§ 76. Устройства автоматического позиционирования

Позиционированием называют точное изменение ко­ординаты управляемой величины, остающейся постоянной на опре­деленном этапе работы управляемого объекта. К позиционированию относят точные перемещения рабочих органов при статической раз­мерной настройке или при выполнении рабочих движений, а также изменение на заданную величину режимных факторов. Позициони­рование предполагает с помощью средств автоматики (про­граммного) возможность быстрого изменения приращения управ­ляемой величины на любом этапе цикла работы управляемого объекта. Поэтому устройства автоматического позиционирования (АП) называют устройствами или системами программного управ­ления (СПУ).

Виды устройств позиционирования. Устройства могут быть: дистанционными — оператор по отсчетному устройству определяет текущее значение координаты и управляет изменением управляемой величины; автоматическими (программ­ными) — управление изменением координаты происходит автома­тически, оператор задает программу и контролирует ее исполнение. В свою очередь АП подразделяются: на универсальные — позволяющие устанавливать любую координату управляемой ве­личины во всем диапазоне: с о г р а н и ченным числом программ — координата управляемой величины может при­нимать одно из заранее заданных значений, задание координаты может выполняться вручную при переналадке позиционера или автоматически. По числу каналов управления АП могут быть одно-канальными или многоканальными. В многоканальных системах обработка программ по каждому из каналов выполняется последо­вательно.

На рис. 161 даны блок-схемы различных АП.

При дистанционном управлении рабочий орган РО (рис. 161, а) перемещается исполнительным механизмом ИМ. Перемещение РО с помощью датчика Д преобразуется в сигнал, который в отсчетном устройстве ОУ представляет оператору информацию о координате рабочего органа. Отсчетное устройство входит в состав пульта ПУ, с которого оператор ОП подает команды на блок управления БУ — на пуск, останов или изменение режима работы исполнительного механизма. Совмещение отсчетного устройства и органов оператив­ного управления в едином конструктивном узле, устанавливаемом в удобном для оператора месте, позволяет выполнять перемещения с высокой точностью.

При автоматическом (программном) управлении (рис. 161, б) оператор с блока программы БП вводит необходимую информацию о требуемых изменениях координаты рабочего органа. В сравни­вающем устройстве СУ происходит сравнение сигналов от БП и Д.

При их совпадении блок управления отключает исполнительный механизм. С одной стороны, можно выделить ряд часто повторяю­щихся программ, с другой — в течение продолжительного времени могут использоваться одни и те же программы, причем число их невелико. В этом случае в систему вводят блок памяти, в котором записана информация по используемым N программам — П1,

Рис. 161. Блок-схемы позиционирования:

а — дистанционного; б — программного; в — с ограниченным числом программ с пресе-лективным заданием; г — с заданием программы изменением координаты однопрограмм-ного датчика; д — с многоразрядным датчиком; е — со смещением характеристики датчика

П2, . . . , ПN. В этом случае для задания программы достаточно с блока вызова программ БВП задать условный код и вызвать нуж­ную программу.

Если АП предполагают использовать только для работы на ог­раниченное число программ, то в системе управления целесооб­разно использовать ряд датчиков ДД1, ДД2, . . . , ДДN (рис. 161, в) по числу программ с дискретной характеристикой (датчик выдает сигнал только при одном значении координаты). Датчики настраи­вают таким образом, чтобы каждый из них выдавал сигнал при со­ответствующем значении координаты рабочего органа. С блока вызова программ БВП при задании программы включается в схему

управления соответствующий датчик. В процессе работы настройка датчиков, а соответственно и программа могут изменяться.

Однокоординатные датчики, называемые индикаторными упо­рами, роль которых выполняют конечные выключатели, герконы, фотореле и др., показали хорошие эксплуатационные результаты. Это обусловило создание АП с управляемым однокоординатным датчиком ДД (рис. 161, г). В период времени когда АП не участвует в работе, система программного управления, включающая испол­нительный механизм ИМД, блок управления БУД, блок программы БП и датчик положения ДУД изменяет настройку, т. е. меняет ко­ординату датчика ДД в соответствии с тем, в какую координату должен быть установлен рабочий орган РО на следующем этапе рабочего цикла механизма. В заданный момент времени с помощью исполнительного механизма ИМ, управляемого блоком БУ по командам, поступающим от датчика ДД, рабочий орган перестав­ляется в новое положение.

