Точный следящий привод какая точность

Следящий Привод Станка

В этой статье мы разберемся в понятии — следящий привод станка, его устройство и особенности работы. Привод подач – один из основных узлов, определяющих производительность и точность станка с ЧПУ. Поскольку УЧПУ практически безинерционно формирует сигналы управления приводом, обеспечивающие движение по заданной траектории или позиционирование в заданной координате, большое значение приобретает совершенствование параметров исполнительного двигателя и схемы управления им с учетом особенностей кинематической цепи привода.

По мере совершенствования СЧПУ, увеличения жесткости и точности узлов станка, повышаются требования к быстродействию и точности привода подач: скорость быстрых перемещений в современных станках доведена до 50 м/мин, а дискретность перемещений – до 1 нм.

Указанным требованиям удовлетворяют приводы и двигатели, разработанные специально для станков с ЧПУ. Высокими показателями характеризуется тиристорный привод с низкоскоростным высокомоментным двигателем постоянного тока и возбуждением от высокоэнергетических магнитов (рис. 1). Двигатель имеет большой момент инерции, обеспечивает хорошие динамические характеристики, полученные в результате использования (для возбуждения) высокоэнергетических керамических магнитов, выдерживающих 10-15-кратные пиковые моменты без размагничивания. Значительная масса и теплоемкость ротора позволяют достаточно долго (до 30 мин) выдерживать значительные перегрузки.

Рис. 1. Конструктивная схема высокомоментного двигателя: 1 — повышающая передача (мультипликатор); 2 — резольвер; 3 — тахогенератор; 4, 5 — коллекторы; 6 — ротор; 7 — корпус статора; 8 — ферритовые полюсы; 9 — электромагнитный тормоз

В приводах с высокомоментными двигателями во многих случаях исключена необходимость в редукторе или значительно упростилась его конструкция, что уменьшило динамическую нагрузку приводного механизма и ее влияние на переходные процессы. Высокий КПД современных винтовых передач и направляющих обеспечивает ускоренные перемещения при крутящем моменте привода, равном 15-20 % от номинального крутящего момента, необходимого для процесса резания. В то же время, резание с большими усилиями возможно лишь при скорости, равной 15-20 % от скорости быстрого перемещения. Эти особенности и определяют специфику создания привода подач станков.

Однако, несмотря на все свои достоинства, высокомоментный двигатель постоянного тока не используется в современных станках. Это обусловлено наличием коллекторных узлов в конструкции двигателя. Являясь ненадежным и быстро изнашиваемым узлом, коллектор приводит к частым отказам привода. Вследствие этого, наибольшее распространение в современных приводах получили синхронные электродвигатели. Они обладают удовлетворительными характеристиками, и в их конструкции полностью отсутствует коллектор, т. к. ротор такого двигателя выполнен из высокоэнергетических магнитов, а обмотки расположены в неподвижном статоре.

Следящий привод станка имеет, как минимум, два датчика обратной связи – по скорости (тахогенератор) и по пути. Тахогенератор всегда устанавливают на вал двигателя подачи, при этом часто встраивают непосредственно в двигатель. Что касается датчика обратной связи по пути, то существуют три варианта его установки, в зависимости от которых различают и структурные схемы следящих приводов (рис. 2).

Рис. 2. Структурные схемы следящих приводов: а — с полузамкнутым контуром обратной связи по пути; б — то же с замкнутым контуром; в — с гибридной схемой обратной связи; 1 — основной блок УЧПУ; 2 — узел управления приводом; 3 — блок привода; 4 — двигатель подачи; 5 — тахогенератор; 6 — стол станка; 7 — круговой датчик обратной связи по пути; 8 — линейный датчик обратной связи по пути

В станках нормальной точности датчик обратной связи по пути выполняют круговым и устанавливают на ходовой винт или на вал двигателя (рис. 2 (а)); поскольку пара винт—гайка не охвачена обратной связью, погрешности этой пары переносятся на изделие. Систематическую слагаемую этих погрешностей, повторяющуюся стабильно, можно компенсировать с помощью заранее программируемых корректирующих сигналов. Следящие приводы станка с такой структурной схемой, называемой схемой с полузамкнутым контуром обратной связи по положению, обеспечивают точность позиционирования ± 10 мкм.

В микропроцессорных системах ЧПУ обратные связи по пути замыкаются в УЧПУ, а обратные связи по скорости — в блоке управления приводом. Таким образом, в следящих системах используют регулируемый привод с введением обратной связи по пути.

В прецизионных станках устанавливают на столе станка высокоточный линейный датчик 8 (рис. 2 (б)). Такая структурная схема называется замкнутой по положению. При этой схеме зазоры в кинематической цепи и упругие деформации влияют на колебания привода.

