Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Средства гидропневмоавтоматики

7.7. Датчики физических параметров с применением элементов струйной техники

На рис.7.22 показан струйный генератор,частота колебаний которого зависит от тем­ пературы. Он представляет собой бистабильный струйный элемент, каждый из выходов которого замкнут через канал 1 отрицательной обратной связи на соответствующий вход элемента. Частота струйного бистабильного генератора колебаний:

Для создания датчиков параметрического типа широко используются акустико­ пневматические преобразователи (АПП) в сочетании с резонатором Гельмгольца. Ос­ новная их схема показана на рис 7.23. Чувствительный элемент датчиков состоит из из­ лучателей звука 1 , струйного элемента типа "сопло-сопло" 2 с ламинарной питающей струй и резонатора. Струйный элемент на рисунке встроен в горло резонатора. Возмож­ ны другие варианты сочетания струйного элемента с резонатором.

Использование схемы на рис.7.23 а может идти по трем направлениям: изменение ге­ ометрических размеров полости резонатора (обычно длины), изменение физических свойств газа внутри резонатора и изменение поглощения звука между излучателем и ре-

Рис. 7.24.

Параметрические датчики, основанные на изменении параметров струи между излучателем и приемником звука.

НИИ fo резонатора основана работа пневмоакустического резонатора (рис.7.23),посколь­ ку fo пропорциональна скорости звука. Исследуемая газовая смесь через фильтр-осуши­

тель 1, термостат 2 и редукционный клапан 3 поступает в питающий канал 4, из кото­ рого струя вытекает в полость резонатора 5 и воспринимается приемным каналом 6. Вы­ ходное давление измеряется измерительным прибором 7. Через горло резонатора газо­ вая смесь вытекает нарушу.

На изменении звукоизоляции основШа схема пневмоакустического измерителя тол­ щины или акустического сопротивления какого-либо материала, помещенного между излучателем и резонатором (рис.7.24,а). На рис. 7.24 приведена схема пневмоакустичес­ кого датчика,позволяющая измерить ряд параметров окружающей среды. Струйный ис­ точник звука 1 (СИЗ), а акустикопневматический преобразователь (АПП) 2, настроен­ ные на одну и ту же частоту звука,расположены на расстоянии / друг от друга. Выход­ ное давление преобразователя, усиленное усилителем 3 поступает на измеритель 4 и ис­ точник звука 1.3вук от СИЗ.турбулизует струю в АПП,/»д падает и прекращается пита­ ние СИЗ. При прекращении звука ламинарный характер восстанавливается,растет рв и

восстанавливается питание СИЗ.Частота колебаний давления после усилителя зависит от параметров линии связи,т.е. от расстояния / и от скорости звука,а,следовательно,от температуры среды и ее физических свойств.

Глава 8.

Синтез пневмогидравлических дискрешых систем управления

8.1. Основные понятия и определения.

На мобильных машинах, роботах, технологических машинах-автоматах широко при­ меняются автоматические системы, в которых все рабочие операции выполняются без непосредственного участия человека. Система управления состоит из объекта управле­ ния,исполнительных органов,управляющей части и контролирующих устройств. Систе­ ма может иметь автономную энергетическую часть (источник питания и устройства очистки рабочей среды), или подключаться к централизованному источнику питания.

Объектом управления называется устройство, в котором осуществляется управление рабочим процессом. Объектом управления может быть как машина в целом (например, автомобиль, робот,технологический объект),так и ее составная часть (например, двига­ тель внутреннего сгорания,рука автоматического манипулятора,тормозное устройство).

Исполнительные органы оказывают непосредственное воздействие на объект управ­ ления в соответствии с алгоритмом управления. В качестве исполнительных органов в гидропневмосистеме применяются цилиндры,поворотные двигатели,мембранные каме­ ры. Исполнительные органы бывают двухпозиционные и многопозиционные.

Управляющая часть включает в себя контролирующие устройства, распределители и логический блок управления (БУ). Распределители служат для соединения рабочих по­ лостей исполнительных органов либо с источником давления рабочей среды, либо со сливной магистралью (выходом в атмосферу). Переключение распределителей из одной позиции в другую осуществляется под действием внешних сигналов, поступающих от БУ. Эти сигналы могут быть различными по физической природе - пневматическими, гидравлическими, электрическими, механическими.

БУ образуется набором различных логических устройств, соединенных между собой каналами связи. В состав БУ входят отдельные функциональные устройства (субблоки), выполняющие специальные логические операции, или отдельные функциональные за­ дачи, например, субблок последовательности операций,субблок выходов,субблок задер­ жек. К БУ поступают сигналы от контролирующих устройств и от пульта управления. С пульта управления могут подаваться сигналы на БУ как в рабочем,так и в наладочном режиме. Кроме того на пульт управления могут поступать сигналы от БУ,например,сигналы индикации номеров операций, результатов измерения рабочих процессов.

