Что обеспечивает управление приводами подач

Приводы подачи

Назначение и основные функции приводов подачи станков. Привод подачи предназначен для обеспечения относительных перемещений заготовки и инструмента в режиме формообра­зования (контурная обработка) либо в режиме установочных перемещений (позиционирова­ние).

Существуют различные способы управле­ния приводом подачи: в ручном режиме, от путевой электроавтоматики, от устройства ЧПУ. Ручной режим и путевая электроавтома­тика используются, как правило, для управле­ния одним независимо работающим приводом подачи (например, при обточке цилиндриче­ской поверхности на токарном станке). Наи­более высокий уровень технологических воз­можностей станка обеспечивает управление приводом подачи от устройства ЧПУ, что свя­зано с повышенными требованиями к характеристикам элементов привода подачи. Поэтому изложенный ниже материал относится, в ос­новном, к приводам подачи, управляемым устройством ЧПУ.

Состав приводов подачи. Система приво­да подачи включает, как правило, следящий привод (часть системы, охваченная контуром обратной связи по пути), и не охваченную внешним контуром обратной связи по пути, часть механизма преобразования перемещений выходного вала двигателя (или штока цилинд­ра) в перемещения ИО.

В приводах подачи современных станков с ЧПУ используются электрический, электро­гидравлический, гидравлический и пневмати­ческий следящие приводы. Электрический привод обеспечивает удобство регулирования скорости в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием. Следящий электропривод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования с обязательной обратной свя­зью по положению одного или нескольких («полузамкнутый» следящий привод) элемен­тов механизма преобразования перемещений. В состав следящего электропривода конструк­тивно входят электродвигатель, силовой пре­образователь (питающий электродвигатель), регуляторы, обеспечивающие требуемое каче­ство регулирования, датчики обратных связей. Структурно следящий электропривод подачи станка содержит регулируемый привод и внешний контур обратной связи по положе­нию.

В отечественных станках различных ти­пов наиболее широкое применение в настоя­щее время получил привод подачи с высоко-моментными электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, имеющий хорошие регулировочные свойства, умеренные габаритные размеры, высокую по­стоянную времени нагрева, хорошее быстро­действие.

Элементы механизма перемещения ИО следящего привода, охватываемые обратной связью по положению, должны иметь мини­мальные зазоры, что снижает вероятность воз­никновения автоколебаний, и достаточную жесткость (чтобы не снижать полосу пропус­кания следящего привода). Механическая сис­тема (МС) привода подачи включает элементы механизма перемещения ИО, не охватываемые обратной связью по положению следящего привода.

Характеристики приводов подачи. Харак­теристики приводов подач обусловлены требованиями, предъявляемыми к ним конструкто­ром при создании того или иного станка, ко­торые в свою очередь определяются его режи­мом работы: режимом установочных переме­щений (позиционированием, выходом в нуле­вую точку и т.п.) или режимом контурной обработки (следящим режимом).

Характеристики привода по­дачи, работающего в режиме установочного перемещения, должны обеспечивать малое время, затрачи­ваемое на перемещение из исходной точки в заданную, и высокую точность позициониро­вания в заданной точке.

Уменьшение времени на перемещение из исходной точки в заданную достигается путем увеличения скорости установившегося движе­ния, а также уменьшения времени переходных процессов (разгона, и торможения). Ограни­чениями для роста скорости являются пре­дельная скорость вращения вала двигателя, предельная скорость прохождения информа­ции по каналу датчика обратной связи по по­ложению, допустимые скорости вращения валов механизма привода подачи и т.п. Уменьшение времени переходных процессов ограничивается предельным динамическим моментом на валу электродвигателя (в электроприводе подачи) и допустимыми динамическими нагрузками в механических элементах привода подачи. Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью привода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействию.

Точность позиционирования в станках с ЧПУ характеризуют следующие показатели, определяемые в нескольких точках по длине хода ИО: точность двустороннего позиционирования, повторяемость двустороннего позиционирования, максимальная зона нечувствительности, точность одностороннего позиционирования, повторяемость одностороннего позиционирования, средняя зона нечувствительности.

