силового параметра. Входная заданная величина силового параметра UM3 сравнивается с истин-
на суммирующий элемент и на преобразователь случайных помех Wncn(p). На входы блока адаптации с передаточной функцией Й/Бд(р) поступают: сигнал производной от заданного значения силового параметра UM3, сигнал уровня помех Un, сигнал уровня вибраций £/двб. В зависимости от сочетаний этих трех параметров формируются воздействия на адаптируемые параметры в основном контуре К и в цепи привода главного движения Кгп. Входными сигналами оператора Wnp(p), интерпретирующего процесс резания, являются частота вращения главного привода л и величина подачи Snfl, выходными—вибрация V и момент М. Первый параметр влияет на изменение заданной от ЧПУ подачи US3, а второй (М) - на частоту вращения п главного привода, заданную также от ЧПУ. Скорость привода главного движения определяется его передаточной функцией Wrn(p) и величиной сигнала на выходе звена с передаточной функцией Кгп. Предложенный алгоритм работы позволяет оптимизировать процесс обработки при выбранных ограничениях по величине момента резания и уровню вибраций.
имеющего передаточную функцию WRM/p. Разность UM3 — — U через адаптируемый параметр К и регулятор с передаточной функцией 1Л ' (р) поступает на вход блока умножения X. В нем выходное напряжение регулятора умножается на заданное от ЧПУ значение скорости привода подачи US3 и в виде сигнала Us поступает на вход следящего привода подачи с передаточной функцией Wcn(p). Его выходной сигнал поступает на оператор Wn (p), интерпретирующий процесс резания. На его выходе формируются два сигнала: первый поступает на датчик вибраций с передаточной функцией W б(р), а второй — на датчик момента, откуда передается
ип
Ч,г(Р")
рГ*~Р Ч"м(*) Ь
Н2>—► f -*
ит I i
tt
HwW
"*И I,,' ш\ V
3
4»
4»W
"to
Wft»
«k,
G
-H к,
4»(£
Рис. 48. Структурная схема адаптивной системы 108
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
СОДЕРЖАНИЕ
Андреев Г.И., Босинзон М.А., Кондриков А.И. Электроприводы главного движения металлообрабатывающих станков с ЧПУ. — М.: Машиностроение, 1979.
Михайлов О.П. Высокомоментные двигатели для приводов подач металлорежущих станков. — М.: НИИмаш, 1979.
Михайлов О.П., В е с е л о в О.В. Микропроцессорное управление приводами металлорежущих станков. — М.: НИИмаш, 1982.
Кондриков А.И., Босинзон М.А. Комплектное оборудование металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов. — М.: НИИмаш, 1984.
Ку знецов В.Г. Приводы станков с программным управлением. — М.: Машиностроение, 1983.
Чернов Е.А., Кузьмин В.П., Синичкин С.Г. Электроприводы подач станков с ЧПУ. - Горький: Волго-Вятское изд-во, 1986.
Эффективность применения высокомоментных двигателей в станкостроении /Королев Э.Г., Волкомирский И.А., Лебедев A.M. и др. — М.: Машиностроение, 1981.
Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. —П.: Наука, 1979.
Предисловие ^
Введение.,,,., 4
I. Классификация и технические характеристики регулируемых
электроприводов 8
Классификация регулируемых электроприводов станков и промышленных роботов по их технологическому назначению _ ^
Основные характеристики регулируемых эпектро-приводов 'О
II. Тиристорный электропривод и электродвигатели постоянного
тока 14
Тиристорные электроприводы постоянного тока 14
Основные виды двигателей постоянного тока 27
Основные расчетные характеристики двигателей постоянного тока 34
Математическое описание двигателя постоянного тока 38
III. Следящий электропривод подачи для станков с ЧПУ 42
Принцип действия и основные характеристики следящих электроприводов
Датчики обратной связи по перемещению (преобразователи) 52
IV. Электропривод переменного тока и шаговый электропривод
для станков с ЧПУ 66
Электропривод переменного тока с асинхронными двигателями °°
Электропривод с вентильным двигатепем 72
Электропривод подачи с шаговыми двигателями 87
Электропривод промышленных роботов95
Прямое цифровое управление тиристорным электроприводом 99
VII. Электропривод с адаптивным управлением Ю4
Рекомендуемая литература 110
Учебное издание
ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
Олег Павлович Михайлов Раиса Терентьевна Орлова Александр Владимирович Пальцев
Книга 14
Современный электропривод станков с ЧПУ и промышленных роботов
Зав. редакцией СВ. Никитина. Редактор Г.А. Сильвестрович. Мл. редакторы Л.А. Васипьева, Т.В. Шеганова. Художник Д.В. Блын-ский. Художественный редактор В.Г. Пасичник. Технический редактор Л.М. Матюшина. Корректор Р.К. Косинова. Оператор Н.В. Хазраткулова.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 22 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |