книги из ГПНТБ / Корытин, А. М. Оптимизация управления металлорежущими станками

режиме автоколебаний (рис. 96, б, г). На осциллограммах кри­ вая / определяет величину критерия оптимальности, кривая п — напряжение, пропорциональное скорости электродвигателя, кривые U1 и Ui определяют направление включения серводви­ гателя «назад» и «вперед» соответственно. Масштаб времени записан отметчиком t с ценой деления одного импульса 0,1 с. При неправильной настройке системы (рис. 96, д) величина пульсаций критерия оптимальности доходила до 50%. Экстре­ мальная характеристика при движении по ней рабочей точки справа налево показана на рис. 96, е. В отлаженной системе экстремум поддерживался с точностью до 1—5%, период авто­ колебаний составлял 8,5 с. Как показали испытания, система надежно отслеживала экстремум при моделировании описанных возмущающих воздействий при изменении в широких пределах формы экстремальной характеристики.

Исследование работы СЭР металлорежущего станка может быть выполнено также на аналоговой математической модели. Исходными данными для составления схемы аналоговой модели являются следующие уравнения:

а) приводного двигателя

где Ет,ш ЕД— э. д. с. тиристорного преобразователя и двигателя; Яя, Ея — сопротивление и индуктивность якорной цепи; /, / с— ток двигателя и ток, пропорциональный моменту статического

где k\,.ki — коэффициенты пропорциональности; 1)у— управляю­ щее напряжение тиристорного преобразователя;

в) объекта регулирования

Jr — f (v) при s = const;

г) экстремального регулятора

где k3— коэффициент пропорциональности; Д — порог чувстви­ тельности реле;

д) задатчика скорости

где ki — коэффициент пропорциональности.

181

На рис. 97, а показана схема аналоговой модели СЭР метал­ лорежущего станка, составленная на базе представленных выше уравнений. На вход системы подается задающее напряжение U3. Тиристорный преобразователь представлен операционным

Рис. 97. Аналоговая модель экстремальной системы (а) и осциллограм­ ма ее работы (б)

усилителем 1, нелинейным блоком БН1 типа «ограничение» и интегратором 2. Приводной электродвигатель описывается ин­ теграторами 3, 4 и инвертором 5. Масштабные коэффициенты схемы подбирают таким образом, чтобы на выходе интегра­ тора 4 получался сигнал, эквивалентный скорости резания V . Этот сигнал поступает на вход нелинейного_ блока БН2, модели­ рующего экстремальную характеристику J= f(v ) . Нелинейный блок БНЗ и интегратор 6 формируют на выходе, подключенном к обмотке двухпозиционного поляризованного реле РП, сигнал,.

182

Г л а в а VII

Системы ограничения параметров

1. Датчики активной мощности

Автоматизация многих технологических процессов в машино­ строении тесно связана с контролем основных силовых парамет­ ров (силы, крутящего момента, мощности), изменение которых управляет этими процессами. Контроль может быть выполнен электрическим за счет измерения нагрузки приводного электро­ двигателя.

Поскольку значительное число металлорежущих станков при­ водится в движение трехфазными асинхронными электродви­ гателями с короткозамкнутым ротором, возникает задача по­ строения рационального датчика активной мощности.

В гл. II частично был рассмотрен вопрос применения функ­ циональных устройств, позволяющих путем точного перемноже­ ния двух сигналов получить напряжение, пропорциональное активной мощности. Однако во многих случаях для механизмов, приводимых в движение асинхронными электродвигателями, не требуется большой точности выходного сигнала, соответствую­ щего заданной мощности, не всегда является необходимым кон­ тролировать мощность в широком диапазоне и на первое место выдвигаются требования простоты и надежности в работе из­ мерительного устройства.