Вероятностные характеристики позиционирования в значительной степени определяются стабильностью характеристик звеньев следящей системы привода и устройства с ЧПУ. Наибольшая относительная нестабиль­ность имеет место при малых скоростях. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону и наличии определенных постоянных сил сопротивления не происходит раскрытие зазоров в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что обусловливает существенное повышение стабильности позиционирования.

Указанные выше характеристики режима установочных перемещений в достаточной мере могут быть обеспечены регулируемым электроприводом с введением команд на нача­ло движения, изменения скорости, начало торможения и останов в зависимости от сигналов датчиков положения (перемещения).

Характеристики привода подачи, работающего в режиме контурной обработки, должны обеспечивать усилия, соответствующие силовым характеристикам процесса резания, и малую величину составляющей контурной ошибки на изделии, обусловленной особенностями рабо­ты приводов подачи.

Силовые характеристики применяемого двигателя должны обеспечивать преодоление сил резания, сил трения в механизме привода, а также необходимые динамические усилия, соответствующие требуемым значениям уско­рений в переходных процессах контурной обработки.

Контурную ошибку на детали, вызван­ную работой приводов подачи, по форме про­явления можно представить тремя основными составляющими: макроотклонениями контура, обусловленными совместной работой приводов подачи по нескольким координатам; макроот­клонениями контура, обусловленными низко­частотными колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности при наличии пе­риодических управляющих и возмущающих воздействий в приводе подачи и существенном влиянии координатных связей в механической системе ИО; микроотклонениями контура, обусловленными высокочастотными колеба­ниями ИО по нормали к обработанной по­верхности при наличии соответствующих воз­действий в приводе подачи и координатных связей в ИО.

Макроотклонения контура при совмест­ной работе нескольких приводов подачи, из­меряемые по нормали к обрабатываемому контуру, формируются геометрически из оши­бок слежения в приводах подачи по каждой из координат. Ошибки слежения определяют­ся отклонением положения рабочего органа от заданного в результате воздействий по управ­лению (скоростная ошибка при постоянной скорости и динамическая ошибка при пере­менной скорости) и по нагрузке (моментная ошибка при постоянной нагрузке и динамиче­ская ошибка при переменной нагрузке). Вели­чина скоростной ошибки слежения зависит от скорости (подачи) по касательной к контуру, его угла наклона а и коэффициентов усиления по скорости (добротности).

Величина моментной ошибки в статике обратно пропорциональна коэффициенту уси­ления следящего привода по моменту. Дина­мические ошибки слежения зависят от инер­ционности привода и его жесткостных и демпфирующих характеристик.

Макроотклонения и микроотклонения контура, обусловленные колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности детали, возрастают при попадании частот периодиче­ских управляющих и возмущающих воздейст­вий в следящем приводе в полосу его пропус­кания и при наличии сильной связанности в механической системе (большие вылеты инструмента от центра тяжести и центра жестко­сти). Известно, например, что в современных конструкциях токарных станков (наклонная станина, наличие резцовой и револьверной головки) внешние воздействия в следящей системе электрогидравлического привода по­дачи вдоль первой координатной оси винта влияют на относительные смещения инстру­мента и детали вдоль второй координатной оси из-за наличия координатной связи. Коли­чественная оценка этого влияния в токарном станке средних размеров, работающем в режи­ме обточки цилиндрической детали, показыва­ет, что при амплитуде эквивалентного внеш­него воздействия по управлению на двигателе 0,07 рад, амплитуда относительных колебаний инструмента и детали по нормали к обрабо­танной поверхности доходит до 2 мкм при диаметре изделия 60 мм. При этом увеличение диаметра изделия от 60 до 320 мм ведет к уве­личению амплитуды указанных колебаний в 2,5 раза. Правильный выбор полосы пропус­кания в следящим приводе позволяет практи­чески устранить указанные выше колебания ИО (в первую очередь высокочастотные). Ука­занные характеристики режима контурной обработки могут быть обеспечены только сле­дящим приводом.

