2.6. Диагностирование состояния исполнительных

устройств автоматических систем

Задача диагностирования исполнительных механизмов и приво­дов технологического оборудования с ЧПУ является достаточно сложной, так как эти приводы (например, наиболее распространен­ные регулируемые и следящие электроприводы постоянного тока) являются, как правило, аналоговыми устройствами, содержащими электронные, электромеханические элементы, с узлами, охвачен­ными обратными связями. При одном и том же внешнем проявле­нии неисправности привода причина ее может оказаться как в электрической, так и механической части.

В технической диагностике для описания состояния контроли­руемых объектов используются традиционные и специальные ме­тоды, например, теории электропривода и механизмов машин, автоматического управления и регулирования, распознавания образов, теории информации и др. Решение задач техниче­ского диагностирования исполнительных устройств неразрывно связано с особенностями структуры конкретных электроприводов и кинематических схем технологического оборудования. Напри­мер, широко применяемый регулируемый электропривод подач для станков с ЧПУ состоит из двух замкнутых контуров подчи­ненного регулирования: тока и скорости (рис. 2.6, а). Он содер­жит регуляторы скорости PC и тока РТ, тиристорный преобразо­ватель ТПр, двигатель М, датчики тока ДТ и скорости ДС, уст­ройства ограничения тока якоря ОТЯ в зависимости от частоты вращения n и минимального угла управления ОУг, устройства сравнения. PC и РТ представляют собой пропорционально-ин­тегральные регуляторы.

Рис. 2.6. Станочный электропривод постоянного тока:

а – структурная схема;

б – кинематическая схема механизма подачи;

U₃ - задающее напряжение;

U_РС, U_РТ, U_Я, U_ДТ, U_ДС – напряжения на выходе

соответствующих элементов;

∆ U₁, ∆ U₂ – разности напряжений

В качестве основного источника информации о состоянии ди­агностируемого электродвигателя можно использовать входящие в его состав датчики скорости и тока. Кроме того, можно исполь­зовать и датчик путевого контроля. Сигналы, снимаемые с ука­занных датчиков, позволяют выполнить определенный контроль механической передачи. Однако эти возможности зависят от струк­туры кинематической схемы каждого станка. Характерной осо­бенностью многих вариантов кинематических схем является нали­чие электродвигателя постоянного тока со встроенным тахогенератором, анализ сигналов с которого позволяет контролировать состояние цепи двигатель — тахогенератор и неисправности, при­водящие к изменению скорости двигателя.

В одном из вариантов кинематической схемы станка (рис. 2.6, б) обратная связь с датчика путевого контроля ДПК полностью охватывает механическую передачу от двигателя до рабочего ор­гана, обеспечивая контроль ее состояния по анализу сигналов с ДПК. Однако в большинстве кинематических схем ввиду отсут­ствия обратной связи не удается полностью контролировать меха­ническую передачу вплоть до рабочего органа. В этом случае для периодического контроля работоспособности механической передачи используют дополнительный ДПК, непосредственно связан­ный с конечным звеном кинематической цепи станка. Такой дат­чик позволяет контролировать не только значение зазора, но и прогнозировать время изнашивания механической конструкции.

К группе неисправностей механической части приводов отно­сятся: зазор в цепях мотор — тахогенератор, мотор — рабочий орган и мотор — ДПК; увеличение момента нагрузки (в том числе вследствие изнашивания конструкции); заклинивание механиче­ской передачи; разрушение подшипников; обрыв в кинематической цепи мотор — тахогенератор или мотор — ДПК. В группу неис­правностей электрической части приводов входят: обрыв в якор­ной цепи или в обмотке возбуждения; уменьшение сопротивления изоляции якорной цепи или обмотки возбуждения; межвитковое замыкание на корпус; размагничивание постоянных магнитов для двигателей с постоянными магнитами). Перечисленные неис­правности характерны, кроме электродвигателей, и для тахогенераторов и вращающихся трансформаторов. К распространен­ным неисправностям других узлов относятся: нарушение балан­сировки диодов и обрыв в датчике тока; неоткрытие или пробой тиристоров силового преобразователя системы импульсно-фазового управления; пробой RC-цепочки;. несоответствие начального угла регулирования номинальному; нарушение коррекции или выход из строя операционного усилителя регуляторов тока и ско­рости; неисправности схемы ограничения тока или сглаживаю­щего дросселя.

В источнике питания и схемах защиты часто отказывает транс­форматор, встречается обрыв одной из фаз или неправильное чере­дование фаз, а также неравенство напряжений питания; увеличи­вается пульсация напряжений; заклинивают контакты реле схемы защиты и др. Все неисправности могут быть сгруппированы по виду их внешнего проявления с указанием доли в процентах по группам: отсутствие движения

(13 %); броски (10 %); качание и вибрация (40 %); разнос или неуправляемое движение рабочего органа на высокой скорости (20 %); отключение силового автомата (17 %).

Так как к сходным внешним проявлениям могут приводить различные неисправности, для определения их конкретного вида необходимо знать, кроме качественного проявления, количественные значения параметров контролируемых сигналов, соответ­ствующие данной неисправности. Решение подобных задач путем экспериментальных исследований очень трудоемко, а в производ­ственных условиях практически невыполнимо. Поэтому наиболее эффективным средством оказывается математическое моделиро­вание исполнительных устройств на ЭВМ.