Поэтому, в ряде случаев (например, в тяжелых станках) применяют гибридную схему обратной связи (рис. 2 (б)), в которой используют два датчика: круговой, установленный на вал двигателя или ходовой винт, и линейный, установленный на стол станка.

При этом круговой датчик используют для позиционирования, а линейный – для автоматической коррекции погрешностей кинематической цепи.

Для уменьшения величины выбега (т. е. пути, который проходит рабочий орган после получения команды на остановку) используют способы интенсивного торможения. Подходить к позиции точной остановки можно лишь на очень низкой скорости. Поэтому между первой (на торможение) и второй (на отключение) командами в позиции точной остановки приходится вводить промежуточную скорость. В цикловых системах управления при одноступенчатом графике позиционирования после получения команды на торможение рабочий орган станка, например координатный стол, может остановиться в любой точке участка, который называется участком разброса тормозного пути при одноступенчатой остановке. Если рабочий орган остановится в начале этого участка, то весь участок придется проходить на ползучей скорости. Чаще всего остановка происходит в середине этого участка и оставшуюся половину проходят на ползучей скорости. По сравнению с одноступенчатым двухступенчатый график (показан жирными линиями на рис. 3) позволяет значительно (примерно в три раза) сократить время позиционирования: после получения первой команды (на торможение) выполняется переход рабочего органа на промежуточную скорость, с которой он перемещается до получения команды на второе торможение; затем скорость снижается до уровня ползучей и рабочий орган попадает на участок, называемый участком разброса тормозного пути при втором торможении.

Увеличивая число ступеней, переходят к графику с непрерывным позиционированием, который называется «оптимальным» и обеспечивает заданную точность позиционирования при минимальных затратах времени. Осуществление оптимального графика решается в системах ЧПУ со следящим приводом; в этих системах реализуются также двух- и трехступенчатые циклы позиционирования.

Рис. 3. Траектория одноступенчатого и многоступенчатого позиционирования: 1 — команда на торможение; 2 — команда на снижение скорости; 3 — команда на остановку; V0, V1, V2 — скорость быстрого хода, промежуточная и ползучая соответственно

СЛЕДЯЩИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

Следящим называется электропривод, который обеспечивает (воспроизводит) с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Этот сигнал может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и иметь механическую или электрическую природу. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в металлообрабатывающих станках, для привода роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.

Следящий электропривод (рис. 4.17) состоит из датчика входного сигнала 1 и датчика 5выходной координаты, измерителя рассогласования 2, системы управления 3 и электродвигателя с механической передачей 4, которая приводит в движение исполнительный орган 6рабочей машины.

Рис. 4.17. Схема следящего электропривода

Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины (скорость или угол поворота вала) в электрические — входной сигнал U_m и сигнал обратной связи U_oc. Измеритель рассогласования 2, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатывает сигнал рассогласования U_A, поступающий в систему управления 3. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения.

Система управления 3 состоит из регулятора (усилителя) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала рассогласования U_A в напряжение U, поступающее на двигатель. За счет выбора схем регулятора и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени U(t) при отработке входного воздействия o)_KX(t) или ф_вх(0-

Электродвигатель и механическая передача 4 в соответствии с законом изменения U(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом).

Классификация следящего электропривода может быть выполнена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения исполнительного органа, он называется скоростным, а если положения — то позиционным.

Различают следящие электроприводы с непрерывным и прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.

В следящих электроприводах непрерывного действия напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, постоянно подается на двигатель.

Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. Поэтому работа релейного следящего электропривода характеризуется определенной зоной нечувствительности по отношению к входному сигналу.

Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управляющее воздействие на двигатель подается в виде импульсов напряжения, амплитуда, частота или заполнение которых изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтноимпульсной модуляции сигнала управления.

В следящем электроприводе используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электро- машинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения и другие аналоговые и цифровые устройства управления.

Рис. 4.18. Схема следящего электропривода с двигателем постоянного тока релейного действия

Следящий электропривод постоянного тока релейного действия. В этой схеме электропривода (рис. 4.18) используется двигатель постоянного тока последовательного возбуждения М, имеющий две обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2. Управление двигателем осуществляется с помощью силовых транзисторов VT1 и VT2. Каждый из транзисторов работает при определенной полярности сигнала согласования U_A, обеспечивая одно из направлений вращения двигателя. Если открыт транзистор VT1, ток проходит по ОВ2 и двигатель вращается в одном направлении, если же открыт транзистор VT2, ток проходит по ОВ1 и он вращается в другом направлении. Направление тока якоря в обоих случаях остается неизменным.

Разрядные диоды VD3 и VD4 служат для снятия перенапряжений, возникающих при отключении обладающих значительной индуктивностью обмоток возбуждения и якоря.

В рассматриваемом следящем электроприводе в качестве датчиков входной и выходной величин используются кольцевые потенциометры П1 и П2, которые образуют так называемый потенциометрический измеритель рассогласования.