Конструктивные особенности механиче­ских элементов в приводах подачи. Связь вала двигателя с выходным звеном может быть не­посредственной или осуществляться через редукторы, предназначенные для смещения в требуемую область диапазона скоростей рабо­чей подачи и быстрых ходов.

Общим требованием к механическим элементам привода подачи является обеспече­ние прочности, высокой надежности и беззазорности. Это достигается рациональным вы­бором размеров элементов и способов их со­единения и использованием специальных уст­ройств для выборки зазоров.

Основные способы регулирования зазоров:

1. Использование составных шестерен, обеспечивающих возможность их относитель­ного углового смещения с закреплением после регулировки или с силовым упругим замыканием.

2. Осевое смещение двух соосных вен­цов, зацепляемых с одной шестерней в косо-зубчатой паре с закреплением после регули­ровки или с силовым упругим замыканием.

3. Введение дополнительного ведущего элемента в кинематической паре шестерни с возможностью принудительного углового смещения относительно основной ведущей шестерни или червяка с возможностью осевого перемещения (нагружения). Устройства с за­креплением после регулировки используются при больших нагрузках и при невысоких тре­бованиях к точности. Предельные скорости вращения валов, шестерен, червяков и ходо­вых винтов ограничиваются допускаемым теп­ловыделением, вибрацией и шумом. Характеристики основных выходных звеньев приводов подачи приведены в табл. 2.

Источник

Приводы подач МРС

В качестве источника движения в приводах подач могут применяться отдельные электродвигатели: асинхронные, регулируемые ступенчато, нерегулируемые, переменного и постоянного тока, регулируемые бесступенчато, а также гидравлические двигатели.
Для ступенчатого регулирования в приводе подач применяют такие механизмы, как гитары сменных колес (рис. 2.24), конус Нортона (рис. 2.25), обратный конус с вытяжной шпонкой (рис. 2.26), передвижные блоки колес (рис. 2.14), зубчатые передачи, переключаемые муфтами (рис. 2.13) и другие.

Гитары сменных колес в приводах подач чаще применяются двупарные, при этом оси колес «a» и «d» фиксированы, а ось блока колес «b» и «c» может изменять свое положение. Она размещается в пазу рычага 1, обеспечивая зацепление колес «с» и «d». Для зацепления колес «а» и «b» рычаг 1 поворачивается вокруг оси вала Ш и фиксируется в другом пазу. При подборе чисел зубьев сменных колес руководствуются условием зацепляемости:
а + b≥с+(15…20);
с + d≥b+(15…20).

При наличии стандартных наборов сменных колес такой способ регулирования обеспечивает практически любое потребное значение передаточного отношения гитары i_x. В этом заключается основное достоинство двупарной гитары сменных колес. К недостаткам можно отнести длительность настройки и пониженную жесткость, вызванную наличием подвижных стыков. Наиболее широко этот механизм применяется в приводе подач токарных и зубообрабатывающих станков.

Регулирование при помощи конуса Нортона (рис. 2.25) чаще всего встречается в коробках подач токарных станков. При повороте каретки по часовой стрелке колес z₇ выходит из зацепления с колесом z₁. Перемещая каретку i вдоль вала II, можно установить колесо z₇ против любого колеса конуса, а повернув каретку 1 против часовой стрелки, зацепить с ним колесо z₇.

В обратном конусе с вытяжной шпонкой (рис. 2.26) колеса z₁; z₂; z₃ соединены с валом 1. Колеса z₄; z₅; z₆ сидят на валу II свободно. Шпонка 1 размещается в пазу вала II, постоянно поджимается пружиной 2 и связана шарниром 3 с рукояткой 4, за которую ее можно перемещать вдоль вала II, вводя последовательно в шпоночные пазы колес z₄; z₅; z₆, обеспечивая, таким образом, передачу крутящего момента соответствующей парой колес. Наиболее широкое применение этот механизм нашел в коробках подач сверлильных станков. Переключение передвижными блоками колес и муфтами в приводах подач и главного движения аналогичны.
Бесступенчатое регулирование в приводе подач осуществляется теми же устройствами, что и в приводе главного движения, однако наиболее широко используются электродвигатели постоянного тока и гидравлический привод.

