7. Следящие электроприводы

7.1. Примеры электроприводов с регулированием положения выходного вала рабочего механизма

Прежде чем непосредственно заняться изучением особенностей проектирования и настройки промышленных следящих электроприводов, полезно рассмотреть несколько примеров рабочих механизмов, чтобы нагляднее представить характер технологических требований к электроприводу. Эти механизмы упрощенно изображены на рис 7.1.

На реверсивном стане горячей прокатки (рис. 7.1 а) слиток 1, поступающий из сталеплавильного цеха, прокатывается валками клети 3 до заготовки нужного размера квадратного или прямоугольного сечения за несколько проходов. Подача заготовки в клеть и прием ее производятся рабочими рольгангами 2. Перед каждым проходом зазор между рабочими валками прокатной клети изменяется по заданной программе с помощью нажимного устройства, содержащего электродвигатель 4 и механическую передачу 5. По условиям технологии требуется обеспечить точное положение верхнего валка в начальной и конечной точках движения, хотя сама траектория перевода рабочего органа из одного положения в другое на качество технологического процесса не влияет, так как производится, когда в валках металла нет.

Исходные требования к электроприводу нажимного устройства обычно характеризуются гистограммой перемещений, пример которой приведен там же. На основании этой гистограммы выбирают силовое оборудование (электродвигатель, механическую передачу) и структуру системы управления.

На нажимных винтах станов холодной прокатки полосы (рис. 7.1 б) электропривод используют не только для начальной установки зазора между валками, но и для регулирования толщины полосы. Поэтому режим работы здесь принципиально иной: во-первых, требуется непрерывное поддержание заданной толщины прокатываемой полосы 1 на выходе клети 2, а во-вторых, электродвигателю 3 нажимных винтов 4 приходится при перемещении валков преодолевать момент статической нагрузки, вызванный давлением прокатываемого металла на валки.

Исходные требования к электроприводу и системе управления формулируют обычно, задавая график спектральной плотности разнотолщинности полосы S = f(), поступающей в клеть. С учетом высоких (до 20... 25 м/с) скоростей прокатки при больших величинах упругостей механической системы нажимного устройства (так, для изменения толщины полосы на станах холодной прокатки на 0,1 мм необходимо повернуть вал электродвигателя нажимного устройства на угол, соответствующий 2...3 мм свободного хода валков) задача конструирования высокоточного электропривода нажимного устройства оказывается достаточно сложной.

В электроприводе зенитного орудия (рис. 7.1 в) наводчик изменяет угол поворота оси прицела ₁ в соответствии с пространственным положением цели.

Исполнительный же электропривод, изменяя угол ₂ поворота орудия, повторяет угловое движение прицела («следит» за осью прицела). Заданную точность слежения выходного вала за валом задающим необходимо обеспечивать непрерывно на всем участке слежения. Задающий сигнал изменяется плавно, при конструировании электропривода задают предельные значения ускорения и скорости.

В дуговых печах электросталеплавильных цехов (рис. 7.1 г) плавку металла ведут, используя тепло электрической дуги, горящей между электродом 2 и шихтой 1 (на стадии расплава) или расплавленным металлом (на стадии рафинирования). Непрерывное горение дуги обеспечивается регулированием расстояния между электродом и металлом с помощью электропривода перемещения электрода, содержащего электродвигатель 3 и механическую передачу 4. Так как напрямую замерить дуговой промежуток между электродом и шихтой невозможно, то его поддерживают косвенно, ориентируясь на величину падения напряжения на дуговом промежутке, график которого в функции от длины дуги U = f(L) приведен там же.

На стадии расплава дуга горит неустойчиво: во-первых, шихта еще не прогрета, а во-вторых, из-за ее неплотности случаются обвалы, что приводит к обрывам дуги или к коротким замыканиям. Кривая распределения необходимых перемещений электрода р% = f(L) в этом режиме носит случайный характер и очень близка к кривой распределения Пуассона.

Электропривод летучих ножниц на выходе непрерывного мелкосортного стана (рис. 7.1 д) должен обеспечить отрезание переднего конца прокатываемого металла 1, выходящего из валков 2 последней клети стана. Барабаны 3 ножниц вращаются непрерывно с окружной скоростью, равной скорости движения металла. Ножи ножниц при этом утоплены в полости барабанов. В момент реза ножи выходят наружу. Так как пространственные положения переднего конца металла и ножей между собой не согласованы, то отрезаемый передний конец может оказаться любой длины от заданного значения до длины окружности барабана ножниц. Чтобы устранить это пространственное несоответствие, за время t₁– t₂, пока передний конец металла проходит путь от клети до ножниц c постоянной скоростью V_П, барабаны ножниц сначала притормаживаются, а затем разгоняются до прежней скорости (кривая V_Н) так, чтобы, во-первых, отрезать передний конец заданной длины, а во-вторых, произвести этот рез при окружной скорости ножей, равной линейной скорости движения металла. Площадь, заштрихованная между кривыми V_П и V_Н, равна тому относительному расстоянию, которое должны преодолеть ножи ножниц, чтобы обеспечить точный рез переднего конца.

Аналогичная задача решается, например, и в космонавтике (задача причаливания кораблей), где на нее отводится от нескольких часов до суток. В металлургии эту операцию требуется выполнить за доли секунды.

При обработке деталей на копировально-фрезерных станках может возникнуть необходимость в изготовлении мелкой серии идентичных деталей сложной формы. Тогда можно поступить следующим образом (рис. 7.1 е). Сначала изготавливают копир – шаблон, форма и размеры которого в точности соответствуют требуемой детали. Затем на станке по этому копиру 1 передвигается щуп 2, снабженный датчиком положения, сигнал которого поступает на первый вход системы регулирования 3. Профиль готовой детали 4 получается обработкой ее режущим инструментом (например, фрезой) 5, также снабженным своим датчиком положения, сигнал которого поступает на второй вход системы регулирования 3. Эта система воздействует на двигатель 6, осуществляющий перемещение (подачу) режущего инструмента в функции величины рассогласования между показаниями обоих датчиков положения.

Правда, сегодня выполнять копир в натуре несовременно: значительно удобнее желаемую траекторию перемещения исполнительного органа задать в памяти вычислительного устройства, откуда считывать ее при работе станка. По этому принципу работают все современные системы числового программного управления станками, сколь сложными они бы ни казались.

Обобщая рассмотренные примеры, обращаем внимание на большое разнообразие технологических режимов, которые должны обеспечиваться электроприводами этих механизмов.

Электроприводы с регулированием положения исполнительного вала принято делить на два класса:

– позиционные электроприводы, задачей которых является перемещение рабочего органа механизма из одного фиксированного положения в другое (в случаях а, г, д на рис. 7.1). Характер траектории перемещения важен лишь постольку, поскольку требуется минимальное время перемещения, когда необходима наибольшая производительность механизма;

– собственно следящие электроприводы (например, в случаях б, в, е на рис. 7.1), когда задающий сигнал является непрерывной функцией с ограниченными значениями ускорения и скорости задающего вала. Заданную точность слежения необходимо обеспечить как в установившихся, так и в переходных режимах на всей траектории движения исполнительного органа.