Электропривод с числовым программным управлением (ЧПУ)

ЭП с ЧПУпредставляет собой универсальную систему числового программного управления. В обрабатывающей про­мышленности, где она находит основное применение, эта система обеспечивает существенное повышение производительности труда и качества обработки деталей.

При использовании ЭП с ЧПУ все технологические данные по обработке изделий - скорость и перемещение изделий или обраба­тывающего инструмента, их направление, последовательность опе­раций при обработке и другие - задаются в виде чисел. Совокуп­ность этих чисел образует программу обработки данного изделия, предварительно рассчитанную, закодированную, записанную на тот или иной программоноситель (перфоленту, перфокарту или магнит­ную ленту). Перед обработкой изделия программа вводится в про­граммное устройство ЭП, которое в дальнейшем обеспечивает об­работку изделия без непосредственного участия рабочего. Для об­работки другого изделия требуется лишь сменить программу, что значительно сокращает время обработки за счет исключения вспо­могательных операций (подвода и отвода инструмента, измерения детали, установки подачи и скорости резания и др.).

Системы ЧПУ подразделяются на аналоговые (непрерывные) и дискретные (импульсные). В аналоговых системах ЧПУ совокуп­ность чисел, образующих программу обработки изделия, преоб­разуется в какую-либо непрерывно изменяющуюся аналоговую фи­зическую величину (напряжение постоянного тока, фазу или амп­литуду синусоидального напряжения и др.), которая и является входным управляющим воздействием на ЭП. В дискретных систе­мах ЧПУ программа в конечном итоге представляется последова­тельностью управляющих импульсов, каждому из которых соот­ветствует определенное перемещение инструмента или изделия. Число импульсов определяет значение перемещения, а их частота - скорость.

Системы ЧПУ работают в одном из двух режимах: позиционирования или контурной обработки.

Позиционные (координатные) системы ЧПУ обеспечивают точную установку инструмента относительно изде­лия или их прямолинейное перемещение. Такие режимы необходимы при фрезеровании, сверлении или расточке несколь­ких отверстий, а также при точении и строгании изделий. Инстру­мент или изделие в этом случае перемещается по кратчайшему пря­молинейному пути между точками установки (позициями) инстру­мента.

Контурные (функциональные) системы ЧПУ обеспечивают перемещение инструмента или изделия по произвольным траекто­риям, что требуется при контурной обработке изделий различной конфигурации.

Системы ЧПУ могут быть замкнутыми и разомкнутыми. В зам­кнутых системах с помощью датчиков измеряется действитель­ное положение инструмента или изделия и эта информация в виде сигнала обратной связи подается в сравнивающее устройство, где она сопоставляется с сигналами программного устройства. При отличии действительного положения от заданного в систему уп­равления ЭП поступают дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие необходимую коррекцию положения инстру­мента или изделия, а значит, большую точность обработки изде­лий.

В разомкнутых системах ЧПУ движение инструмента или изде­лия не контролируется и непосредственно не сопоставляется с за­данным. Поэтому случайное изменение параметров системы или какие-либо внешние возмущения, например изменение момента со­противления на валу привода, вызывают снижение точности отра­ботки программы. Вместе с тем разомкнутые системы проще замк­нутых в наладке и эксплуатации.

Процессу обработки изделия на станке с системой ЧПУ предше­ствует подготовка программоносителя, которая состоит из нескольких этапов. Исходными данными для составления программы обработки изде­лия являются технологические данные: размеры заготовки, чертеж из­делия, материал заготовки, характеристика инструмента, необходимая степень точности изготовления изделия, характер и вид обработки.

На первом этапе составления программы изготавливается специ­альный чертеж, в котором изделие изображается в системе прямоу­гольных координат XY (при объемной обработке вводится и третья координата Z). Далее в принятой системе координат программирует­ся перемещение инструмента (изделия), при этом для позиционных систем ЧПУ программируется перемещение между двумя последова­тельно обрабатываемыми точками, а для контурной системы ЧПУ - перемещение центра инструмента (изделия) по требуемой траектории.

На следующем этапе подготовки программы составляется тех­нологическая карта обработки изделия, в которой определяется последовательность всех перемещений инструмента (изделия) с ука­занием скорости, подачи и глубины резания, а также значения пе­ремещений по координатным осям. Для удобства ввода и сокраще­ния длины программоносителя все данные технологической кар­ты кодируются. В системах ЧПУ наиболее распространенными яв­ляются двоичный и двоично-десятичный коды. Одним из самых распространенных является код 1-2-4-8, имеющий обычные деся­тичные разряды 10⁰, 10¹, 10² и т.д., в каждом из которых использу­ются лишь числа 1, 2, 4, 8 («веса» кода), изображаемые в двоичном коде. Например, число 439 в этом коде записывается так: 439 = = 4∙10²+ (1 + 2)∙10¹ + (1 + 8)∙10⁰. Двоично-десятичные коды сочетают в себе емкость десятичных кодов и удобство представления инфор­мации на программоносителе, характерное для двоичных кодов.