Многоканальные АП применяют с целью повышения точности, разрешающей способности и других характеристик. В много­разрядных системах используют датчики с двумя и большим числом разрядов (рис. 161, д). Каждый разряд датчика включается в соответствующий контур управления. Сначала идет обработка программы по старшему (грубому) началу управления. Сигналы со старшего разряда датчика ДГ сравниваются в блоке БСГ с про­граммой по старшему (грубому) каналу, задаваемому с блока про­граммы этого канала БПГ. После отработки программы старшего разряда разрешается отработка программы по точному (младшему) каналу. Сигнал с датчика младшего (точного) разряда ДТ сравни­вается в блоке сравнения БСТ с программой, задаваемой по точ­ному разряду с блока БПТ. После обработки программы по млад­шему каналу рабочий орган останавливается.

В многоотсчетных системах (рис. 161, ё) сначала от­рабатывается программа точного отсчета. С помощью исполнитель­ного механизма ИМД, управляемого блоком управления БУД, смещается датчик грубого отсчета ДГ (смещается характеристика датчика относительно начала отсчета координат в пределах диапа­зона младшего разряда). Координата датчика определяется датчи­ком точного отсчета ДТ, а программа задается с блока программы точного отсчета БПГ. После отработки программы точного отсчета отрабатывают программу по каналу грубого отсчета.

По принципу действия системы управления АП подразделяют: на счетно-импульсные, шагово-импульсные, кодовые, аналоговые. По виду используемой энергии для перемещения рабочих органов и передачи информации — на электромеханические и электрогид­равлические.

Счетно-импульсные — это системы, в которых пере­мещение рабочего органа (изменение координаты управляемой ве­личины) с помощью датчика импульсов ДИ (рис. 162, а) преобра­зуется в последовательность импульсов. Каждому импульсу соот­ветствует единичное перемещение рабочего органа, называемое

Рис. 162. Автоматические позиционеры:

а, б — блок-схемы счетно-импульсного и шагово-импульсного управления позиционерами; в, г — гидроусилители с шаговым двигателем; д — блок-схема кодовой системы управле­ния позиционированием; е — гидропозиционер

ценой импульса. Импульсы суммируются в счетной схеме СС. При совпадении их числа с заданным с блока программы БП подается команда на блок управления БУ для отключения исполни­тельного механизма ИМ и остановки рабочего органа РО в задан­ной координате. Для перемещения рабочих органов применяют ходовые винты или реечные механизмы с приводом от односкорост-

ных электродвигателей или с регулируемой скоростью. Для повы­шения точности остановки прибегают к понижению скорости при­вода при подходе к заданной координате и дополнительное тормо­жение привода. Используют отключение низкоскоростной части механизма перемещения с помощью электромагнитных муфт от вы­сокоскоростных частей привода. В последнее время для привода позиционируемых рабочих органов применяют высокомоментные низкооборотные электродвигатели. Датчик импульсов может быть связан жестко или через промежуточную передачу с рабочим орга­ном или выходным звеном механизма перемещения — ходовым винтом или шестерней.

Шагово-импульсные — это системы, в которых уп­равляющие импульсы, поступающие с блока программы БП, пре­образуются с помощью специальных шаговых двигателей ШД в пе­ремещение рабочего органа РО (рис. 162, в). Шаговые двигатели имеют специальные блоки управления БУШД, которые коммути­руют импульсы по обмоткам двигателя. Современные шаговые дви­гатели имеют недостаточный крутящий момент для перемещения рабочих органов деревообрабатывающих станков. Поэтому их ис­пользуют совместно с гидроусилителем. В комплекте с шаговым двигателем ШД-5Д1 применяется гидроусилитель момента (рис. 162, в). Шаговый двигатель 1 через шестерни 2 и 3 связан с винтом 5, который соединен с гайкой 6, являющейся единой де­талью с ротором 14 гидромотора. При повороте ротора шагового двигателя на шаг, например 1,5°, винт 5 при неподвижном гидро­моторе вворачизается в гайку и смещается в осевом направлении. Это приводит к смещению золотника 4. Так, если золотник сместился вправо, то в магистрали 7 давление возрастет, а в маги­страли 9 понизится. Через магистраль 9 давление будет подведено к плунжеру 10, а от плунжера 13 масло будет направлено в бак. Гидромотор имеет 10—12 плунжеров, расположенных по окружно­сти. Плунжер 10, перемещаясь по наклонной шайбе 11, будет по­ворачивать ротор 14 гидромотора. Выходной вал 12 гидромо­тора соединяется с ходовым винтом, перемещающим рабочий орган.