К контролирующим устройствам относятся различного вида датчики, конечные вы-

134 Глава 8

ключатели,преобразователи.Контролирующие устройства воспринимают параметры ра­ бочего процесса и генерируют сигналы, поступающие в БУ. Часто в системах управле­ ния датчики (конечные выключатели) фиксируют перемещение исполнительных орга­ нов и подают соответствующие сигналы в БУ.Этим осуществляется обратная связь в си­ стеме управления по положению. По способам контроля выполнения команд различа­ ют виды управления —управление путевое,в функции давления,временное,смешанное. Может осуществляться также контроль по давлению, по времени.

По характеру передаваемых сигналов системы управления подразделяются на непре­ рывные (аналоговые) и дискретные.

Внепрерывных (стабилизирующих, следящих) системах нет жестко фиксированных положений исполнительных органов, положение исполнительного органа обуславлива­ ется уровнем давления воздуха или жидкости, подаваемой в него. В дискретных систе­ мах исполнительные органы имеют фиксированные рабочие положения и применяется управляющая аппаратура с релейными характеристиками. Сигналы управления в дис­ кретных системах принимают одно из двухзначений: "Г (есть давление*) и "О" (нет дав­ ления). Вдискретной системе управления могут применяться отдельные элементы не­ прерывного действия.

На рис. 8.1 показана схема простейшей системы управления, в которую входят три

выходные сигналы yj, y'j, у2, эти сигналы управляют распределителями PI, Р2, РЗ, ко­ торые подключены к рабочим полостям цилиндров. Сигналы у,, у'], У2 и т.д. также, как и входные сигналы xj,x'j, ... по физической природе могут иметь различный вид. В пневматических устройствах эти сигналы реализуются в виде давления воздуха, а в эле-

’ Здесь понимается избыточное давление

ктрических- в виде электрического напряжения. В дискретных системах входные (*) и выходные О) сигналы, как известно, могут принимать одно из двух возможных значе­ ний; "1" или "О".

Сигналы,поступающие с пульта управления на БУ в рабочем режиме,обозначаются через а,а в наладочном режиме через (рис. 8.1). Для индикации номеров операций и регистрации результатов измерения параметров рабочего процесса на пульте управле­ ния на последний поступают из БУ сигналы /.Взаимосвязь БУ и пульта управления мо­ жет осуществляться с помощью пневматических, элеюрических и других сигналов.

8.2. Техническое задание и режимы работы системы управления.

При проектировании системы управления и, в частности,логического блока управ­ ления (БУ) необходимы полные сведения об объекте управления и режимах его рабо­ ты. Эти сведения отражаются в техническом задании на систему управления и содержат:

1 ) назначение системы управления,характер производства и техническая характери­ стика автоматизируемого объекта;

2 ) порядок (последовательность) работы исполнительных органов объекта в любой форме (словесно,в виде таблицы,циклофаммы,тактограммы,графа операций и т.п.);

3) режимы управления —автоматический,полуавтоматический,наладочный,а также воздействия на объект при наладочном режиме;

4) условия эксплуатации системы управления и вид аппаратуры управления, а так­ же сведения об источниках питания (пневматических, гидравлических или электричес­ ких);

5) способ контроля выполнения команд,тип контролирующих и исполнительных ус­ тройств, требования к точности контроля;

6 ) схема размещения технологических агрегатов, БУ и пульта управления с расста­ новкой на ней всех датчиков и исполнительных органов;

7) требования по охране труда и условия возникновения нерегулярных ситуаций с указанием того,что требуется предпринимать при их возникновении.

Техническое задание начинается с описания функций, которые должна выполнять система управления. После изучения объекта управления определяется количество,вид и взаимное расположение его степеней подвижности,форма и размеры рабочего прост­ ранства с указанием досягаемости объектом тех или иных точек рабочего пространства. Эти сведения, а также технические характеристики объекта и исполнительных органов заранее должны быть известны проектировщику системы управления.

Управление объектом обычно осуществляется в рабочем и наладочном режиме.В ра­ бочем режиме БУ выдает команды для выполнения заданной последовательности тех­ нологических операций, которая может быть жесткой или разветвленной. Если же каж­ дой операции всегда следует одна и та же операция,то такая последовательность назы­ вается жесткой; если же после какой-либо операции могут следовать две или более опе­ раций,то последовательность называется разветвленной. Рабочий режим является авто­ матическим, когда все операции осуществляются без вмешательства человека, или полу­ автоматическим, когда для реализации технологического процесса требуется периодиче­ ское вмешательство оператора.