В современных станках все большее распространение получает привод подач, управляемый автоматически по разработанной заранее программе. На рис. 2.27 показана схема точения фасонного тела вращения. Заготовка 1 получает главное вращательное движение B₁. Резец вместе с кареткой 2 получает равномерное поступательное движение П₂ от ходового винта t₁, а каретка 3, имеющая возможность перемещаться в поперечном направлении, связана щупом 4 с копиром 5. При перемещении П₃ вершина резца будет повторять траекторию движения щупа, скользящего по копиру. Сменив копир, можно изменить форму обрабатываемой поверхности.

Таким образом, здесь программоносителем является копир, форма которого повторяется на обработанной поверхности. По такому методу работают все копировальные станки, правда, не все из них имеют прямую механическую связь щупа с резцом, как показано на схеме. Во многих копировальных станках для уменьшения сил, действующих на щуп и копир, применяются так называемые следящие гидравлические или электрические устройства.

Аналогичную задачу точения фасонного тела вращения можно решить и по схеме, представленной на рис. 2.28. Здесь поперечное перемещение П₃ осуществляется от отдельного двигателя ШД, включение и изменение скорости, вращения которого производится по записанной, например, на перфорированной ленте программе так, чтобы

обеспечивалась необходимая зависимость П₃ = f (П₂). Эта запись может быть выполнена в виде отверстий, соответствующих координатам положения вершины резца в каждый момент, т.е. программа представляется последовательным рядом чисел.

Такое управление называется числовым программным управлением (ЧПУ). Область применения станков с таким управлением постоянно расширяется, охватывая единичное и мелкосерийное, а в ряде случаев и крупносерийное производства.

Привод подач исполнительных механизмов

В МРС с ЧПУ существуют несколько типов приводов подач: шаго­вый привод, регулируемый привод и следящий привод. Шаговый привод является простейшим вариантом исполнительного позиционного приво­да подачи. Основным элементом этого привода является шаговый дви­гатель, представляющий собой двухсекционную машину с активным статором и реактивным зубчатым ротором. При подаче напряжения последовательно с определенной частотой на обмотку зубцов статора ротор, стремясь обеспечить равновесное положение в электромагнит­ном поле, поворачивается на шаг со скоростью, пропорциональной частоте питания. Достоинством привода являются: естественный ха­рактер связи с устройством задания программы в унитарном коде, простота конструкции, отсутствие каналов обратной связи и средств измерения положения и скорости исполнительного органа. Из недос­татков шагового привода следует отметить существенное ограничение по скорости, необходимость (во избежание пропуска импульсов) плавного разгона при выходе на режим ускоренных перемещений (и плавного торможения при выходе из режима), невосполнимый характер потери информации в случае сбоя (пропуска шага). Ограниченные возможности шагового привода обусловлены тем, что, являясь по су­ществу разомкнутым, он не допускает применения эффективных средств коррекции и оптимизации. Шаговые приводы могут использо­вать не силовые и силовые шаговые двигатели. На рис. 2.29 схематич­но показан один из вариантов конструктивного решения шагового привода с усилителем крутящего момента. Шаговый электрический двигатель 1 через зубчатые колеса 2 и 3 поворачивает следящий зо­лотник 4 гидравлического усилителя мощности в гайке 8, связанной с выходным валом 5 гидромотора 9, в силу чего золотник смещается в осевом положении из центрального исходного положения. При этом во внешних магистралях гидравлического усилителя возникает пере­пад давления, приложенный к плунжерам 7 гидромотора через непод­вижный распределительный узел 6, а выходной вал 5 гидротормоза приходит во вращение. Одновременно вращается гайка 8 винтового механизма обратной связи, так что следящему золотнику сообщается осевое перемещение в направлении, противоположном задаваемому ша­говым двигателем.
Таким образом, по мере обработки на выходном валу заданного шаговым двигателем перемещения следящий золотник возвращается в исходное положение. В этом исходном положении перепад давления во внешних магистралях гидравлического усилителя равен нулю, а вы­ходной вал гидротормоза неподвижен.