Программа на программоносителе записывается в виде отдель­ных «фраз» (блоков). Каждый блок содержит всю информацию по обработке изделия на данном этапе технологического цикла - на­правление и скорость перемещения по координатным осям, режи­мы обработки, охлаждения и др. Эта информация выражается с по­мощью отдельных слов, каждое из которых определяет или значе­ние перемещения по осям координат, или его скорость и направле­ние, или какие-либо вспомогательные команды.

Подготовленный программоноситель ПН, содержащий программу обработки изделия в закодированном виде помещается в устройство ввода и обработки программы (УВОП) (см. рис 225). Система ЧПУ обеспечивает также соответствующее управление различными электромеханическими и электромагнитными устрой­ствами, например электромагнитными муфтами, электромагнита­ми различных механических приспособлений станка, катушками реле и контакторов, которые на схеме рис.227 условно обозначены блоком электроавтоматики ЭА.

Рис.225.Структурная схема ЭП с программным управлением

Схема ЭП с ЧПУ, приведенная на рис. 225, может быть до­полнена датчиками параметров технологического процесса обра­ботки детали (блок ДТП) и координат электропривода. В этом случае система ЧПУ становится замкнутой и обеспечивает более высокое качество обработки деталей. Кроме того, схема ЭП с ЧПУ содержит ряд не показанных на рисунке блоков и устройств, обес­печивающих контроль ввода программы, ее выключение и защи­ту, а также различные блокировки и сигнализации при работе элек­трооборудования станка.

Часто оказывается удобным записывать программу на маг­нитную ленту, что позволяет получать большую плотность за­писи программы и производить операции считывания и декоди­рования на отдельно расположенных от станка устройствах. За­пись производится в несколько дорожек, часть из которых со­держит информацию о перемещениях по координатам, а часть - о направлении движения, режимах резания, применяемых инст­рументах и др.

Информация на магнитной ленте записывается в виде так назы­ваемого унитарного кода, т.е. непрерывной последовательности импульсов управления, обеспечивающих перемещение исполнитель­ных органов станка в соответствии с их числом.

Рис.226. Структурная схема разомкнутой системы ЧПУ с шаговым двигателем

Для примера рассмотрим структурную схему системы ЧПУ с ша­говым двигателем (рис. 226), с помощью которого стол фрезерного станка перемещается по одной координате.

Программа перемещения стола, записанная на магнитную лен­ту МЛ в виде унитарного кода, считывается с помощью магнит­ной головки МГ. В зависимости от требуемого направления дви­жения импульсы направляются по одному из каналов управления и после усиления в блоках УС поступают на вход системы управле­ния шаговым двигателем СУ ШД.

Двигатель отрабатывает командные импульсы и через механи­ческую винтовую передачу ВП перемещает стол С. Общее число импульсов определяет перемещение стола, а их частота - скорость этого перемещения. Для движения стола по другой координате ис­пользуется аналогичный ЭП.

Рис.227. Структурная схема ЭП с программным устройством на основе ЭВМ

По своим техническим возможностям и особенностям структу­ры системы ЧПУ подразделятся на четыре группы, имеющие в со­ответствии с международной классификацией обозначения HNC, SNC, CNC и DNC.

Система HNC (Hand numerical control) обеспечивает оператив­ное управление посредством ручного задания программы с пульта управления. Система SNC (Stored numerical control), имеющая уст­ройство памяти для хранения программ, обеспечивает обработку партии одинаковых заготовок, производя единственное считыва­ние программы перед обработкой. В системе CNC (Computer numerical control) используются микроЭВМ, позволяющие програм­мировать работу и вырабатывать требуемый алгоритм управления. Система DNC (Direct numerical control) позволяет осуществлять пря­мое цифровое управление группой станков с ЧПУ с системами SNC и CNC.

В настоящее время наибольшее развитие получили системы ЧПУ с использованием микропроцессоров и микроЭВМ (рис. 228).

Управляющая программа вводится в ЭВМ с программоноси­теля ПН (или пульта управления ПУ) через блок ввода програм­мы БВП и устройства ввода-вывода УВВ1. Далее она поступает в устройство памяти микроЭВМ. В постоянном запоминающем устройстве ПЗУ хранятся постоянные части программы, данные для декодирования, интерполирования и необходимых вычисле­ний.