При повороте ротора гайка 6 повернется и сдвинет винт 5, зо­лотник 4 вернется в исходное среднее положение. При непрерыв­ной подаче импульсов на шаговый двигатель вал гидромотора бу­дет вращаться с частотой, пропорциональной частоте импульсов, а золотник 4 будет смещен от среднего положения на величину, не­обходимую для подачи рабочей жидкости в объеме, обеспечиваю­щем вращение ротора гидромотора.

На рис. 162, г показан линейный гидроусилитель. Задающий шаговый двигатель 1 пальцевой муфтой 2, допускающей осевое смещение соединяемых валов, соединен со стержнем 3, на противо­положном конце стержня имеется резьбовая часть (винт) 9, входя­щая в зацепление с гайкой 7, соединенной с поршнем 8 гидроци­линдра 10. Шток 11 гидроцилиндра соединяется с перемещаемым рабочим органом. При повороте ротора шагового двигателя на шаг

винт 9 вворачивается в гайку 7, и стержень 3 сдвигает золотник 4, например, вправо. При этом в магистрали 6 давление возрастет, а в магистрали 5 упадет. Поршень 8 сдвинется влево, и стержень 3 сдвинет золотник 4 в среднее положение. Гидропривод позволяет развивать большие усилия и обладает хорошими динамическими характеристиками.

Кодовые системы — это системы, в которых каждому про­граммируемому значению управляемой величины соответствует оп­ределяемая комбинация сигналов — код. С датчика ДК (рис. 162, д) при перемещении рабочего органа на единичную вели­чину подается новый код, который сравнивается с кодом, заданным с блока программы БП. Сравнение кодов происходит в сравниваю­щем устройстве СУ, и при их совпадении подается команда на оста­новку исполнительного механизма ИМ, перемещающего рабочий орган. Эти системы имеют датчики сложной конструкции, но про­стые схемы управления. Кодовые системы называют также систе­мами со схемами совпадения.

К кодовым относят также системы, в которых заданный код преобразуется специальным исполнительным механизмом — пози­ционером в перемещение рабочего органа. На рис. 162, е показана конструкция гидропозиционера. В цилиндре 5 имеются поршни 1, 2, 3, 4. В общем случае число поршней зависит от диапазона пере­мещения и наименьшего программируемого приращения коорди­наты штока 6. Каждый из поршней имеет дозированное перемещение _h. Ход поршня 1 равен ₁ — наименьшее программирумое пе­ремещение штока, поршня 2 — ₂ = 2 ₁, ход поршня 3 — ₃ = = 2 ₂ и поршня 4 — ₄ = 2 ₃. При таком соотношении ходов поршней ход штока будет равен _n = ₁2ⁿ, где п — число порш­ней. Дозирование ходов поршней достигается благодаря тому, что в отверстие штоков, связанных с поршнями, входят стержни 7, 8, 9, 10. Стержень 7 связан со стенкой цилиндра, стержень 9— с поршнем 1, стержень 8 — с поршнем 2, стержень 9 — с поршнем 3 и стержень 10 — с поршнем 4. На конце стержня 10 имеется бо­бышка 11, а на входе расточки штоков поршней — шайба 12, которые препятствуют выходу стержней из расточек што­ков.

При выдвигании штока 6 в межпоршневые пространства подается давление, а штоковая полость соединяется с валом. При возврате штока давление подается в штоковую полость, а межпоршневые пространства соединяются со сливом. Рабочая жидкость в штоко­вую и межпоршневые полости подается через трехходовые гидро­распределители ГР1, ГР2, ГРЗ, ГР4, ГР5, имеющие управляющие электромагниты соответственно УА1, УА2, УАЗ, УА4, УА5. К штоку может быть приложена внешняя осевая сила, направляе­мая в сторону выдвигания штока. В этом случае в разгружен­ные штоковую и межпоршневые полости подается рабочая жидкость с давлением меньшим, чем в напорные полости, но достаточным, чтобы исключить самопроизвольное сдвигание поршней.

Ход поршня штока 6 будет равен X = _i (2°m₁+2¹т₂ + +2² т₃+ . . . + 2^п-1т_п), где m₁, т₂, . . . , т_п могут принимать значения 0 или 1, общее число комбинаций 2ⁿ. Если т₁ = 1, то УA1 включен, если т₁= 0 — УА1 отключен, и так далее.. Таким образом, координата штока задается двоичным кодом.

При заранее известных координатах штока 6 может быть спро­ектирован позиционер, у которого перемещения не являются крат­ными наименьшему программируемому перемещению, а равны не­которым значениям _{1, 2}, ₃, . . . , _n. Тогда ход штока будет равен X = ₁m₁ + ₂m₂ + . . . + _nm_n, где т₁, т₂, . . . , т_п равны 0 или 1. Задавая функцию, определяющую значения mi, i = 1, 2, . . . , п — код перемещения, можно получить 2^п различ­ных программ.