В соответствии с кинематической схемой механическая часть привода станка по одной из координат достаточно полно может быть представлена N-массовой моделью при следующих основных до­пущениях: силы и моменты, действующие в системе, приложены к сосредоточенным массам, которые не подвергаются деформации; упругие звенья невесомы и характеризуются постоянной жестко­стью связи. Методика, разработанная в ЭНИМСе, позволяет свести исходную систему к 3-массовой модели (с массами двигателя, рабо­чего органа и вращающегося трансформатора). Моделирование неисправностей в электроприводах подач станков с ЧПУ показы­вает, что наиболее рациональным можно считать качество пере­ходного процесса скоростного сигнала привода при ступенчатом воздействии на его входе (перерегулирование σ, время регулиро­вания t_p или колебательность, интегральные показатели каче­ства).

По истечении времени регулирования необходимо контролиро­вать значения сигналов с ДПК и силу тока I_я якорной цепи. Так как конечное звено кинематической цепи станка с ЧПУ часто не охватывается обратными связями скоростного и путевого каналов, целесообразно для периодической проверки ее работоспособности использовать дополнительный датчик (например, касания). Кроме того, возможен одновременный контроль основных узлов.

Алгоритм контроля работоспособности КР электропривода подач ЭПП станка с ЧПУ с элементами обнаружения места неис­правности представлен на рис. 2.7. Контроль ЭПП сводится к по­следовательным проверкам источника питания ИП, двигателя постоянного тока ДПТ, датчика путевого контроля — вращаю­щегося трансформатора ВТр и датчика скорости —тахогенератора ТхГ, ТПр и параметров переходного процесса (σ, t_p, I_я) по всем координатам станка. Так как структура блоков алгоритма контроля приводов КП по координатам у и z аналогична блоку контроля по х, то эти блоки на схеме не развернуты. После за­вершения режима КР включается режим обнаружения неисправ­ностей ОН.

Рис. 2.7. Алгоритм контроля и диагностирования

электроприводов станков с ЧПУ

Рассмотрим структурную схему устройства контроля и диагно­стирования ЭПП, реализующего приведенный алгоритм (рис. 2.8). Основу устройства составляет блок контроля переход­ного процесса БКПП по параметрам качества путем сравнения их с уставками, которые подаются через блок настройки уставок БНУ и коммутатор К2 в зависимости от проверяемой координаты (ком­мутация входных и выходных сигналов осуществляется через К1 и К2). Блок управления циклом БУЦ управляет последовательностью проверок по координатам станка, результаты которых ото­бражаются с помощью блока анализа результатов БАР и блока индикации БИ. При обнаружении неработоспособного электро­привода устройство вырабатывает сигнал «Блокировка», который используется для запрещения работы станка.

Рис. 2.8. Структурная схема устройства контроля

и диагностирования электропривода подач

Кроме перечисленных блоков, в устройстве предусмотрены схемы контроля источника питания СК ИП, ТПр, М и датчиков исполнительных механизмов (СК ДИМ). Структура приводов по х, у, z аналогична представленной на рис. 2.6, а.

После запуска устройства импульсы с генератора восприни­маются счетчиками, и БУЦ последовательно формирует следую­щие сигналы управления: X5 (ступенчатое воздействие); х, у, z (разрешение контроля приводов по соответствующим координа­там); R_m (предварительная установка триггера в исходное состоя­ние), которые выделяются с помощью дешифратора. Дешифратор используется также для настройки параметра t_p (путем установки различных перемычек). Сигналы t_р формируются для всех коорди­нат, но на выход БУЦ проходит только сигнал, соответствующий проверяемому приводу. В случае неисправности одного из при­водов контроль прекращается путем принудительной установки счетчиков БУЦ в нулевое состояние. БКПП, помимо контроля параметров σ, t_р, осуществляет контроль I_я в установившемся режиме. Если значение I_я превышает допустимое, то на выходе компаратора появится логический «0», свидетельствующий о не­исправности электропривода. Контроль перерегулирования σ осуществляется измерением выходного сигнала датчика скорости. Так же как и в предыдущем случае, неисправному положению привода соответствует выходной сигнал компаратора, устанавли­вающий триггер в нулевое состояние.

Для контроля времени регулирования t_р выполняется про­верка вхождения скорости электропривода в 5 %-ю зону от ее уста­новившегося значения. Разность между фактической скоростью и ее установившимся значением определяется с помощью дифферен­циального усилителя. Для сравнения с уставками используется 2-пороговый компаратор, выполненный на двух операционных усилителях. Если разность сигналов не превышает 5 %, то на выходах усилителя формируются сигналы, соответствующие логи­ческой «1». Таким образом, при исправном приводе все выходные сигналы схем контроля, поступающие на вход элемента И, имеют уровень логической «1». Опрос сигналов происходит при поступле­нии стробирующего сигнала t_p, который появляется по истечении предварительно настроенного времени регулирования данного привода. В триггер исправности записывается логическая «1». В случае неисправности электропривода хотя бы один из контро­лируемых параметров примет значение логического «0» и в триг­гер неисправности по соответствующей координате запишется логическая «1». Результаты проверки отображаются на индика­торном табло Использование подобных устройств позволяет существенно сократить время контроля и диагностирования неисправностей, снизить долю брака от эксплуатации неисправного оборудования, уменьшить число квалифицированных наладчиков систем.