В оперативное запоминающее устройство ШУ поступает кроме данных управляющей программы текущая информация от датчи­ков обратной связи ДОС о ходе технологического процесса, состо­янии защит и блокировок, определяющая управляющее воздействие на ЭП и устройства электроавтоматики станка ЭА. Связь микроЭВМ с электрооборудованием станка осуществляется через устрой­ства ввода-вывода УВВ2 - УВВ4. Кроме того, ЭВМ включает в себя микропроцессор МП и таймер Т.

Применение микроЭВМ в системах ЧПУ повышает их функци­ональные возможности, например, позволяет с помощью програм­мы управлять станком, осуществлять диалоговый режим между опе­ратором и станком, производить диагностику состояния станка и системы ЧПУ, реализовывать универсальный как позиционный, так и кон­турный - режим обработки деталей.

Кроме того, микроЭВМ позволяет осуществлять управление не­сколькими электроприводами, обеспечивающими движение инст­румента (детали) по различным координатам и дайте пояснения принципа работы этой схемы.

15.3.Ограничение ускорения при программном управлении ЭП

На вход системы подается задающий сигнал, изменяющийся во времени по определенному закону. Путем ограничения первой и второй производных сигналы U_з = f(t) достигается формирование переходных процессов, близких к оптимальным. Программное управление успешно применяют в системах с мало - или безынерционными преобразователями, в частности в системах ТП-Д, ШИП-Д. Оно оказывается эффективным также и в системах с инерционным преобразователем в тех случаях, когда требуемая длительность переходных процессов велика по сравнению с постоянной времени преобразователя ТП.

Наиболее простым и поэтому нашедшим широкое применение в системах ТП-Д является программное управление с помощью ЗИ обычно реализующего линейный закон нарастания или спадания задающего сигнала за время, примерно равное длительности переходного процесса

Рис.228.Схема, реализующая программное управление ЭП

Рис. 229.Временные диаграммы при программном пуске и торможении

Рассмотрим схему с непрерывной ОСС и коэффициентом ОС k_c. Сигнал на ЗИ подается от БКА (см. рис. 228).

Известно, что для линейной АСУ зависимость регулируемой величины в переходном процессе, вызванном линейным изменением задающего воздействия, может быть определена как интеграл переходной функции h_g(t).

Введем обозначения:

а_п=U_з/t_{п з} - темп изменения задающего сигнала при пуске;

а_т=U_з/t_{т з} — темп изменения задающего сигнала при торможении;

где t_{п з}, t_{т з} — время изменения сигнала U_з в пределах от 0 до U_з и наоборот.

М_дин — динамический момент;

М_с =0 — статический момент примем равным 0.

М_{дин.п. уст} — динамический момент на участке пуска с постоянным ускорением e_{п. уст}.

При известной величине s максимум динамического момента:

М_{дин.п.max} = (1+s) М_{дин.п. уст} (375)

С другой стороны

(376)

поэтому

(377)

где e_{п max} — максимальное ускорение.

На участке процесса, где Ω = e_{п. уст}t, результирующий сигнал управления:

(378)

поскольку U_осс = k_c Ω.

Тогда изменение ЭДС преобразователя е_п во времени будет описываться уравнением:

(379)

Ток якоря при этом:

(380)

Дифференцирование (380) приводит к соотношениям:

или (381)

После дифференцирования (379) и подстановки из (381) получим:

(382)

Таким образом, при неизменных параметрах системы ускорение привода прямо пропорционально темпу роста задающего напряжения.

При заданном ускорении e_{п max} = e_доп допустимое значение а_{п. доп} найдем из (382) с учетом (377):

(383)

Когда М_с ¹ 0, то динамический момент будет по-прежнему зависеть только от величины а_п. При необходимости ограничения максимума момента или тока якоря двигателя допустимым значением М_доп (I_{я. доп}) потребуется, чтобы

(384)

поскольку М_доп = М_{дин.п.max}+М_с.

При торможении требуемое значение а_{т. доп} находят при заданном значении e_доп также по (383), а при заданном М_доп как

(385)

Первые производные момента (рывок) или тока якоря в рассмотренной схеме ограничены слабо, поэтому в случае формирования оптимального процесса с относительно большим временем нарастания момента (тока) следует использовать более сложный закон U_з(t) с ограничением второй производной сигнала U_з.

При нелинейности характеристики E_п = f(U_у) фактическая длительность переходного процесса несколько увеличится по сравнению с расчетной, когда принимается k_п=const.