Аналоговые — это системы, в которых координата рабо­чего органа (или другая управляемая величина) с помощью датчика преобразуется в некоторую физическую величину — аналог, удоб­ную для дистанционной передачи и дальнейших преобразований. В качестве аналога обычно используют электрические величины. Величина-аналог, поступающая с датчика, сравнивается с зада­ваемым аналогом. При их совпадении или определенном рассогла­совании подаются управлящие команды на блок управления ис­полнительным механизмом.

Основные характеристики устройств автоматического позицио­нирования.

Разрешающая способность — минимальное при­ращение координаты, которое можно задать. В импульсных систе­мах разрешающая способность равна цене импульса. Разрешающая способность выбирается из условия точности позиционирования. Для АП, применяемых для размерной настройки, разрешающая способность /K , где — поле допуска на обработку, K = = 3 10 — коэффициент использования поля допуска при обра­ботке. Для удобства программирования разрешающую способность выбирают из ряда 10^N, где N — положительное или отрицательное натуральное число или нуль.

Чувствительность — наименьшее приращение пара­метра, которое может отработать СПУ. Чувствительность не может быть выше разрешающей способности. Чувствительность зависит от жесткости кинематической цепи привода. В позиционных систе­мах при недостаточной чувствительности малые перемещения мо­гут быть выполнены за два приема. Сначала рабочий орган отводят на некоторое расстояние, значительно (в 10 и более раз) большее разрешающей способности, а затем устанавливают в заданное по­ложение.

Быстродействие — время на обработку наиболее ха­рактерной программы. Быстродействие приобретает важное зна­чение для систем, управляющих оборудованием в рабочем режиме, особенно холостыми ходами рабочих органов. В этом случае для повышения производительности оборудования время на отработку программы должно быть минимальным. Следовательно, скорость

рабочего органа должна быть максимальной. Быстродействие равно = K_L/v, где L — диапазон программирования (полный ход ра­бочего органа); K_L = 0,6 0,8 — вероятность программы; v — скорость рабочего органа.

Скорость рабочего органа v существенно влияет на точность системы. Если v, найденное из условия требуемого быстродействия (времени ), будет больше, чем необходимо для получения требуемой точности, то системы делают двухскоростными.

Перед остановкой рабочий орган перемещается с малой ско­ростью v_п, называемой ползучей. Маршевая скорость будет зави­сеть от требования быстродействия и от допустимого приводом диа­пазона регулирования скорости D = v/v_п.

Для некоторых типов приводов значения D даны в табл. 16.

16. ДИАПАЗОН И ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРИВОДОВ

Тип привода	Диапазон изменения скорости	Характер изменения скорости
Электропривод с управляемой коробкой скоро­стей Иногоскоростной асинхронный двигатель:	4—8	Ступенчатый
двухскоростной	2	»
четырехскоростной	4	»
Асинхронный двигатель с двухтоковым пита­нием (постоянным и переменным током)	10	»
Электропривод постоянного и переменного гока с тиристорным управлением	20—40	Плавный
Пневмо- и гидропривод	7—10	Плавный или ступен­чатый

Для двухскоростных СПУ быстродействие будет равно = = (LK_L/v₂ +l ), где l = 5 50 мм — участок, проходимый рабо­чим органом на ползучей скорости.

Точность — характеризуется двумя параметрами — шири­ной зоны, т. е. полем рассеяния, в котором располагаются факти­ческие значения координат при многократной отработке одной программы, и средним отклонением середины поля рассеяния от заданной координаты.

Точность АП зависит от нелинейности и погрешности измери­тельной системы, запаздывания срабатывания аппаратуры управ­ления и динамических характеристик рабочего органа. На рис. 163,а показана упрощенная схема управления позиционированием рг-бочего органа 1, который перемещается ходовым винтом 2, приво­димым во вращение через редуктор электродвигателем M1. В за­висимости от направления перемещения рабочего органа электродви­гатель включается пускателем блока управления БУ. При движении «Вперед» щетки 3 через контактное поле 5 датчика Д1 включат

схему совпадения СС, которая при совпадении программы, задан­ной с блока БП, разрывает цепь магнитных пускателей в блоке управления.

