4.3.4 Следящий привод

Следящий привод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования замкнутую по положению. В состав этой системы входит регулируемый электропривод с электродвигателем и датчиком скорости, система управления приводом и питания датчиков положения от УЧПУ, механическая передача, охваченная обратной связью по положению. Механическая передача, не охваченная обратной связью по положению, не является звеном следящего привода и оказывает на него возмущающее воздействие в виде дополнительного момента нагрузки и момента инерции.

Следящий привод предназначен для преобразования электрического сигнала малой мощности в пропорциональное перемещение рабочего органа, для чего требуется значительно большая мощность. Привод преобразует информацию, поступающую от устройства управления, в перемещение механизма и выполняет функцию превращения электрической энергии в механическую.

Следящий привод является устройством, от которого в значительной степени зависит качество работы станка: точность обработки и качество поверхности, производительность, надежность и стоимость. Основными параметрами привода являются мощность, скорость (до 10-15 м/мин), точность (0,001 мм), быстродействие, плавность перемещения.

Следящий привод применяется в позиционных системах для обеспечения малой погрешности установки координат в заданную точку за возможно меньшее время.

В контурных системах следящий привод обеспечивает непрерывное управление переменными скоростями движения рабочих органов при значительной мощности и высокой точности перемещений по нескольким координатам одновременно.

Структурная схема следящего привода приведена на рис. 4.8.

Следящий привод состоит из исполнительного двигателя (Д) того или иного типа, усилителя мощности (УМ), снабжающего двигатель энергией, регулируемой в широких пределах, датчика обратной связи (ДОС), преобразующего фактическое положение Х₂ (или угол поворота) рабочего органа (РО) в электрический сигнал Е_ос, строго пропорциональный этому положению, и сравнивающего устройства (УС), которое сравнивает сигнал ДОС с входным управляющим сигналом Е_вх (или Х₁). Силовой преобразователь СП применяется при использовании двигателя постоянного тока и превращает переменное напряжение в регулируемое постоянное на якоре двигателя.

Сигнал на входе РО равен разности сигнала управления и обратной связи от ДОС. Например, при любом незапрограммированном возмущении объекта, вызывающем увеличение выходного параметра, растет сигнал отрицательной обратной связи, что приводит к снижению входного сигнала, а, следовательно, уменьшению выходного параметра. Таким образом, автоматически поддерживается значение выходного пар аметра на заданном уровне с определенной точностью.

Обратная связь по скорости, осуществляемая тахогенератором (ТГ), обеспечивает точность управления, снижая зону нечувствительности и влияние различного типа нелинейностей, а также увеличивает жесткость механической характеристики привода.

Регулируемый привод (без обратной связи по положению) служит для обеспечения необходимой скорости РО, пропорциональной входному сигналу . Регулируемый привод является неотъемлемой частью следящего привода, образуя его внутренний контур, замкнутый по скорости. Этот привод может применяться отдельно для главного движения.

Применяемые электродвигатели

Наиболее важным требованием к двигателям, применяемым в приводах подач, является возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне, вплоть до самых маленьких скоростей, измеряемых в долях оборотов в минуту. Кроме того, двигатели должны выдерживать кратковременные перегрузки, обеспечивающие высокое быстродействие привода, иметь малые габаритные размеры и массу, удобно встраиваться в станок.

В приводе подач в качестве двигателя используют двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока с частотным регулированием.

Двигатели постоянного тока

Наибольшее распространение в приводах подач получили двигатели постоянного тока.

В электромеханических системах с высокоскоростными двигателями (n3000 об/мин) с большим собственным моментом инерции достаточно просто обеспечивается устойчивость по управляющему воздействию и невысокая чувствительность к колебаниям нагрузки вследствие высокого демпфирования и небольшой собственной частоты самого двигателя.

Низкоскоростные двигатели (n1000 об/мин), устанавливаемые непосредственно на ходовой вал, обеспечивают несколько большее быстродействие, так как момент инерции ходового винта с двигателем меньше приведенного момента инерции высокоскоростного двигателя, редуктора и ходового винта. Кроме того, низкоскоростные двигатели развивают большие моменты, чем высокоскоростные. Но они имеют большие габариты и массу.

Основным недостатком двигателя является наличие трущегося токосъемного щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и возможность работы в условиях агрессивных сред. Этот недостаток особенно ощутим при работе станка в условиях автоматизированной системы, так как наличие щеточно-коллекторного узла требует частых профилактических осмотров. Поэтому в настоящее время наиболее распространенными двигателем для приводов подач станков с ЧПУ становятся высокомоментные вентильные двигатели.

Высокомоментные вентильные двигатели постоянного тока

Под высокомоментным понимают двигатель, развивающий на выходном валу крутящий момент, достаточный для преодоления статических и динамических нагрузок привода подач.