При этом могут быть использованы достаточно простые устройства, измеряющие активную мощность в определенном диапазоне ее изменения либо генерирующие управляющий сиг­ нал, который с гораздо большей точностью, чем полная сила

им. Свердлова для копировально-фрезерных станков [34]. Нагрузку асинхронного двигателя измеряют с помощью из­

мерительного трансформатора Т с двумя первичными обмот­ ками: токовой и напряжения. Токовая обмотка включена в рассечку фазы статора, а обмотка напряжения на фазное на-

* Рашкович М. П., Волоценко П. В., Мейстель А. М., Шапарев Н. К.

Устройство для получения электрического сигнала. «Бюллетень изобретений». Ает. свид. № 155208. Кл. G 05в; 21С, 1963, № 12, 3 с.

184

пряжение последовательно с емкостью. Такое включение обес­ печивает требуемый начальный сдвиг фазы между намагничи­ вающими силами первичных обмоток. Результирующий магнит­ ный поток Fv в сердечнике трансформатора Т определяется геометрической суммой намагничивающих сил первичных об­ моток. Намагничивающая сила токовой обмотки при увеличе­ нии нагрузки возрастает по величине и изменяется по фазе. В результате взаимодействия намагничивающих сил первичных обмоток напряжение на вторичной обмотке трансформатора из­ меняется с большей крутизной, чем при изменении лишь токо­ вой составляющей.

Рис. 98. Принципиальные схемы датчиков мощности

г)

На рис. 98, в показана схема контроля нагрузки асинхрон­ ного электродвигателя, в которой применено двухобмоточное реле, срабатывающее в функции тока, напряжения и коэффи­ циента мощности. Для этого одна из обмоток реле включена на выпрямленную разность между сигналом, пропорциональным линейному напряжению на обмотках двигателя, и сигналом, про­ порциональным фазному току двигателя, а вторая обмотка,, служащая для задания мощности, включена на часть линейного напряжения, причем для регулировки ее уставки последова­ тельно с ней может быть включено сопротивление.

В Одесском специальном конструкторском бюро специальных станков разработано устройство [45], действие которого осно­ вано на векторном суммировании сигналов, пропорциональных току и напряжению двигателя (рис. 98,г). Активное сопротив­ ление R, с которого снимается сигнал, пропорциональный на­ грузке, включено в цепь вторичной обмотки трансформатора Т, подсоединенной на фазное напряжение сети, а первичная об­ мотка трансформатора включена в цепь одной фазы статора асинхронного двигателя АД. Сила тока в резисторе R обуслов­

лена суммой векторов силы тока / и напряжения U и изме­ няется с большей крутизной, чем составляющая полного фаз­

18 5

ного тока двигателя. Мощность, потребляемая асинхронным электродвигателем из сети:

Р = зОф/ ф = Зиф/ ф cos ср.

Приращение скалярного произведения векторов

АР = d (ЗНф /ф) = 3//ф d/ф -f- 3/ф d^/ф.

Таким образом, для определенных исходных значений силы тока /ф и напряжения f/ф, при которых настройкой добиваются равенства сигналов f/T= HH, справедливо соотношение

АР ^ k (Амт + Аия).

Следовательно, приращения силы тока и напряжения, взя­ тые с коэффициентами, соответствующими настроенному значе­ нию мощности, и просуммированные, дают приращение мощ­ ности.

Схемы, построенные на указанном принципе действия с ис­ пользованием стандартной электроаппаратуры, приведены на

Для исключения влияния асимметрии питающего напряже­ ния на точность контроля необходимо измерять полную актив­ ную мощность двигателя. Эта задача может быть решена с помощью устройства (рис. 99, г), построенного на базе описан­ ного. Схема этого устройства реализует схему двух ваттметров (работа плеч устройства аналогична работе схемы рис. 99,а). Суммарный магнитный поток измерительных обмоток поляри­ зованного реле Р пропорционален полной активной мощности двигателя. Магнитный поток третьей отбойной обмотки реле Р (на схеме не показана) направлен встречно суммарному потоку измерительных обмоток и пропорционален мощности, при кото­ рой должно сработать поляризованное реле и выдать команду в схему управления. Мощность, измеренная правым и левым пле­ чом схемы, может отличаться больше чем в 2 раза, при этом погрешность устройства не превышает 5%.