Движок потенциометра П1 (датчика входной величины) связан с выходным валом задающего устройства ЗУ, который представляет собой в данном случае редуктор с ручным приводом. Движок потенциометра П2 (датчика выходной величины) связан с валом редуктора Р, расположенного на валу двигателя и рабочей машины РМ. Редукторы ЗУ и Р имеют одинаковое передаточное число. Питание потенциометров П1 и П2 осуществляется напряжением постоянного тока U_n.

Сигнал рассогласования U_A снимается с движков потенциометров П1 и 772 При их одинаковом угловом положении, что соответствует нулевому углу рассогласования Дф = ф_вх-ф_вых, сигнал U_A = 0. При этом равен нулю и сигнал U_A на выходе усилителя У, оба транзистора закрыты и двигатель неподвижен.

При возникновении рассогласования между угловыми положениями движков потенциометров 777 и П2, вызванного поворотом рукоятки ЗУ, сигналы U_A и U_A становятся отличными от нуля. В зависимости от полярности сигнала U_A, которая определяется знаком угла рассогласования (ошибки) Дф, сигнал U_& подается на транзистор VT1 (по цепи диод VD10— стабилитрон VD5 — резистор R3 — диод VD7) или VT2 (по цепи диод VD9 — стабилитрон VD6 — резистор R4 — диод VD8). Если этот сигнал превышает порог срабатывания стабилитронов VD5 или VD6, то соответствующий транзистор откроется, подключая двигатель к источнику питания с напряжением U. Двигатель начнет вращаться, поворачивая вал рабочей машины РМи ось движка потенциометра П2 в направлении, при котором возникшее рассогласование в системе будет уменьшаться и стремиться к нулю. Когда сигнал U_A станет меньше напряжения открывания стабилитронов VD5 или VD6, работающий транзистор (VT1 или VT2) закроется и отключит двигатель от источника питания.

Таким образом, электропривод в данной схеме отрабатывает заданное перемещение (р_вх с некоторой погрешностью, обусловленной нечувствительностью системы из-за порога срабатывания стабилитронов VD5, VD6. Зону нечувствительности системы стараются делать возможно меньшей в пределах 2. 3 0 угла рассогласования. Однако снижение зоны нечувствительности может привести к возникновению нежелательного колебательного режима работы электропривода около положения равновесия. Эффективным средством устранения такого режима является введение в систему дополнительных сигналов по первой и второй производным сигнала рассогласования, а также использование электрического торможения после отключения двигателя.

Достоинствами следящих электроприводов релейного принципа действия являются их простота, надежность и возможность получения оптимальных траекторий движения исполнительных органов рабочих машин. К недостаткам таких систем следует отнести их склонность к колебаниям и наличие определенной нечувствительности (неточности) при слежении.

Рис. 4.19. Схема следящего электропривода с асинхронным двигателем

Следящий электропривод переменного тока пропорционального действия. В следящем электроприводе широкое применение находят асинхронные двигатели, которые отличаются надежностью в работе и долговечностью. При создании маломощных (до 1 кВт) следящих электроприводов обычно используют двухфазные короткозамкнутые двигатели, в том числе и с полым ротором (рис. 4.19).

Двигатель М имеет обмотки возбуждения О В и управления ОУ, которые питаются сдвинутым по фазе на 90° напряжением. Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением действующего значения напряжения на ОУ, которая получает питание от фазы А трехфазной сети переменного тока через тиристоры VS1— VS4. Обмотка возбуждения ОВ связана с фазами В, С через тиристоры VS5—VS6. Тиристоры VS1—VS6образуют стандартные схемы регуляторов напряжения переменного тока. Они попарно включены по встречно-параллельной схеме, что обеспечивает протекание тока по обмоткам в оба полупериода питающего напряжения.

Рассогласование между задающей осью и валом электропривода измеряется с помощью сельсинной пары, состоящей из сельсина-датчика СД и сельсина-приемника СП. Положение ротора СД задает входной сигнал ср_вх, а положение ротора СП определяет угол поворота вала электропривода (р_вых. Сигнал рассогласования U_A, снимаемый с обмотки статора СП, пропорционален разности углов (р_вх и (р_вых, а фаза этого напряжения определяется знаком этой разности (ошибки).

Сигнал рассогласования U_A подается на вход фазочувствительного усилителя У/. После прохождения через корректирующее звено, состоящее из резисторов Rl, R2 и конденсатора С1, сигнал рассогласования усиливается усилителем У2 и в виде напряжений ?/_д1 и Uпоступает на блок управления тиристорами.

