3.3.3.Функциональная схема управления мехатронным объектом
Функциональная схема управления (информационная и управляющая системы) представлена на рис.5
От вычислительного устройства УЧПУ 1 сигнал в импульсной форме поступает на вход схемы синхронизации 2 с частотой fпр (командный сигнал программы). Одновременно на другой вход схемы синхронизации 2 подаются импульсы fг от тактового генератора 15 (опорный сигнал).
Сигналы суммируются и подаются на опорный делитель 3. На входе опорного делителя 3 при наличии командного сигнала импульсы будут смещаться по фазе на величину з, что определяет величину заданного перемещения (U sin(t+з)).
Импульсный управляющий сигнал преобразуется в аналоговый с помощью тригера 4 и усилителя 5.
Затем управляющий сигнал подается на частотный преобразователь 9, в котором трехфазное переменное напряжение сети преобразуется в переменную частоту, питающую вентильный электродвигатель 10.
Вращение ротора электродвигателя 10
передается на ротор тахогенератора 11,
который преобразует частоту вращения
ротора в напряжение Uvобр.св.,
и ротор преобразователя измерительного
12, который преобразует угол
поворота
ротора в фазу тока ’,
осуществляя обратную связь по положению.
От тактового генератора 15 через делитель 16 (фазорасщепитель) и усилители 17 и 18 подаются синусный и косинусный опорные сигналы на статорные обмотки ПИ-12.
С обмоток ротора ПИ-12 снимается аналоговый сигнал ’ (U sin(t+’)), соответствующий действительному углу поворота винта и ротора.
Этот сигнал преобразуется в блоке 14 в прямоугольную последовательность импульсов и сравнивается с управляющим сигналом в тригере 4.
Вращение ротора двигателя 10 будет продолжаться до тех пор пока (3 - ’)
не будет 0.
Обратная связь по скорости Uv(s) осуществляется от тахогенератора 11, напряжение Uvобр.св. с которого подается на регулятор скорости 6, где сравнивается с заданным значением Uvзад, поступающим с вычислительного устройства 1.
При положительной разности Uvзад и Uvобр.св. напряжений частота вращения ротора электродвигателя 10 будет увеличиваться. При отрицательной разности – уменьшаться.
Третий контур обратной связи по току включает датчик тока 13, регулятор тока 7 и частотный преобразователь 9. Он осуществляет защиту двигателя от перегрузок в переходные режимы работы.
Контур обратной связи информационной системы протекания процесса резания и состояния лезвия режущего инструмента включает датчик силы ДС, сконструированный в передней опоре шпинделя, преобразователь измерительный 19, фильтр 20, усилитель 23, аналого-цифровой преобразователь 24 и сравнивающие устройства (регуляторы) 26 и 27.
Сигнал фильтруется в фильтре 20 с целью выделения полезного сигнала и нормализации, чтобы привести его численные значения к виду удобному для дальнейшего использования. Такие же функции выполняют фильтры 21, 22.
Далее происходит формирование управляющего сигнала, то есть необходимой скорости подачи.
В блоке 25 расчитывается допустимая (заданная) сила резания Fз (опорный сигнал) исходя из допустимой деформации обрабатываемой заготовки, допустимой силы резания исходя из допустимого износа или поломки инструмента и т.п.
Цифро-аналоговый преобразователь 28 преобразует цифровой сигнал в аналоговый.
Регуляторы сравнивают отфильтрованные сигналы текущего положения с заданными и на основании рассогласования формируют управляющий сигнал.
В процессе резания динамометрическая опора ДС шпинделя измеряет действительную силу резания Fд по опорной реакции в ПИ19. Сигнал фильтруется в фильтре 20, усиливается в усилителе 23, преобразуется в цифровой в АЦП24 и сравнивается с заданной (допустимой) от программы силой резания Fз в сравнивающем устройстве 26.
Если сила Fз Fд, то результирующий управляющий сигнал (положительный) подается на суммирующее устройство 27, где суммируется с программным сигналом о величине скорости подачи и скорость вращения ротора двигателя 10 увеличивается.
Если Fз Fд, то результирующий управляющий сигнал (отрицательный) подается на суммирующее устройство 27, где вычитается из программного сигнала о величине скорости подачи и скорость вращения ротора двигателя 10 уменьшается. При этом сила резания будет уменьшаться до допустимой установленной программой величины.
На рис. 6 приведена функционально- кинематическая схема системы управления поперечной подачей шлифовальной бабки круглошлифовального станка.
В качестве датчика мехатронной системы используется датчик выбраций (ПИ24). Принцип же работы схемы аналогичен вышеописанному.
Аналогично разрабатывается функциональная схема управления и контроля углом поворота шпинделя, что необходимо для ориентированной остановки шпинделя или заготовки и для согласования вращения шпинделя с перемещением резца при резьбонарезании.
Датчики типа ПИ19 (рис. 5) могут быть встроены в переднюю опору шпинделя, в опоры винта привода подачи, в обмотку электродвигателя для измерения момента, в резцедержатель, в револьверную головку и т.д. см. рис.7.
Мостовая схема соединения тензорезисторов, например в датчике контроля силы передней опоры шпинделя, приведена на рис.8.
Мехатронные устройства разработаны для контроля размеров и положения заготовки, контроля размеров обработанных деталей, контроля поломки и износа инструмента.
Функциональная схема автоматического контроля размера обработанной поверхности показана на рис 9а.
В одну из позиций револьверной головки 3 токарного станка устанавливается индикаторная щуповая головка 2 с тактильным датчиком. По заданной программе наконечник щуповой головки 2 касается обработанной поверхности детали 1 сверху, а затем снизу и индикатируется момент касания с заготовкой.
Сигнал о величине перемещения поступает от преобразователя измерительного 4 в процессор 7, где фиксируются координаты Х1 и Х2. Разность (Х2-Х1) равна измеренному диаметру детали 1.
Сигнал касания щуповой головки 2 через приёмное устройство 5 и преобразователь 6 передается в процессор 7.
В соответствующих блоках процессора 7 рассчитывается необходимая коррекция и сигнал через частотный преобразователь 8 поступает в обмотку регулируемого электродвигателя 9.
Электродвигатель 9 через беззазорную зубчатую пару и передачу винт-гайка качения корректирует положение суппорта и револьверной головкой в соответствие с эталонными значениями контролируемого параметра, которые хранятся в памяти УЧПУ Блок 10 представляет ПЗУ.
Измерительная головка 11 установлена на шпиндельной бабке и предназначена для контроля состояния режущего инструмента путем касания режущей кромкой инструмента головки 11 до обработки и после обработки.
На рис. 9б показана щуповая головка, которая устанавливается в одно из гнезд инструментального магазина фрезерно-сверлильно-расточного станка.
Щуповая головка предназначена для контроля заготовки и обработанной детали на станке непосредственно после обработки и позволяет автоматически ввести необходимые коррекции управляющей программы.
Щуповые головки съемные, поэтому сигнал от них передается на приемник бесконтактно индуктивным способом или с использованием инфракрасного излучения.
Установленные на станке датчики можно использовать не только для измерения заготовок и обработанных деталей, но и для контроля состояния инструмента, обнаружения чрезмерного припуска, отсутствия инструмента, установки станка на нуль.
По программе контроля автооператор устанавливает щуповую головку в шпиндель станка. Затем шпиндельная бабка перемещается до соприкосновения щупа головки с поверхностью детали. Сигнал касания индикатируется и передается в процессор.
Величина перемещения фиксируется по ПИ обработанной связи привода подачи и вычисляется координата касания щупа головки. Далее корректировка идет по вышеописанной методике.