Если мгновенные значения сигналов, пропорциональных на­ пряжению и току, обозначить:

= £ „ f / M s i n c o / ;

vT= kT[M's\n (at — ф),

то мгновенное значение суммарного сигнала на выходе измери­ тельной схемы будет равно

Hi?, = i/2sin (at — ф2) ,

486

где

Uz = Y {Ки и? + { k j u f + 2 kakTUMI u cos Ф ;

*8Фт = ^Ф + kavM COS cp

Среднее значение выпрямленного напряжения, поступающе­ го на обмотку реле РП,

2и*

Uср

причем в зоне настройки, для которой справедливо соотношение

ит — ип — ^нб/м = &т/ м=

Рис. 99. Принципиальные схемы модификаций датчика актив­ ной мощности

187

последнее выражение можно записать так:

Здесь показана связь выходного сигнала измерительной схе­ мы с коэффициентом мощности. Сигнал датчика в окрестностях точки настройки инвариантен к изменению (в пределах ГОСТа) напряжения сети и пропорционален активной мощности. Вели­ чина погрешности при изменении активной мощности в пределах ±20% от настроенной не превышает 5%. Средняя чувствитель­ ность в рабочем диапазоне схемы составляет 0,01 В/Вт. Время срабатывания системы составляет 0,1 с, в это время входит работа поляризованного реле РП-7 и промежуточного реле РПН.

.2. Системы ограничения нагрузки в сверлильных станках

В автоматизированных станках сверлильной группы при обра­ ботке отверстий, глубина которых в 10 и более раз превышает диаметр сверла, необходимо предусматривать защиту последне­ го от поломки. Причиной выхода сверл из строя является воз­ растание крутящего момента, возникающее из-за забивки кана­ вок сверла стружкой. Для защиты сверл от поломок при глубо­ ком сверлении необходимо ограничить рост крутящего момента предельно допустимой величиной. В ЭНИМСе разработано устройство защиты инструмента от поломок [20], в котором на­ грузка на сверло контролируется по току электродвигателя привода главного движения. Параллельно фазам электродвига­ теля подключают конденсаторы, компенсирующие реактивную составляющую силы тока. .При этом реле тока, включаемое в одну из фаз электродвигателя, контролирует не полную силу тока, а активную ее составляющую, что определяет однознач­ ность контролируемого параметра в зависимости от измеряемой мощности при колебаниях напряжения сети.

При необходимости более стабильной и точной работы уст­ ройства ограничения нагрузки на сверло применяют датчики контроля мощности. На рис. 100 показана схема устройства контроля мощности конструкции ЭНИМСа, примененная на малогабаритной силовой головке ГСМ-03 для сверления отвер­ стий в среднеуглеродистой стали диаметром до 6 мм. В схеме использован принцип замены операции умножения операцией алгебраического суммирования. Работает схема следующим об­ разом. В одну из фаз электродвигателя А Д привода главного движения включен трансформатор тока ТТ, напряжение вто­ ричной обмотки которого после повышения в трансформаторе ТП и выпрямления подается на резистор 1R и суммируется с напряжением, действующим на сопротивлении 2R и пропорцио­ нальным фазному напряжению двигателя. Результирующее

Ш

напряжение подается на обмотку реле Р. Последнее отрегули­ ровано на определенное стабильное напряжение срабатывания. Для повышения точности работы устройства параллельно фа­ зам электродвигателя включены емкости, компенсирующие ре­ активную составляющую тока. Применение описанного устрой­ ства позволяет автоматизировать процесс глубокого сверления ■и повышает его производительность на 20%•

В Одесском специальном конструкторском бюро специаль­ ных станков разработано устройство, в основу которого положен

действующее значение снимаемого с него напряжения было равно действующему значению напряжения на резисторе Дт. При такой настройке чувствительность устройства контроля активной мощности будет наибольшая, а погрешность мини­ мальная. Далее выбирают такое положение регулятора рези­ стора R^, чтобы при заданной нагрузке реле Р втягивало бы свой якорь. При этом через обмотку реле Р будет протекать ток, обусловленный разностью между напряжением, пропорцио­ нальным активной мощности, и опорным напряжением, снимае­ мым с резистора Rp.

