4.6. Датчики обратной связи в системах чпу

Числовое программное управление коор­динатными перемещениями с достижением при этом необходимой точности обеспечивает­ся благодаря соответствующим устройствам обратной связи по положению, объединяемым общим названием "системы дистанционного отсчета". По принципу измерения они разде­ляются на две группы: 1) системы с абсолют­ными датчиками положения; 2) системы с циклическими датчиками положения.

В системах первой группы для каждого десятичного разряда отсчета перемещения обычно служит свой датчик положения, цена деления которого соответствует данному раз­ряду. Системы второй группы содержат один циклический датчик (датчик точного отсчета), и результат во всех разрядах отсчета формиру­ется путем подсчета числа циклов датчика.

Рис.4.21. Схема бесконтактного линейного сельсина

Системы первой группы устойчивы к сбоям и перерывам в работе и могут функцио­нировать при более высоких скоростях пере­мещений подвижных узлов станка.

Системы второй группы конструктивно более просты, но предъявляют повышенные требования к быстродействию считывания и переработки измерительной информации (особенно при больших скоростях перемеще­ний), менее устойчивы к сбоям и перерывам в работе и обладают свойством сохранять и на­капливать ошибки отсчета.

По типу измерительной информа­ции датчики положения, входящие в системы, делятся на дискретные (импульсные) и анало­говые (чаще всего фазовые).

По конструкции измерительного устройства различают круговые и линейные датчики положения .Наибольшую точ­ность могут обеспечить линейные датчики (типа линейного сельсина или индуктосина), которые монтируют непосредственно на под­вижных узлах станка. Круговые датчики (вращающиеся сельсины, иначе называемые вращающимися или поворотными трансфор­маторами) устанавливают на каком-либо узле кинематической цепи подачи, обычно на ша­риковом ходовом винте. Они могут приво­диться во вращение также от измерительной рейки, закрепленной на подвижном уале, че­рез связанное с рейкой зубчатое колесо. В этом случае на точность измерений влияют погрешности кинематической цепи между подвижным узлом и датчиком.

В системах первой группы применяются в основном круговые кодовые датчики поло­жения. Датчики же, выдающие информацию по одному каналу в виде серии импульсов, число которых пропорционально величине перемещения, применяются главная образом в системах второй группы. Среди аналоговых датчиков, используемых в системах, относя­щихся к обеим группам, наиболее распростра­нены фазовые датчики положения.

Характерным примером аналогового фа­зового датчика, применяемого в станках, мо­жет служить круговой (обычно пятидекадный) абсолютный датчик положения с измеряемым перемещением до 10000 мм, в котором с по­мощью измерительной зубчато-реечной пары приводятся во вращение бесконтактные сель­сины. Между сельсинами соседних декад уста­новлен редуктор с передаточным числом 10. Такие датчики применяются в ряде типовых приводов подач станков с ЧПУ.

В качестве датчика точного отсчета может использоваться также линейный датчик, рабо­тающий в фазовом режиме. Характерным примером таких датчиков является бескон­тактный линейный сельсин (рис.4.22), со­стоящий из рейки Р с прямоугольными зубья­ми и измерительной головки Г, устанавливае­мых соответственно на неподвижном и пере­мещаемом узлах станка.

На измерительной головке имеется трех­фазная обмотка (Ci-1-Г; 02-2-2"; С₃-3-3"), причем каждая фаза охватывает третий по счету зубец. Магнитная проводимость каждого из ее зубцов меняется по закону, приближаю­щемуся к синусоидальному.

При подаче на обмотку В синусоидаль­ного напряжения с амплитудой £/щах и пере­мещении головки на величину х в фазах Cj, Ci, С3 индуцируются синусоидальные ЭДС, амплитуды которых изменяются по косину- синусоидальному закону.

Фаза этих напряжений изменяется на 180° при переходе через нулевое положение. Такой режим работы называется трансформа­торным.

При подаче синусоидального напряже­ния на трехфазную обмотку головки образует­ся бегущее магнитное поле, а в ее однофазной обмотке индуцируется ЭДС, фаза которой изменяется по линейному закону: Ф = 2юс / Sр . Этот режим работы называется режимом фазовращателя.

Другим распространенным типом датчи­ков являются линейные и круговые индуктосины. Датчик такого типа состоит из двух шкал, одна из которых установлена на под­вижном, а другая - на неподвижном узлах станка. Шкала представляет собой пластину из изоляционного материала, на которую печат­ным способом нанесены обмотки с витками прямоугольной формы (рис.4.21). На одной шкале имеется одна обмотка 1 с шагом S, на другой - две обмотки 2 и 3, сдвинутые по от­ношению друг к другу на S/4. При подаче на обмотки 2 и 3 синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 90°, образуется бегущее магнитное поле, и в обмотке / индуцируется ЭДС, фаза которой ср = 2кх / S , где X - пе­ремещение шкалы.

Отдельным видом систем дистанцион­ного отсчета являются устройства цифровой индикации (УЦИ). Как правило, они шестираз­рядные и базируются на циклических (фазовых) датчиках положения. Принцип ра­боты подобного УЦИ заключается в следую­щем. Измеряется разность фаз между опорным сигналом (напряжением) и выходным сигна­лом датчиков младших разрядов. Затем вре­менной интервал, соответствующий этой раз­ности, преобразуется в дискретную величину (операция квантования), имеющую вид числа, записанного в один или два младших разряда УЦИ. После этого формируются показания в старших разрядах УЦИ путем подсчета (с по­мощью реверсивных счетчиков) числа импуль­сов, возникающих в моменты совпадения фаз опорного напряжения и выходного сигнала датчика. Обычно это происходит через каждый миллиметр перемещения узла станка.

Основными компонентами УЦИ являют­ся: 1) блок опорного сигнала, генерирующий сигналы прямоугольной формы с рядом фик­сированных частот; из этих сигналов форми­руется трехфазное напряжение для питания сельсинов, а также для управления вводом и выводом информации; 2) блок согласования, осуществляющий квантование непрерывно изменяющейся разности фаз на выходе датчи­ка, т.е. ее преобразование в скачкообразно изменяющееся напряжение; 3) блок формиро­вания, производящий формирование базы отсчета (т.е. начального значения показаний) и импульсов отсчета целых шагов (милли­метров), выдачу этих импульсов на блок ре­версивных счетчиков старших разрядов УЦИ, определение знака направления перемещения узла и выполняющий некоторые другие функ­ции.

Устройства подобного типа используются как автономно для цифровой индикации

по­ложения рабочих органов на станках с ручным управлением, так и для управления приводами в режимепозиционирования на станках с ЧГ1У. На основе этих же принципов измере­ний с использованием линейных либо круго­вых датчиков обратной связи создают следя­щие электроприводы с цифровым управлени­ем. Последние в сочетании с системой ЧПУ способны полностью заменить электрогидрав­лические шаговые приводы, что особенно эф­фективно при использовании высокомоментных электродвигателей, соединяемых непо­средственно с шариковым ходовым винтом без промежуточных кинематических звеньев.

Рис. 4.22. Схема линейного индуктосина

1