Схема работает следующим образом. При появлении сигнала рассогласования U_A в зависимости от его фазы на выходе усилителя У2 появляются напряжения U_M или U_a. При возникновении, например, напряжения U_Al С//ФУ подает импульсы управления на тиристоры VS1, VS2, VS5, VS6. Тиристоры открываются, и на ОУ и О В подаются напряжения U_oy и U_{O B}, которые пропорциональны сигналу рассогласования U_M. Двигатель М начинает вращаться, уменьшая угол рассогласования Дф=ф_вх — ф_вых между осями сельсинов СД и СП.

При другой фазе сигнала U_A, что имеет место при изменении знака угла рассогласования Дф, на выходе усилителя У2 появляется напряжение U_A2. Этот сигнал вызывает включение тиристоров VS3, VS4, и на обмотку управления ОУ будет подано напряжение U_{o y}, сдвинутое по фазе на 180° по сравнению с предыдущим случаем. Поскольку одновременно с этим откроются тиристоры VS5 и VS6 и О В также получит питание, двигатель М начнет вращаться, но уже в другом направлении. Таким образом, за счет изменения фазы напряжения U_oy осуществляется реверс двигателя М, что обеспечивает отработку угла рассогласования любого знака.

Конденсаторы С2—С5 и резисторы R3, R4 используются для сглаживания пульсаций напряжения на обмотках двигателя.

Цифроансшоговый позиционный следящий ЭПпостоянного тока. При необходимости получения высокой точности слежения (до 0,001%) в следящих электроприводах применяются цифровые устройства управления (задатчики, сумматоры, счетчики и т.д.) и датчики координат. В ряде случаев цифровая измерительная часть сочетается с аналоговой, выполненной по принципу подчиненного регулирования координат, в результате чего образуются так называемые цифроаналоговые схемы управления электропривода, сочетающие в себе положительные свойства цифровых и аналоговых систем.

Аналоговая часть электропривода (рис. 4.20) выполнена по структуре подчиненного регулирования координат, в которой внешний контур регулирования положения выполнен цифровым, а внутренние контуры регулирования тока и скорости — аналоговыми. Аналоговая часть содержит регулятор тока РТ, на который поступают сигналы задания по току U_3T и обратной связи по току U_{0 T}, подаваемые соответственно с регулятора скорости PC и датчика тока ДТ. Выходной сигнал регулятора тока U_y является управляющим для реверсивного преобразователя ПУ, питающего якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения М. Регулятор скорости PC, в свою очередь, получает сигналы U_oc от датчика скорости (тахогенератора) BR и U_3C от задатчика интенсивности ЗИ, входным сигналом которого является выходной сигнал U_{3 C} аналогового регулятора положения РП.

Рис. 4.20. Схема цифроаналогового следящего электропривода

В состав цифровой измерительной части электропривода, формирующей сигнал рассогласования U_A, входят датчики входной ДП1 и выходной ДП2 координат электропривода (его положения), арифметическое суммирующее устройство АСУ, преобразователь кода в напряжение ПКН (преобразователь «код — аналог») и преобразователь кода положения вала ДПТ в двоичный код ПК.

Работа цифровой части следящего электропривода происходит следующим образом. Требуемое перемещение исполнительного агрегата рабочей машины вырабатывается задатчиком ДП1 в виде числа N_3Jl в двоичном коде. Этот сигнал подается на вход сумматора А СУ вместе с числовым сигналом N_n (также в двоичном коде), соответствующим действительному положению исполнительного органа рабочей машины.

Сумматор А СУ обеспечивает суммирование этих двух цифровых сигналов и выделение сигнала рассогласования (ошибки) в цифровом коде N_A. Далее цифровой сигнал N_A с помощью преобразователя ПКН преобразуется в аналоговый сигнал U_A (напряжение постоянного тока), который поступает на вход регулятора положения РП.

Цифроаналоговый следящий электропривод имеет хорошие динамические показатели работы за счет аналоговой части и высокую точность слежения, обеспечиваемую цифровой частью. Элементы и устройства такого электропривода могут быть реализованы на основе унифицированной серии аналоговых (УБСР-АИ) и цифровых (УБСР-ДИ) регуляторов.

Что такое следящий привод

Основное назначение следящих приводов : слежение за вводимым в систему сигналом управления, изменяющимся по заранее неизвестному закону. Следящие приводы составляют большую группу приводов, используемых в промышленности. Наиболее распространенным случаем является отработка движения некоторого входного вала выходным валом привода. При этом повторение движения выходным валом должно осуществляться с требуемой ошибкой. В следящих приводах регулируемой величиной обычно является угол поворота Θ , а само регулирование — регулированием по положению.

Функциональная схема следящего привода, приведенная на рис. 1, имеет замкнутую структуру с жесткой отрицательной обратной связью по углу поворота Θ 2 выходного вала.