3. Системы ограничения подачи в шлифовальных станках

Существенным фактором повышения производительности шли­ фовальных станков является автоматический контроль контакта шлифовального круга с деталью. Особое значение подобный контроль приобретает при работе станков по автоматическому и полуавтоматическому циклам. В момент контакта контрольное устройство должно подать команду на прекращение подачи или на переход с ускоренной на рабочую подачу. Отказ или неточ­ ное срабатывание контрольного устройства может привести к

•браку, а в отдельных случаях — к разрыву шлифовального кру­ га. Поэтому к устройствам контроля контакта шлифовального '.круга с деталью предъявляют требования максимальной на­

189

дежности и точности. Устройство должно быть простым в на­ ладке и эксплуатации и удобным для встройки в станок.

Контроль контакта шлифовального круга с деталью осу­ ществляют путем измерения ряда параметров станка, изменяю­ щихся в начальный момент резания. Контроль по изменению' параметров двигателя основан на измерении полного тока, ак­ тивного тока или активной мощности электродвигателя привода вращения шпинделя при контакте шлифовального круга с де­ талью. Контроль касания по изменению полного тока произво­ дится максимальными реле, включенными непосредственно или через трансформатор тока в сеть статора электродвигателя. По­ добный контроль применен на плоскошлифовальном станке 3756 МСЗ, выпускаемом заводом «Красный пролетарий».

Одним из недостатков контроля касания но току двигателя' является неоднозначность силы тока в функции активной мощ­ ности, которая зависит от напряжения сети и cos ср, а также не­ постоянство в процессе работы станка силы тока холостого ходадвигателя, относительно которого задают уставку срабатыва­ ния максимального реле. Контроль контакта в функции прира­ щения тока позволяет свести к минимуму влияние изменения в; процессе работы силы тока холостого хода двигателя. Это осу­ ществляется путем выпрямления и последующего дифференци­ рования сигнала, пропорционального силе тока двигателя. Контроль контакта в функции активной мощности учитывает изменение не только силы тока, но и напряжения сети и cos ф. Схема контроля контакта шлифовального круга с деталью поизменению активной мощности внедрена на шлифовальном ав­ томате ВШ-230, выпускаемом Витебским станкостроительным заводом им. Кирова. В схеме поляризованное реле суммирует магнитные потоки, пропорциональные силе тока и напряжению: двигателя [45].

В Одесском специальном конструкторском бюро специаль­ ных станков разработана схема регистрации «всплеска» актив­ ной нагрузки асинхронного электродвигателя [7]. Работа изме­ рительной схемы датчика мощности основана на векторном сло­ жении сигналов (см. рис. 99,а, б). При правильной настройке схемы сигнал на выходе выпрямительного моста 1Д инвариан­ тен к изменению напряжения сети в пределах ГОСТа, т. е. на + 54— 10%. Для того чтобы выходной сигнал однозначно зави­ сел от нагрузки, должно выполняться следующее условие:

1УвыХ= (U + АД) + k2(/ + А/) = const при М = const.

Недостатком устройства при непосредственном использова­ нии его в системе контроля контакта шлифовального круга с деталью является чувствительность к изменению активной мощ­ ности холостого хода двигателя. Для предотвращения ложных включений приходится смещать точку срабатывания реле е зону больших мощностей, увеличивая ампер-витки встречно вклю-

190