В приводах подачи МРС с ЧПУ в основном применяют следящий электропривод. Он предназначен для точного воспроизведения входного управляющего сигнала и преобразования его в механическое пе­ремещение (рис. 2.31). На вход следящего привода поступают управляющие импульсы от интерполятора устройства ЧПУ. Число импульсов определяет величину перемещения, а их частота — необходимую скорость.

Наиболее широкое применение в качестве исполнительных элект­родвигателей имеют высоко моментные электродвигатели. Существенной конструктивной особенностью таких двигателей является возбуждение их обмоток от постоянных магнитов. Отказ от электромагнитного возбуждения исключает потери на нагрев обмотки возбуждения на 10-15%, увеличивает КПД и уменьшает размеры двигателя. Применение постоянных магнитов позволяет построить многополюсную машину пос­тоянного тока, что упрощает коммутацию и обеспечивает равномерное распределение магнитной индукции в зазоре. Двигатели обеспечивают равномерное вращение при частотах до 0,1 об/мин. Типичная конс­трукция высоко моментного двигателя с постоянными магнитами предс­тавлена на рис. 2.32.

Дальнейшее развитие в качестве исполнительных электродвигателей получили синхронные, так называемые вентильные, и асинхронные двигатели, в которых отсутствуют коллекторно-щеточные меха­низмы, что повышает их эксплуатационные показатели по критерию надежности.

Структурная схема приводов подач МРС с ЧПУ чрезвычайно прос­та и состоит она из привода, исполнительного узла станка (стола, каретки или суппорта), передачи винт-гайка качения и датчика об­ратной связи.

Наличие последнего звена определяется выбранным вариантом управления привода подач (рис. 2.33). Наибольшее расп­ространение получили привода подач с замкнутой системой управле­ния, т.к. они способны обеспечить точное позиционирование испол­нительного узла станка.

Расположение рассмотренных элементов приводов подач показано на рис. 2.34 на примере МС с ЧПУ, предназначенного для обработки сложных корпусных деталей.

Источник

Лисовский Егор Иванович

Факультет компьютерных информационных технологий

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность Управление в технических системах

Исследование и разработка системы управления согласованным движением приводов главного движения и привода подач станка

Научный руководитель: к.т.н., проф. Хорхордин Александр Владимирович

Содержание

Введение

Станкостроение–одна из ведущих отраслей отечественного машиностроения. Важное место здесь занимает тяжелое станкостроение. Современным тяжелым токарным станком является совокупность механизмов, которые приводятся в движение сложным автоматизированным электроприводом. Необходимость упрощения конструкции механических узлов, коробки передач, предопределяет применение электроприборов с широким диапазоном регулирования скорости.

В настоящее время заводами электропромышленности выполняется для тяжелых станков комплектная поставка систем электроприводов и устройств автоматического управления станками не в виде разрозненных станций управления, а в виде законченных комплексных устройств, разрабатываемых организациями и заводами тяжелого станкостроения.

Все движения, выполняемые механизмами металлорежущих станков, разделяются на основные или рабочие, при которых обеспечивается процесс снятия металла с обрабатываемой детали, и вспомогательные, необходимые для выполнения разного рода наладочных, эксплуатационных и подобных им операций. Рабочее движение разделяется на главное, выполняющее резку металла инструментом, и движение подачи, необходимое для перемещения инструмента с целью снятия новых слоев металла.

В тяжелых металлорежущих станках в большинстве случаев механизмы, выполняющие как основные, так и вспомогательные движения, имеют индивидуальные электродвигатели, что существенно упрощает кинематику и конструкцию станка. Все электроприводы станков можно разделить на три категории: главные, приводы подачи и вспомогательные механизмы. Применение одиночного и многодвигательного приводов позволяет регулировать скорость отдельных механизмов изменением скорости двигателя. При этом возникает необходимость в получении искусственных механических характеристик, двигатель становится неотъемлемой частью механизма. Автоматизация одних процессов управления оказалась недостаточной, поэтому появилась необходимость в автоматизации производства и создании широких блокировочных связей между электроприводами.