Рис. 1. Функциональная схема следящего привода

Принцип действия следящего привода следующий. Предположим, что между углом Θ1 входного вала и Θ 2 выходного вала появилось некоторое рассогласование, т. е. Θ1 не равно Θ 2. Датчики Д1 и Д2 формируют напряжения, пропорциональные углам поворота, и выдают на вход преобразователя П напряжение управления Uy = U1-U2, где U1 = k1 Θ1, U2 = k2 Θ2 . Поэтому датчики Д1 и Д2 обычно называют измерителями рассогласования . Преобразователь П преобразует Uy в пропорциональный сигнал управления двигателем, которым может быть напряжение подаваемое на якорь.

Напряжение Uy формируется такого знака, чтобы двигатель Д, получив питание, стал поворачивать свой вал в направлении, при котором разность углов Θ 2- Θ1 уменьшалась. Иными словами, следящий привод всегда стремится к непрерывному автоматическому устранению рассогласования между входным и выходным валами.

В качестве измерителя рассогласования в следящем приводе применяют потенциометрический измеритель, сельсин, работающий в трансформаторном режиме, вращающийся трансформатор и др., в качестве устройства преобразователь — двигатель системы Г—Д, ЭМУ-Д, МУ-Д, УВ-Д и др.

Структурная схема простейшей следящей системы, показанная на рис. 2, состоит из сельсина датчика СД, сельсина приемника СП, которые работают в трансформаторном режиме и выполняют функции датчиков Д1 и Д2, т. е. измерителя рассогласования входного угла Θ1 и выходного Θ2 .

Сельсины — это электрические микромашины переменного тока, обладающие способностью самосинхронизации. Их применяют в дистанционных системах передачи угла в качестве датчиков и приемников. Передача угловой величины в такой системе происходит синхронно, синфазно и плавно. При этом между устройством, задающим угол (датчиком), и устройством, принимающим передаваемую величину (приемником), существуют только электрическое соединение в виде линии связи.

Рис. 2. Схема следящего привода с сельсинами

В систему включается преобразователь, который выпрямляет переменное напряжение однофазной обмотки СП и усиливает его. Преобразователь (см. рис. 2) должен быть знакочувствительным, т. е. в зависимости от фазы сигнала обмотки СП выдавать на якорь двигателя постоянное напряжение положительного или отрицательного знака.

Исполнительный двигатель связан с ротором СП через понижающий редуктор Р. Входной задающий угол поворота Θ1 вводится в систему задающим устройством ЗУ, вал которого связан неподвижно с валом СД. Иногда эта связь осуществляется через редуктор.

Если ЗУ переместит вал СД от его исходного положения в положение угла Θ1 , на выходе однофазной обмотки СП появится переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна разности входного и выходного углов привода Uy = U1 = k1 (Θ1-Θ2) .

Частота напряжения Uy определяется частотой питания однофазной обмотки СД (50, 400 Гц и т. д.). Преобразователь П выпрямляет и усиливает напряжение Uy.

Схемно он может быть представлен фазочувствительным выпрямителем и усилителем постоянного тока, выполненным на различной элементной базе. Например, в качестве выпрямителя может быть использован транзисторный усилитель, а в качестве усилителя — ЭМУ.

Электрический двигатель, получив питание в виде U я в зависимости от полярности этого напряжения начинает поворачивать свой вал и вал СП через редуктор таким образом, что разность углов Θ1 и Θ 2 уменьшается. Как только окажется, что Θ1 — Θ 2 = 0, однофазная обмотка СП перестанет выдавать напряжение Uy, т. е. Uy = 0. Тогда снимется напряжение, подаваемое на якорь двигателя, и он перестанет поворачивать свой вал. Таким образом, система отрабатывает сигнал управления, поступивший извне.

Часто в следящих системах кроме отрицательной связи по углу поворота (по положению) используется обратная связь по частоте вращения. В этом случае схема, приведенная на рис. 2, изменится.

Рис. 4. Схема замкнутого привода с отрицательной обратной связью по частоте вращения

На валу двигателя будет находиться тахогенератор, а напряжение с его обмотки будет подаваться на преобразователь П последовательно с напряжением U у, так как это показано на рис. 4. На практике используют и другие виды обратных связей.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Приводы для точного позиционирования

С распространением в станках принципов ЧПУ роль привода для точных отсчетных перемещений постоянно возрастает. Назначением привода позиционирования является перемещение узла станка из начального положения в заданное конечное положение с определенной точностью. Оценка точности позиционирования осуществляется на основе следующих критериев: рассогласования пути, повторяемости и чувствительности.

Погрешность позиционирования — рассогласование между заданной и фактической величинами. Эта погрешность является случайной функцией и изменяет свое значение во всем интервале возможных перемещений. Погрешность позиционирования имеет систематическую и случайную составляющие.

Повторяемость — дисперсия пути при многократном перемещении из одного и того же исходного положения в постоянное заданное.

Чувствительность (порог чувствительности) -минимальное перемещение задающего устройства (двигателя), на которое реагирует конечное звено кинематической цепи.