Высокомоментные вентильные двигатели (ВМВД) – новые технические объекты - были задуманы и созданы для применения в регулируемых электроприводах. Техническим предшественником ВМВД является регулируемый электропривод постоянного тока, содержащий электронный усилитель мощности и высокомоментный коллекторный двигатель, работоспособность щеточно-коллекторного узла которого поддерживается посредством периодического ухода и ремонта.

В ВМВД функцию коллектора выполняет электронный коммутатор, работающий по сигналам датчика углового положения вала. В результате устраняется содержащий скользящие контакты малонадежный коллектор со щетками.

Появление высокоскоростных высокомоментных двигателей малых габаритов позволило значительно сократить механическую часть коробки подач, а в некоторых случаях полностью исключить ее. Устранение коробки подач привело к повышению мощности, повышению КПД, снижению момента инерции привода.

Основное их отличие – замена электромагнита постоянным магнитом. Это существенно улучшает характеристики двигателя и привода. Отсутствие обмотки возбуждения и ее нагрева позволило увеличить ток якоря, что повысило крутящий момент при тех же габаритах двигателя.

Появление таких двигателей стало возможным благодаря появлению дешевых высококоэрцитивных магнитных материалов с большой магнитной энергией для изготовления постоянных магнитов.

Эти двигатели связывают непосредственно с ходовым винтом. Вентильные двигатели с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов "железо-неодим-бор" в настоящее время остаются наиболее перспективными из всех типов электродвигателей, применяемых в современных регулируемых электроприводах малой и средней мощности.

Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ двигателя:

бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания;

высокое быстродействие, которое обеспечивается высокими значениями максимально допустимых вращающих моментов, превышающих номинальные в пять и более раз, а также малой электромагнитной инерционностью. Привод подач с высокомоментными электродвигателями позволяет выполнить разгон перемещаемого органа до максимальной скорости за весьма малое время (разгон до 10 м/мин за 0,25 с).

Магниты не размагничиваются при любом токе якоря, что дало возможность получить 10- 20-кратный момент при малых скоростях вращения, обеспечив высокое быстродействие, несмотря на большой момент инерции двигателя;

имеют практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более) и возможность регулирования частоты вращения по различным законам;

высокие значения углового ускорения в переходных режимах работы и равномерный ход при малых частотах вращения;

большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более);

наивысшие энергетические показатели. Показатели кпд вентильных двигателей превышают 90% и очень мало меняются при изменении нагрузки двигателя по мощности и при колебаниях напряжения питающей сети, в то время как у асинхронных электродвигателей максимальный кпд составляет не более 86% и зависит от изменений нагрузки. Это связано с отсутствием обмотки возбуждения и потерь в этих обмотках;

минимальное значение токов холостого хода и рабочих токов;

низкий перегрев вентильного электродвигателя увеличивает срок службы электропривода(наработка на отказ составляет 10000 ч и более), поскольку увеличивается ресурс изоляционных материалов, работающих при более низких температурах. Этот же фактор позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками;

минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях;

Недостатки высокомоментного двигателя:

частоту вращения невозможно регулировать изменением поля возбуждения;

при мощности более десятков ватт они уступают по габаритным размерам, массе и стоимости машинам электромагнитного возбуждения;

материалы, входящие в состав сплавов для постоянного магнита дефицитны, сложная технология изготовления и намагничивания постоянных магнитов;

Вентильные двигатели обеспечивают длительный момент крутящий в диапазоне 0,05-170 Нм, частоту вращение – 420-6000 об/мин, мощность – 0,07-67 кВт, масса 04-132 кг.

Регулирование их скорости происходит при постоянном моменте путем изменения напряжения на якоре и постоянном максимальном потоке возбуждения, создаваемом постоянным магнитом.

Двигатели переменного тока

Наряду с двигателями постоянного тока в настоящее время в узлах привода подач станков с ЧПУ находят всё более широкое применение асинхронные двигатели переменного тока с тиристорными системами управления.

Применение этих двигателей стало возможным благодаря развитию силовых полупроводниковых приборов. При этом обеспечиваются лучшие моментные характеристики.

Регулирование скорости асинхронного двигателя сложнее, так как требуется регулирование и напряжения и частоты тока на статоре по определенному закону.

Для использования в качестве двигателя привода подач станка с ЧПУ асинхронного двигателя переменного тока необходимо применение сложного и дорогого преобразователя переменной частоты. Поэтому такие двигатели не получили широкого распространения в приводах подач. Однако они достаточно эффективны в приводах главного движения, где требования к диапазону регулирования значительно более узкие, а частота вращения роторов двигателей и мощность выше.

Электродвигатель соединяется с механизмом подачи, например, с ходовым винтом, при помощи промежуточного редуктора с высокой кинематической точностью. Промежуточный редуктор должен обеспечивать безлюфтовую передачу крутящего момента от двигателя к ходовому винту.