Во время рабочего режима могут возникнуть аварийные и другие нерегулярные си­ туации. Возникновение нерегулярных ситуаций обычно сообщается оператору в виде звуковой или световой сигнализации, и оператор должен принять меры к устранению нерегулярной ситуации.Для этого чаше всего предусматривается режим ручного управ­ ления - воздействуя на исполнительные органы или другие механизмы системы,опера­ тор выводит объект из создавшейся ситуации.

Большинство нерегулярных ситуаций в машиностроении не влечет за собой аварий­

136 Глава 8

ных последствий, и поэтому БУ конструируется с учетом возможности остановки тех­ нологического процесса и отвода инструмента в исходное положение при возникнове­ нии нерегулярной ситуации. Причинами ее возникновения могут быть: отсутствие заго­ товок для обрабатываемых деталей, поломка инструмента или других деталей, чрезмер­ ные утечки воздуха или жидкости из системы управления и т.д.

Проектировщик БУ должен предусмотреть возможность воздействия оператора в на­ ладочном режиме на отдельные исполнительные органы с помощью органов ручного управления,устанавливаемых на пульте управления.

Общие технические требования к системам управления оговорены ГОСТ 18460-73 и ГОСТ 17411-72.Система управления должна обеспечивать возможность выбора необхо­ димого режима работы, перехода от автоматического управления на ручное, снятие и введение блокировок, возможность проведения наладочных и ремонтных работ с мини­ мальной затратой труда и с надежными мерами безопасности наладчика.

Требования по долговечности и надежности систем управления обеспечивают рядом технических решений - резервирование ряда элементов и субблоков, применение наи­ более надежных и долговечных устройств, диагностический контроль рабочих парамет­ ров отдельных блоков или системы. Следует иметь в виду, что использование однотип­ ной аппаратуры при проектировании БУ дает значительные эксплуатационные преиму­ щества, т.к. при этом упрощается ремонт, настройка, обслуживание. Система должна иметь минимальное число аппаратов.

БУ проектируются часто на базе пневматических элементов высокого (0,2 - 2,0 МПа)

ные элементы (0,0015-0,02 МПа), мембранные элементы (0,1-0,2 МПа). К элементам высокого давления относятся различного вида пневмоаппараты станков,роботов,техно­ логических линий, автомобилей, тракторов и других мобильных машин. Эти элементы функционируют при тех же давлениях, что и исполнительные пневматические органы (0,5-1,0 МПа).

Пневматические схемы системы управления выполняются по ГОСТ 2.704-76 и на них показываются все преобразователи и датчики, логические элементы,переключатели, исполнительные органы, распределители, контрольно-регулирующая аппаратура. Если используется индивидуальная питающая часть, то на схеме изображается также ком­ прессор, редукционные пневмоклапаны,фильтры и маслораспылители,регуляторы дав­ ления, защитные клапаны. На принципиальных схемах изображаются линии связи меж­ ду элементами. На схемах часто приводятся тактограммы (или циклофаммы) работы системы и таблицы взаимосвязи входных и исполнительных устройств.

Система управления должна иметь защиту от перегрузок,должна обладать помехоус­ тойчивостью,т.е. должна нормально работать при вибрациях,допустимых ударах, колеба­ ниях давлений воздуха, колебаниях температуры, при радиации и т.д. По технике безо­ пасности проектируемая система должна удовлетворять требованиям ГОСТ 12.3.001-73 и ГОСТ 16028-70.

8.3. Формализованное описание рабочего процесса.

Последовательность технологических операций может быть задана в виде тактограм­ мы или циклограммы,таблицы состояний (включений), графа операций,

На тактограмме весь цикл движения исполнительных органов разделен на отдельные такты движения.Тактом движения называется промежуток времени, в течение которого комбинации выходных и входных сигналов, присущих только одному такту,остаются не­ изменными. Если весь цикл технологического процесса изображается в непрерывном

детали (Z/2 ),b третьем —снятие и перемещение детали по окружности в горизонталь­ ной плоскости или же по вертикальной прямой (Ц3),ъ четвертом - опускание захватом детали {Ц2),ъ пятом - возвратное движение (втягивание) руки Щ1) и в шестом - воз­ вратное вращательное (или вертикальное прямолинейное) перемещение руки в исход­ ное положение (/Ц). После выполнения операции в шестом такте цикл повторяется.

На тактограмме (рис. 8.2) показаны значения (1 или 0) входных сигналов дс,- на на­ чальной фанице каждого такта, комбинации которых определяют условия перехода от одного такта к другому. Будем эти сигналы, поступающие от выключателей в крайних положениях подвижных частей исполнительных органов,называть граничными (устойчи­

выми).