Осуществление точного позиционирования возможно различными путями. Разомкнутый привод основан на том, что двигатель, (задающее устройтво), перемещаясь на строго заданный путь, должен через кинематическую цепь привода на тот же путь переместить узел станка. Существенное влияние на точность позиционирования оказывает конечный этап пути подвода узла к заданному положению с некоторой скорость v. В некоторый момент времени Т вращение прекращается и включается тормозной режим, при котором скорость снижается до нуля. Конечное положение, а следовательно, и точность позиционирования зависят от ошибки срабатывания системы управления и ошибки на пути торможения

* J/iM, где T – ошибка срабатывания системы управления, J – момент инерции передвигательного узла, приведенный к тяговому устройству( ходовому винту).

i-передаточное отношение пары винт-гайка.

Привод с обратной связью обеспечивает точность позиционирования за счет датчика, измеряющего фактический путь, и системы управления двигателем по рассогласованию, т.е. на принципах следящего привода.

Определение и обоснование основных технических характеристик оборудования.

Привод микроперемещений.

Основными техническими характеристиками станка, определяющими его производственные возможности, являются:

а) предельные частоты вращения шпинделя (числа двойных ходов столов и др.) n_max и n_min;

б) промежуточные значения частот вращения шпинделя (чисел двойных ходов столов и др.) между n_max и n_min;

в) предельные подачи s_max и s_min;

г) промежуточные значения подач между s_max и s_min;

д) мощность электродвигателя;

е) габаритные размеры заготовки.

Привод микроперемещений:

Упругосиловой приводиспользует для перемещения подвижного узла деформацию упругого звена, которая создается силовым воздействием. При достаточно большой жесткости упругое звено имеет ограниченную общую деформацию, и, следовательно, диапазон перемещения подвижного узла также небольшой.

Привод с растормаживаниемоснован на том, что под действием, системы управления вспомогательное устройство в течение определенного времени пропускает движение от основного электрического, гидравлического или механического двигателя. Дискретное управление растормаживанием от шаговых двигателей дает возможность применять подобные приводы в станках с программным управлением. Тормозящие устройства нередко называют механическими усилителями мощности, имея в виду, что управлять приходится мощностью двигателя во много раз меньшей, чем мощность основного двигателя.

Магнитострикционный привод использует свойство тел из ферромагнитных материалов изменять линейные размеры при намагничивании. В магнитное поле, создаваемое катушкой, помещен жесткий стержень. Один конец стержня жестко связан с неподвижной базовой деталью, а второй конец стержня закреплен в подвижном узле станка. С увеличением напряженности поля размеры стержня изменяются, что и приводит к перемещению подвижного узла.

Тепловой приводоснован на том, что удлинение стержня и соответствующее перемещение узла происходят при непосредственном нагреве стержня. В исходное положение узел возвращается при охлаждении стержня жидкостью, пропускаемой через его внутреннюю полость.

Гидравлический приводс объемным регулированием имеет ограниченные возможности, так как малые стабильные подачи жидкости осуществимы до 2–3 см 3 /мин. Для малых точных перемещений в небольшом диапазоне перспективно использование регулируемых гидростатических опор.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Современные тенденции в развитии линейных сервоприводов

Исторически сложилось, что промышленность так или иначе зависит от разного рода винтовых и ременных передач или пневматических механизмов для решения задач линейного позиционирования. Но растущий спрос на увеличение скорости пропускной способности, миллионы рабочих циклов, гибкость настройки и программирования выявил недостатки данных механизмов. Зачастую приходится идти на компромисс, если дело доходит до точного контролируемого позиционирования в поступательном движении.

В последнее время производители пневмоприводов обновили устройства управления пневматических цилиндров с внешними регулирующими клапанами, датчиками положения и сервоэлектроникой в целях решения некоторых из этих трудностей. Но не так просто построить замкнутую систему позиционирования, учитывая высокий коэффициент трения и динамическую вязкость сжатого воздуха. Управление становится проблематичным из-за упругости и трения воздуха, а также трения поршня.

Технология непосредственного привода линейного двигателя обеспечивает значительно лучший подход к решению задач позиционирования. Данная технология предполагает прямое применение силы электромагнитного взаимодействия без использования ремня, шариковинтовой передачи или иного промежуточного звена. Линейный привод производит непосредственное линейное перемещение, а не преобразует вращательное движение в поступательное.

1. Устройство линейного двигателя

Самый простой способ описать устройство линейного двигателя – это представить двигатель вращения с постоянными магнитами, разрезанный вдоль и развернутый в плоскость. Традиционные линейные двигатели имеют именно такую конструкцию.

Новые линейные двигатели, так называемые tubular linear actuator, имеют форм-фактор соленоида.