Линия I на графике скоростей (рис. 163, б) показывает, как ме­няется скорость рабочего органа при остановке в заданной коорди-

Рис. 163. Схема управления позиционером (а) и график скоростей рабочего органа при завершении отработки программы (б)

нате H_зад при движении «Вперед». В точке 1 подается команда на остановку. Пока сработают реле, пройдет время _а, а рабочий орган переместится на расстояние S в точку 2 и затем скорость ра­бочего органа (после отключения электродвигателя) будет падать и в точке 3 произойдет остановка. За период торможения рабочий орган пройдет путь S₀. Рабочий орган займет координату H_ф0. При движении рабочего органа к этой же координате в обратном

направлении (линия II), команда на остановку должна была бы быть подана в точке 1', если бы щетка 3 была жестко связана с ра­бочим органом. Причем точка 1 на линии II смещена относительно этой же точки на линии I на величину b — зону нелинейно- сти шкалы датчика. В нашем примере зона нелинейности равна ширине контакта датчика, но в действительности в механизме дат­чика имеют место деформации, люфты и другие нелинейности. Поэ­тому при реверсировании рабочего органа щетка 3 начнет движе­ние после того, как будут выбраны все нелинейности ₁. Рабочий орган будет опережать шкалу датчика на ₁. Поэтому команда на остановку фактически будет подана в точке 1' (линия II). Затем остановка пойдет по описанному ранее порядку, и рабочий орган остановится в координате H_ф1.

Если же датчик Д2 связан с ходовым винтом, то остановка при движении вперед будет показана линией I, а при обратном движе­нии — линией III. При реверсе сначала начнет движение шкала датчика Д2, и только после того, как в механизме перемещения будут выбраны зазоры и возникнут упругие деформации под дейст­вием сил сопротивления движению, рабочий орган начнет движе­ние. Если в механизме перемещения суммарные нелинейности со­ставят ₂, то шкала датчика будет опережать рабочий орган на эту величину. Команда на остановку будет подана в точке 1' (раньше точки 1), и рабочий орган остановится в точке 3 с координатой H_{ф 2}.

Предполагая, что координаты фактической остановки распо­лагаются симметрично относительно заданной, погрешность по­зиционирования равна:

для жесткой связи датчика с рабочим органом

H₁ = ±(S + b/2); (106)

для связи датчика с рабочим органом через промежуточное уст­ройство

H₂=±(S + (b— ₁)/2) при ₁<b или

H₂=±(S + ( ₁—b)/2) при ₁>b (107)

для связи датчика с ходовым винтом

H₃=±(S + (b— ₂)/2), (108)

где S = S + S_o — путь, проходимый рабочим органом с момента подачи команды до полной остановки; S = v _a — путь, проходи­мый рабочим органом за время срабатывания аппаратуры управ­ления; v — скорость движения рабочего органа перед подачей команды на отключение; S_o = (Mv²)/2 (P_c + Р_T) — выбег рабочего органа, М — приведенная к рабочему органу масса движущихся частей (рабочего органа, деталей механизма перемещения, рабочей жидкости и т. д.). Р_с, Р_T — приведенные к рабочему органу силы, соответственно сопротивления перемещению и дополнительного торможения; b, _{1 2} — нелинейности измерительной системы и линии связи шкалы датчика с рабочим органом.

Слагаемые в формуле (108) имеют различные знаки, следова­тельно, если будет выполнено условие ₂ = 2(S + b/2), то

Д#з = 0. Компенсировать погрешность АН₂ можно путем подачи команды на остановку с упреждением т_у = 2 (S -f- (± b ± X₁)l2)lv или корректировать программу на величину АН ₂.

Однако компенсировать возможно только некоторые средние значения (математические ожидания) S_x , S_o , Я_ср. В действитель­ности в результате случайных воздействий время срабатывания аппаратуры, скорость движения рабочего органа, силы сопротив­ления и торможения колеблются, что приводит к колебанию в не­котором диапазоне свободного выбега и пути, проходимого за время срабатывания аппаратуры. Кроме того, датчик (измерительная система) имеет собственную погрешность. Фактически рабочий ор­ган будет останавливаться между точками 3' и 3". Тогда погреш­ность позиционирования будет

где ± AS — колебания перемещения рабочего органа после по­дачи; + AD— погрешность датчика; s = ДЯ₁'/АЯ,-== 0,01 -г-0,05 — степень компенсации систематической погрешности; АЩ — систематическая погрешноть после введения конструктивной, схемной или программной компенсации.

Существующие в деревообработке устройства автоматического позиционирования обеспечивают точность ± 0,5 мм — на раскрой­ном оборудовании и ± 0,05 мм — на оборудовании для чистовой обработки.