Во время перемещения поршня /-го цилиндра из одного крайнего положения в дру­ гое входные сигналы дс,- и х'- чаще всего равны нулю,так как оба конечных выключате­ ля в это время (в промежутке между граничными положениями) не нажаты. Следова­ тельно, в промежутке между крайними положениями поршня (внутри такта) комбина­ ции входных сигналов отличаются от комбинаций фаничных сигналов. Эти сигналы внутри такта являются неустойчивыми и называются промежуточными.

Б конце цикла все исполнительные органы занимают исходные положения и все фа-

138 Глава 8

ничные исходные сигналы принимают те же значения, которые были в начале цикла. Исполнительные органы могут работать последовательно,как показано на рис. 8.2,и

параллельно-последовательно.Если,например,такты 5и 6 объединить в один пятый такт (одновременное вращательное и поступательное перемещение руки в исходное положе­ ние),то число тактов уменьшится и исполнительные органы Щ и ЦЗ в пятом такте бу­ дут работать параллельно.По технологическим условиям может оказаться невозможным обратное вращательное движение руки (ЦЗ) пока деталь не будет убрана из рабочего пространства. В таком случае возможно понадобится применение устройства задержки пневматических сигналов (устройства запаздывания).

Часто на тактограмме или циклограмме переход от одной операции к другой обо­ значается криволинейной или прямолинейной стрелкой,как показано,например,в кон­ це первого такта на рис. 8.2, чтобы подчеркнуть, что движение поршня Ц2 во втором такте должно начинаться только в результате появления входного сигнала

только поршень Zf/ начинает перемещаться и сигнал Х/,поступающий от левого выклю­

Значения входных сигналов в таблице соответствуют граничным значениям этих сигна­ лов. Сигналы х',, х'2, х'з не проставлены в таблице,так как их значения противополож­ ны (инверсны) сигналам Xj, jc^, Xj и комбинации промежуточных входных сигналов не совпадают с комбинациями граничных входных сигналов.

При заполнении нижней части таблицы необходимо установить,какие состояния яв­ ляются рабочими,запрещенными или безразличными. Рабочим (обязательным) состоя­ нием называется такое состояние, при котором функция равняется единице 0 =/) при определенной комбинации входных сигналов. Состояние, при котором функция равня­ ется нулю,называется запрещенным. Если же функция у может принимать при той или иной комбинации входных сигналов любое состояние (О или 1) и это не влияет на ра­ боту системы,то такое состояние называется безразличным. Безразличное состояние в таблице состояний обозначается черточкой. Например, в тактах 2 - 4 состояние сигнала у(безразличное, так как распределитель Р1 триггерного (двустороннего) типа и его воз­ вращение в исходное положение возможно только при появлении управляющего сиг­

к устройствам триггерного типа и их переключение в положение "вперед" происходит только при появлении сигнала У)=1 и при y'i=0, а обратное переключение в положение "назад" - только при у^=0 и y't=I. Заметим,что распределители с возвратной пружиной и односторонним воздействием на него управляющего сигнала относятся к устройствам

релейного действия (односторонним).

Если в системе управления согласно рис. 8 .1 вместо распределителей двусторонних применить односторонние распределители,то необходимость в управляющих сигналах j»'; отпадет и нижняя часть таблицы 8 . 1 изменится и примет вид, показанный в таблице 8.1,а. В таком случае безразличных состояний не будет и появится необходимость удер­ живать в течение нескольких тактов отдельные выходные сигналы равными единице (например,3',= / в тактах 1 - 4).

Условия переключения системы из одного состояния в другое (перехода от одного такта к другому) могут быть представлены также ввиделогических уравнений (см.разд. 8;4).Для каждого такта, в котором та или другаяфункция (сигнал управления) равня­ ется единице,записывается для данной функции уравнение,причем в правой части фор­ мулы пишется конъюнкция (логическое умножение) всех граничных аргументов (х;). Например,для системы управления (рис.8.1) с двусторонними распределителями (триг­

выражения примут другой вид,так как в таком случае в уравнениях необходимо учесть еще комбинации промежуточных входных сигналов и комбинации входных сигналов во всех тактах, в которых выходной сигнал должен быть обязательным.

Можно последовательность операций представлять также в виде ориентированного графа,называемого графом операций. Вершина графа операций А/ обозначает технологи­ ческую операцию (такт движения),условие перехода от одной операции к другой изоб­ ражается ребром графа (линией, соединяющей две вершины), при этом стрелка на реб­ ре указывает последовательность перехода от одной операции к другой (см.рис.8.3).Воз­ ле вершины графа записываются те воздействия на исполнительные органы, которые изменились при переходе от предыдущего такта к настоящему. При построении графа должно соблюдаться правило: сколько раз воздействие на каждый исполнительный ор-