Сам двигатель находится в пределах немагнитного корпуса из нержавеющей стали, так называемой каретки. Самонесущая обмотка находится внутри каретки вместе с подшипником скольжения изготовленного из специального полимерного материала. Внутри обмотки размещается подвижный элемент – шток. Шток представляет собой полый немагнитный цилиндр из нержавеющей стали, в котором размещены небольшие сверхпрочные редкоземельные магниты в форме таблеток. Подвижный шток является ключевым компонентом двигателя, он воплощает в себе запатентованный дизайн, который позволяет создать точное синусоидальное магнитное поле по всей его длине. Данная особенность позволяет использовать интегрированные в корпус двигателя датчики обратной связи вместо традиционных внешних датчиков положения. Это важно, поскольку внешние датчики линейных перемещений зачастую могут стоить почти столько же, сколько и сам привод, кроме того, они сами являются высокоточными устройствами, которые требуют специальных условий окружающей среды, точной настройки и технического обслуживания. Интегрированные датчики Холла располагаются на электронной плате под защитной крышкой каретки.

Трубчатый форм-фактор дает поразительные преимущества. Данное исполнение обеспечивает математически идеальную ориентацию магнитного поля между обмотками каретки двигателя и магнитным штоком. Все магнитные силовые линии пересекают проводники с током под прямым углом. Такая ориентация позволяет создать максимальное усилие и эффективность. Высокая эффективность в свою очередь означает минимальное количество выделяемого тепла, которое максимизирует количество рабочих циклов.

Линейным электродвигателем можно управлять с помощью любого трехфазного серводрайвера постоянного тока, который также имеет sin/cos интерфейс обратной связи. Тем не менее лучших динамических показателей можно достичь только при использовании драйверов, специально оптимизированных для работы с линейными двигателями. В частности, такие виды контроллеров движения предлагает компания Copley Controls.

2. Вращательное движение в поступательное. Как правило, вращательное движение преобразуют в поступательное посредством следующих решений:

– Винт-гайка скольжения – Шарико-винтовая передача (ШВП) – Шестерня-рейка – Ременная передача.

Кратко рассмотрим данные преобразующие передачи.

2.1. Передача винт-гайка скольжения: представляют собой приводной механизм, служащий для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки; работает на принципе трения-скольжения.

Преимущества: низкая цена, необратимый ход, высокое развиваемое усилие.

Недостатки: как правило, эффективность данной передачи зависит от типа приводного двигателя и составляет приблизительно 10–40%; устройству свойственны износ и постоянно нарастающий люфт; винт необходимо содержать в чистоте, даже небольшое загрязнение может привести к снижению эффективности или заклиниванию системы.

2.2.ШВП: принцип работы тот же, что и у передачи винт-гайка, за исключением того, что гайка содержит винтовые канавки криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для шариков, которые перемещаются между витками винта и гайки. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал возвращаются в исходное положение.

Преимущества: передача имеет очень высокую степень эффективности – до 98%, большой срок эксплуатации, высокую точность и малый люфт. Недостатки: высокая стоимость; при использовании ШВП необходимо учитывать значительные аксиальные нагрузки, наводимые на выходной вал двигателя, как следствие, требуется применение дополнительной подшипниковой опоры; винт также необходимо содержать в чистоте во избежание заклинивания.

2.3.Шестерня-рейка: шестерня, вращаясь на валу двигателя, приводит в движение зубчату рейку. Преимущества: являет собой достаточно эффективное решение в экономическом плане, также подходит для применений, где требуется большая длина перемещений, большое усилие и точность; эффективность передачи достигает 95%.

Недостатки: как правило, конструкция имеет люфт, для уменьшения люфта необходимо изготавливать контактные зубья с более высокой точностью либо увеличить прижимную силу между шестерней и рейкой, высокая прижимная сила вызывает большие радиальные нагрузки на выходной вал двигателя или редуктора; при движении существует небольшая пульсация скорости; движение носит относительно шумный характер.

2.4.Ременная передача: шкив на валу вращает ремень, который перемещает нагрузку в линейном направлении.

Преимущества: недорогое решение, точность не лучше 50 мкм.

Недостатки: ремень подвержен износу при высоких скоростях и нагрузках; ремень может растягиваться; малый люфт требует высокую степень натяжения ремня, это в свою очередь увеличивает радиальные нагрузки на выходном валу.

Что касается линейных двигателей, то они вобрали практически все преимущества описанных выше устройств и исключили большинство их недостатков. Например, отсутствие винта, гайки и прочих механических узлов делает линейный сервопривод малошумным устройством. Отсутствие элементов, подверженных износу, увеличивает срок эксплуатации двигателей. Например, если необходима высокая точность позиционирования при небольших нагрузках и высоких скоростях, то линейный двигатель способен обеспечить гораздо больший срок эксплуатации, чем сервопривод с ШВП. По тем же причинам линейные приводы в трубчатом форм-факторе не испытывают инерции, отсутствуют такие факторы, как гистерезис и люфт. Результатом является превосходная динамическая жесткость.