К современным металлорежущим станкам предъявляются следующие основные требования:

Возможность использования преимуществ электрического управления и стремление значительно упростить кинематику отдельных звеньев станка привели к использованию современного универсального привода, в котором различные движения на станке производятся от отдельных электродвигателей.

1. Актуальность темы

Современный промышленный многофункциональные станки предназначены для изготовления деталей для механизмов. С стремительным развитием технического прогресса усложняются механизмы и необходимые для них детали. Следовательно, и требования к станочному оборудованию, к точности её работы и производительности выросли в разы.

При применении согласованного движения приводов станка производительность и точность работы повышается, так как обработка детали производиться без переустановки, также можно выполнять все технологические виды обработки (сверление, точение, фрезерование, нарезание резьбы, шлифование и т.д.) на одном станке. В связи с этим разработка и управление станочным оборудованием усложняется.

2. Постановка общей задачи проектирования

Главной задачей проектирования является обеспечение согласованной работы приводов главного движения и привода подачи. Это является главным условием выполнения сложных манипуляций по обработке деталей сложной конфигурации резанием.

Выходом объекта управления Y являются координаты совместного позиционирования поворотного стола и шпинделя передней стойки. Входное воздействие Х–это сигнал, поступающий на приводы главного движения и привод подачи станка, а Q–это возмущающие воздействия, такие как моменты инерции, усилия во время резания, рассогласование нуля инструмента при стачиваемости режущей пластины и т.д.

Задача управления заключается в формировании управляющего воздействия на двигателя, работа которых при этом воздействии обеспечивала бы точное позиционирование рабочих органов и необходимую точность обработки детали.

Для обеспечения согласованного движения рабочих органов привода главного движения и привода подачи необходимо:

Кроме того, для точного управления приводами станка необходим постоянный контроль всех параметров двигателя, системы управления и положения ключевых звеньев станка. Для обеспечения контроля положения звеньев станка, вводятся условные оси координат X, Y, Z, которые подвязываются к неподвижному пространству станка. При этом вводятся дополнительные вспомогательные системы координат, отдельно для поворотного стола X1, Y1, Z1 и шпинделя–X2, Y2, Z2, по которым они двигаются относительно неподвижной системы координат. Также производится привязка режущей кромки инструмента и центра поворотного стола к нулевым значениям координат и любое их перемещение будет отсчитываться уже от этой точки.

3. Состав и принцип работы системы

Станок является универсальным механизмом широкого назначения т.к. в его возможности входит обработка деталей сложной конфигурации резанием без её переустановки. Поэтому управление этим станком должно обеспечивать высокую точность позиционирования рабочих механизмов.

Принцип работы станка заключается в следующем[1]:

Управление станка производится с помощью двух приводов: привода главного движения и привода подачи. Привод главного движения включает в себя двигатель, ступенчатую коробку передач для переключения скоростей и резцедержатель. Привод подачи состоит из высокомощного электродвигателя, приводящего в движение планетарную передачу поворотного стола[1].

Существенным недостатком принципа работы станка в данной комплектации является поочередное редукторное зацепление передач при продольном, поперечном перемещении стола, его подъеме и повороте. Соответственно, такой принцип значительно понижает скорость обработки детали и ухудшает ее качество обработки.

Исходя из этого алгоритма работы станка, можно определить структуру объекта.

Система управления станка включает в себя следующие компоненты (рис. 1):

Рисунок 1–Структурная схема системы управления станка

Управление станком осуществляется с помощью человека-оператора, который задает или выбирает управляющую программу на пульте управления. Пульт управления состоит из дисплея и функциональных клавиш. Пульт оператора выполняет функцию связи самого оператора и САУ. На пульте выводятся текущие значения параметров станка (число оборотов шпинделя, установленная и фактическая подача, положения суппорта относительно нуля, рабочие области станка, выполняемая программа и т. д.).