Синхронные двигатели переменного тока

В последнее время ведутся широкие разработки по возможности использования в качестве двигателя привода подач станков с ЧПУ синхронных двигателей переменного тока. Синхронным или вентильным двигателям свойственны все регулировочные преимущества двигателей постоянного тока. В них щеточно-коллекторный узел заменен бесконтактным коммутатором на транзисторах или тиристорах. Регулирование скорости осуществляется изменением напряжения на статоре, так же как в двигателях постоянного тока.

В ентильный двигатель (рис. 4.9) состоит из статора с многосекционной обмоткой и безобмоточного ротора.

В вентильном двигателе секции статорной обмотки переключаются мощными ключами, транзисторами или тиристорами, управляемыми датчиком, расположенном на роторе. В данном случае обмотка состоит из 8 секций, переключаемых тиристорами – по два на каждую секцию для изменения направления вращения, которое производят изменением полярности питающего напряжения. Если ротор в начальный момент расположен так, как показано на рис., то открываются тиристоры 1 и 10 и ток в обмотке статора течет, образуя полюсы, расположенные перпендикулярно к полюсам ротора. Ротор стремится повернуться так, чтобы полюсы ротора и статора совпали.

Повернувшись на 45⁰, ротор с помощью своего датчика открывает ключи 3 и 12, и полюсы статора также поворачиваются на 45⁰. При непрерывном вращении ротора обмотки статора непрерывно переключаются, и полюсы ротора непрерывно «догоняют» полюсы статора с угловым отклонением, определяемым нагрузкой двигателя.

Погрешности следящего привода

Статическая погрешность следящего привода определяет погрешность многократной установки координаты УО в заданную точку, т.е. определяет стабильность (повторяемость) следящего привода. Эта ошибка складывается из зоны нечувствительности привода и из временных и температурных дрейфов различных элементов (усилителей, сравнивающих устройств и т.д.). Дрейф возникает из-за временной и температурной нестабильности элементов системы, при которой сигнал на выходе, например, усилителя постоянного тока возникает и изменяется случайным неконтролируемым образом при отсутствии сигнала на входе.

Наибольшее значение для следящего привода имеют динамические ошибки, возникающие при внезапном изменении скорости входного сигнала на большую величину за достаточно малое время, сравнимое со временем переходных процессов в приводе. Это происходит, например, при обходе угла контура по дуге окружности малого диаметра.

Для снижения статических ошибок необходимо увеличить коэффициент усиления всего СП по контуру главной обратной связи. Но при этом увеличивается динамическая ошибка.

Различают три вида погрешностей: скоростную, моментную и динамическую.

Скоростная или кинетическая погрешность определяется отставанием рабочего органа станка от заданного положения при установившемся движении с постоянной скоростью. Она прямо пропорционально скорости и обратно пропорциональна добротности по скорости.

Добротность – это коэффициент пропорциональности между скоростью и погрешностью. Это коэффициент усиления следящего привода выходной величиной которого является скорость, а входной – погрешность (рассогласование).

Скоростная ошибка прямо пропорциональна скорости и обратно пропорциональна коэффициенту усиления привода по скорости.

Моментная или нагрузочная погрешность определяется перемещением привода под действием момента нагрузки при отсутствии управляющего сигнала. Она прямо пропорциональна моменту нагрузки и обратно пропорциональна добротности по моменту.

Добротность по моменту определяется как отношение статического момента к углу поворота вала двигателя под действием этого момента.

Моментная ошибка уменьшается с увеличением коэффициентов усиления по скорости и моменту. Моментная ошибка является основной причиной появления в приводе зоны нечувствительности вследствие момента нагрузки, создаваемой трением в двигателе и кинематических элементах станка, и составляет обычно 0,25-0,5 номинального момента двигателя.

Динамическая погрешность возникает при наличии изменения заданной скорости движения или статического момента и определяется параметрами системы автоматического регулирования по отклонению между действительным и заданным положением рабочего органа в переходных режимах. Динамические погрешности накладываются на скоростную и моментную установившиеся погрешности при управляющем или возмущающем воздействиях. Динамическая погрешность возникает вследствие инерционности привода, не успевающего мгновенно отслеживать все изменения управляющего сигнала.

В системе ЧПУ управляющий сигнал изменяется не мгновенно, а по линейному закону со временем, превышающем время переходного процесса привода. При этом динамическая погрешность существенно снижается, а погрешность в переходных режимах практически не повышает суммарного значения скоростной и моментной погрешностей.

Скоростная и моментная погрешности влияют на точность обработки, динамическая погрешность – на точность и шероховатость. Чем больше быстродействие привода, тем меньше влияние динамической погрешности на шероховатость поверхности.

В следящем приводе максимальная точность обработки не всегда достигается при расположении ДОС на конечном звене. Охват обратной связью нелинейных механических узлов требует снижения добротности привода для обеспечения устойчивости и заданного качества. Снижение добротности ведет к росту погрешностей.