Наконец, трубчатые линейные двигатели сегодня находятся не на их физическом пределе. Требования будущих приложений создает необходимость в постоянном уменьшении приводов и в увеличении их чувствительности. Поэтому предел размеров двигателя зависит от стоимости, а не от фундаментальной физики.

3. Линейные серводвигатели Faulhaber

Для реализации особо точного программируемого линейного движения Faulhaber предлагает серию линейных серводвигателей.

Эти приводы при компактном размере (двигатель LM2070 – 20 мм сторона квадрата каретки и 70 мм длина) развивают усилия до 27 Н, могут использоваться как в режиме двигателя (двигается каретка при зафиксированном вале), так и в режиме актуатора (двигается вал, каретка зафиксирована). Благодаря интегрированным линейным датчикам Холла, могут быть достигнуты точности позиционирования до 120 мкм и повторяемости до 40 мкм без применения каких-либо внешних датчиков.

Линейные серводвигатели не требуют смазки либо какого-либо дополнительного обслуживания при работе, бесшумны, развивают скорость до 3,2 м/с, а ускорения – до 198 м/с2. Линейные двигатели Faulhaber предлагаются с различной длиной штока. Доступны исполнения как для работы с компактными контроллерами производителя, так и с синусно-косинусной обратной связью, позволяющие реализовать управление с помощью ПЛК-контроллера. Кроме того, компания Faulhaber, предлагает контроллеры движения специально для работы с линейными двигателями, позволяющие реализовать полноценную настройку и конфигурацию линейного привода. Они свободно программируемы и поддерживают как последовательный интерфейс RS-232, так и сетевой интерфейс CAN.

4. Линейные серводвигател Dunkermotoren

Линейные серводвигатели Dunkermotoren серии ServoTube доступны в двух исполнениях:

1. Двигатели прямого привода, предназначенные для реализации работы в режиме актуатора (подвижный шток двигателя).
2. Компоненты линейных сервосистем, предназначенные для использования в качестве OEM-комплектующих и требующие установки дополнительных подшипников. С помощью таких компонент возможно реализовать работу двигателя с нагрузкой, приложенной непосредственно к каретке при зафиксированном штоке.

В состав двигателя входит интегрированный датчик обратной связи по положению, обеспечивающий повторяемость до 12 микрон. В линейные серводвигатели Dunkermotoren интегрированы линейные подшипники, обеспечивающие долгий срок службы изделия и не требующие дополнительной смазки и другого обслуживания. Серия линейных серводвигателей ServoTube может похвастать диапазоном развиваемых скоростей до 9,4 м/с и ускорений до 586 м/с2. Актуаторы характеризуются классом защиты IP67 и развивают постоянное рабочее усилие от 7 до 276 Н при долговременных нагрузках. Все двигатели соответствуют индустриальным стандартам, что позволяет провести их быстрое внедрение в уже работающие системы. Предлагается большое количество аксессуаров для интеграции актуаторов на базе линейных серводвигателей на замену пневмоцилиндров. Для комплектации с двигателями также предлагаются различные управляющие контроллеры от производителя двигателей.

4.1. Специальная версия защищенных линейных серводвигателей

Специальная серия серводвигателей Dunkermotoren представляет собой мехатронные изделия, реализующие работу в режиме актуатора.

Двигатели этой серии отличаются корпусом, выполненным из нержавеющей стали и характеризуются классом защиты IP69K. Водяное охлаждение двигателей этой серии позволяет развить усилие до 460 Н. В двигатель интегрирован энкодер с разрешением 10 мкм, что обеспечивает повторяемость 25 мкм. режиме актуатора (подвижный шток). Питание двигателя осуществляется от трех фаз, величина питающего напряжения может достигать 600 В. Благодаря этому возможно использование как управляющей электроники, предлагаемой Dunkermotoren, так и контроллеров от сторонних производителей.

4.2. Модули линейного движения

Модули линейного движения компании Dunkermotoren — это готовые к использованию и интеграции в создаваемые системы мехатронные решения. В основе модуля лежит линейный серводвигатель Dunkermotoren, оснащенный направляющей, концевыми выключателями, цепным шлейфом и другими сопутствующими компонентами. Опционально возможно оснащение модуля линейным энкодером сразрешением до 1 мкм для решения задач позиционирования с высокой точностью.

Модуль линейного движения может иметь от 1 до 3 степеней подвижности комплектуется всегда индивидуально по ТЗ заказчика. Использование модулей линейного движения на базе линейных серводвигателей является хорошей альтернативой приводам на базе шариковинтовых и ременных передач. Модули Dunkermotoren широко применяются в упаковочных машинах и других автоматических линиях.

Илья Герасимов, инженер ООО «Микропривод»
Журнал «Конструктор. Машиностроитель», 2012, №1