В данном случае, совместная работа ЧПУ и информационной системы образуют систему автоматического управления[2].

ЧПУ станка предназначено для обеспечения жесткой и точной отработки заданной программы. ЧПУ включает в себя вычислительное устройство, на базе контроллера, запоминающие устройства для хранения и выдачи управляющей программы и блок правления приводом главного движения и приводом подачи.

Привод главного движения станка содержит в себе регулируемые электродвигатель переменного тока, электромагнитную муфту, соединяющую напрямую ротор двигателя и шпиндель станка. Регулирование скорости осуществляется на прямую, за счёт изменения скорости вращения ротора двигателя, тем самым исключив необходимость в ступенчатом переключении скоростей за счёт коробки передач и редуктора.

Привод подач состоит из высокомометного электродвигателя переменного тока и небольшого редуктора, для обеспечения перемещения поворотного стола по 3 координатам X, Y, Z. Высокомоментный двигатель необходим для обеспечения перемещения габаритного, тяжелого стола с крупными деталями при высоких усилиях вовремя обработке.

В состав информационной системы (ИС) входит блок диагностики обеспечивающий опрос и диагностику всех узлов оборудования по необходимым параметрам. Измерительные устройства необходимы для контроля параметров работы станка, положения узлов оборудования, параметров двигателе и системы управления.

Блокирующие устройства–это ряд технологических средств, предназначенных для обеспечения защиты оборудования и человека при возникновении аварийных ситуаций.

Технологическое оборудование обеспечивает непрерывную и сбалансированную работу станка. Под технологическим оборудованием понимают все вспомогательные инструменты обеспечивающие корректную работу основного оборудования, такие как: подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), стружколоматели, гидроцилиндры, направляющие и т.д.[3]

4. Проектирование системы автоматического управления

4.1 Обоснование принятого направления решения задачи

Основной проблемой управления станка является длительность обработки детали. Это обусловлено тем, что система управления последовательно включает двигателя привода главного движения, а затем привод подач, что значительно влияет на точность, скорость и качество обработки детали. Поэтому основной задачей автоматизации является обеспечение параллельного включения, и к тому же эти приводы должны работать согласованно.

Прежде чем обеспечить согласованное управление приводов главного движения и подачи, необходимо обеспечить согласованную работу двигателей в этих приводах. Эту проблему решает централизованное управление на каждом приводе, которое представляет собой установку ПЛК для управления отдельным приводом и датчиков обратной связи на каждом двигателе.

После согласования работы двигателей в каждом приводе, необходимо согласовать работу этих двух приводов, установив на систему еще один ПЛК, который будет обеспечивать согласованное движение этих двух приводов и децентрализовано ими управлять.

Таким образом, система управления согласованным движением привода главного движения и привода подач состоит из комбинации централизованного и децентрализованного управления и структурно показана на(рисунке 2):

Рисунок 2–Структурная схема системы согласованного управления движением приводами станка

4.2 Функциональная схема технических средств системы автоматического управления

Сверлильно-расточной станок 2А622–это совокупность сложных кинематических связей с широкими возможностями и для обеспечения его функциональности необходимо использовать распределенную систему управления[6].

На (рисунке 3): приведена реализация распределённой системы управления станком. Блоки периферийных модулей управления приводами главного движения и привода подачи распределены, но подчиняются одному модулю управления.

Пульт оператора выполняет функцию связи оператора, т.е. человека, с объектом управления–станком. Пульт оператора состоит из сетевого выключателя, служащего кнопкой включения и выключения, и платы индикации, которая показывает начальные условия работы системы в виде загорания лампочек подачи питания, исправности системы и т.д. Также пульт имеет блок дисплея, состоящего из конвертора питания и дисплея, на который выводится вся информация о станке, и блок клавиатуры с платой функциональной и алфавитно-цифровой клавиатуры для возможности работы и обслуживания программного обеспечения системы ЧПУ[7].

Блок питания состоит из входной платы блока питания, на которую подается 220 В. Также имеется сетевой фильтр, фильтрующий входящее напряжения в необходимое для работы системы значение. Плата контроля питания необходима для контроля питающих элементов системы и источник питания, питающий все необходимые элементы системы блока управления.

Модуль управления включает в себя плату управляющего контроллера, которая выполняет действия согласования приводов и контроль их работы. Плата CPU предназначена для связи и работы контроллера с платами памяти ПЗУ и ОЗУ, в которых хранятся рабочие программы для обработки детали. Плата разъемов RS232, LAN, USB1, PS/2, FDD предназначена для реализации интерфейса связи с внешними устройствами, а плата разъемов SSB, USB2, 422, T, RPEPN предназначена для связи контролера со станочным пультом и платами контроллеров управления периферийными модулями приводов главного движения и приводом подачи.

Станочный пульт предназначен для управления главный модулем управления в режиме настройки модуля или при отказе пульта оператора. Станочный пульт состоит из блока клавиатуры, включающего в себя плату переключателей, предназначенную для переключения режимов работу контроллера, платы клавиатуры необходимой для ввода информации.

Рисунок 3–Распределённая система управления станком

Блоки управления приводом главного движения и приводом подачи имеют схожую архитектуру, что позволяет облегчить их синхронизацию между собой и модулем управления. Блоки управления включают себя собственные контроллеры, который управляют каждым из приводов и связаны с контроллером модуля управления посредством шины.

Блок памяти предназначен для хранения заданной программы работы конкретного привода. Сетевой фильтр предназначен для преобразования, питающего напряжения, в необходимую для работы системы величину, которую подает на источник питания для распределения его на все элементы блока. Модули энкодера предназначены для преобразования управляющего сигнала в величину углового и линейного перемещения, а модули входов/выходов необходимы для подключения всех управляемых периферийных модулей, используемых в приводе.

Блоки приводов главного движения и привода подачи–это сложная связь механики станка, управляемой электрической системой управления. Каждый блок включает двигатель переменного тока, который запитывается от трёхфазного напряжения 380 В через преобразующий блок. Блок включения привода представляет собой систему контактов и ключей, с помощью которых ведётся управление двигателем. Тахогенератор, в данном случае, предназначен для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в однозначно связанный со скоростью электрический сигнал. [5]

Блок датчиков снимает показатели работы двигателей и всех систем и передает данные в контроллер модуля управления. В него входят: датчик положения, датчик тока, тензометрические датчики в электромагнитных муфтах. Блок привода главного движения состоит из двух двигателей, которые отвечают за вращение инструмента и кругового перемещения шпиндельной бабки с инструментом. Ротор каждого двигателя напрямую соединён с механизмом движения через электромагнитную муфту, которая служит защитным устройством в случае, если не сработает защита на двигателе при перегрузке.

В блоке привода подачи используются 4 высокомоментных электродвигателя переменного тока. Два двигателя предназначены для продольного и поперечного движения стола с деталью, а остальные для его подъема и поворота вокруг своей оси. Каждый двигатель также крепиться к механизму перемещения через электромагнитную муфту.

Выводы

В работе приведена разработка системы автоматического управления согласованного движения привода главного движения и привода подач станка, предназначенного для изготовления деталей сложной конфигурации резанием. Приводы приводятся в движение сервоприводами. В своем составе они имеют высокоскоростные электродвигатели

На первом этапе работы провели анализ объекта автоматизации, определены его параметры и характеристики, выявлен состав системы управления, а также поставлена общая задача проектирования. Так же проводиться анализ и обзор известных решений автоматизации объекта. Выявлены достоинства и недостатки каждой из них.

Второй этап включает в себя формирование главной задачи проектирования. Она заключается в проектировании системы управления подходящей для согласованного управления приводами станка, с необходимой точностью и надёжностью. Так же стоит задача выбора оборудования, которое входит в систему управления и составление блок–схемы алгоритма работы системы управления станком, формирования управляющих сигналов и работы заданных программ.

Источник