книги из ГПНТБ / Кужим, Т. П. Электрические системы управления приводами металлорежущих станков обзор патентных описаний

МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ (НИИМАШ)

■СЕРИЯ С-1

УДК 621.3.06-83-523(088.8)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

ОБЗОР ПАТЕНТНЫХ ОПИСАНИИ

М О С К В А 1974

ВВЕДЕНИЕ

Период с 1962 по 1973 гг. характеризуется быстрым развитием металлорежущих станков с числовым программным управлением, расширением их производства и использования, появлением новой группы станков — многооперационных с автоматической сменой инструмента типа «обрабатывающий центр». В это же время интен­ сивно развивается силовая и преобразовательная техника, в резуль­ тате чего основным источником питания электроприводов постоян­ ного тока становятся регулируемые тиристорные преобразователи. Этому способствовали такие их положительные качества, как от­ сутствие вращающихся частей, постоянная готовность к действию, высокие коэффициенты усиления по мощности и напряжению.

Цель обзора — ознакомить инженеров-электриков, конструкто­ ров и патентоведов, участвующих в создании конструкций новых станков, с направлениями работ фирм промышленно развитых ка­ питалистических стран в области тиристорных электроприводов тяжелых металлорежущих станков и систем управления электро­ приводами.

Были изучены официальные издания патентных ведомств Вели­ кобритании, Франции, ФРГ, США [1,3—6], что позволило с доста­ точной полнотой учесть патенты заданной тематики, и полные патентные описания, относящиеся к данной теме за 1962—1973 гг.

Обзор состоит из двух разделов. Первый раздел посвящен тири­ сторным реверсивным электроприводам постоянного тока с широ­ ким диапазоном регулирования скорости, следящим тиристорным электроприводам для копировальных станков и корректирующим цепям в схемах электропривода; второй раздел — контурным сис­ темам числового программного управления (СЧПУ) с интерполя­ торами, позиционым СЧПУ с абсолютной и относительной точками начала отсчета, с устройствами грубого и точного позиционирова­ ния и цифровой индикацией, системам управления станками с не­ сколькими управляемыми координатами и многооперационными станками типа «обрабатывающий центр» с применением микроком­ пьютеров и цифровых вычислительных машин (ЦВМ), адаптивным системам управления.

В приложениях даны перечни, охватывающие весь фонд патен­ тов рассматриваемой тематики за последние десять лет. В приводи­ мых рисунках сохранена нумерация, принятая в соответствующих патентных описаниях.

3

ЭЛЕКТРОПРИВОД постоянного ТОКА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Современный электрический привод тяжелых станков представ­ ляет собой сложную систему управления и регулирования. Стати­ ческие 'и динамические характеристики привода оказывают решаю­ щее влияние на технико-экономические показатели станков.

Высоким требованиям в отношении глубины и плавности регу­ лирования скорости вращения якоря исполнительного двигателя, жесткости его механических характеристик, точности и быстродей­ ствия наиболее полно удовлетворяет электропривод с двигателями постоянного тока.

Электродвигатель постоянного тока как объект регулирования имеет два входа для управляющих сигналов. Это позволяет изме­ нять скорость вращения якоря путем изменения напряжения под­ водимого к якорю, и потока возбуждения двигателя, а также создать на базе этого двигателя электропривод с двухзонным регу­ лированием.

Разработка и производство мощных вентилей и тиристоров поз­ волили использовать для питания двигателей постоянного тока вентильные регулируемые преобразователи.

Анализ патентных материалов показывает, что в тиристорных приводах применяются реверсивные вентильные преобразователи построенные как с раздельным управлением группами вентилей, так и совместным.

Различные варианты устройств раздельного управления встре­ чаются, например, в патентных описаниях фирм Siemens (ФРГ). При этом отмечается, что применение патентуемой структуры ре­ версивных преобразователей позволяет существенно повысить быстродействие системы в делом и осуществлять управление пре­ образователем практически безынерционно с высокой степенью надежности.

Для обеспечения требуемых статических и динамических харак­ теристик привода в схему вводятся устройства управления вентиль­ ными преобразователями и корректирующие цепи.

4

ТИРИСТОРНЫЕ РЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ШИРОКИМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ

В тяжелых расточных станках применяется широкорегулируе­ мый электропривод подачи, в котором управление скоростью осу­ ществляется только изменением напряжения якоря, и привод вра­ щения шпинделя о двухзонным регулированием скорости посредст­ вом изменения напряжения якорной цепи и потока возбуждения двигателя.

Тиристорный широкорегулируемый электропривод выполнен в виде замкнутой системы автоматического регулирования с основной обратной связью по скорости. В качестве измерителя скорости применен тахогенератор, для питания якорной цепи и цепи обмотки возбуждения использован реверсивный вентильный преобразова­ тель с управляющими устройствами и схемами токоограничения и защиты.

Эталонное напряжение задающего регулятора скорости сравни­ вается с напряжением тахогенератора, а их разность после усиле­ ния промежуточными усилительными элементами используется для управления работой вентильного преобразователя.

Привод вращения шпинделя, может быть выполнен с зависимой системой управления потоком возбуждения и с раздельным управ­ лением напряжением якоря и потоком возбуждения.

СЛЕДЯЩИЕ ТИРИСТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

В тяжелых копировальных металлорежущих станках и станках q СЧПУ широко применяется электропривод, построенный на базе тиристорного привода широкого диапазона и малоинерционного двигателя постоянного тока, регулируемый по положению рабочего органа.'

По своей структуре следящий тиристорный привод представляет собой двухконтурную астатическую систему первого пли второго порядка или многоконтурную систему связанного (или несвязанно­ го) автоматического регулирования с несколькими управляемыми величинами с симметричными или несимметричными каналами.

Электропривод постоянного тока с комбинированным управле­ нием силой тока в цепи якоря и потоком возбуждения.

Описан привод с двигателем постоянного тока, в котором приме­ нено комбинированное управление силой тока в цепи якоря и в цепи возбуждения.

Для литания якорной цепи двигателя использован выпрями­ тель на КУВ, подключенный к трехфазному источнику переменного тока через силовой трансформатор (рис. 1). Контур обратной связи

5

по току якоря двигателя содержит датчик тока, сигнал с которого поступает на триггер и в контур обратной связи в цепи возбужде­ ния. Питание обмотки возбуждения двигателя осуществляется от мостового тиристорного выпрямителя. Контур обратной связи в це­ пи возбуждения содержит датчик напряжения на якоре двигателя

10 — исполнительный двигатель; 11 — мостовой тиристорный выпрямитель

и датчик-линейного напряжения, используемого для регулирова- «ия тока в цепи возбуждения. Задающий сигнал и сигнал обратной связи по скорости с тахогенератора поступают на вход детектора ошибки. Сигнал управления скоростью двигателя используется и для управления током якоря.

Схема настраивается таким образом, что противо-э. д. с. в цепи якоря всегда будет меньше, чем напряжение, прикладываемое к якорю. Двойное управление цепью обратной связи обеспечивает высокое быстродействие во всем диапазоне скоростей и постоянст­ во момента на разных скоростях.

6

V

Цифровая система управления предназначена для управления тиристорным преобразователем мощности на КУВ, запитанным от многофазного источника переменного тока. Цифровой сигнал управления сравнивается с цифровым сигналом обратной связи по скорости электродвигателя.

Рис. 2. Функциональная схема системы фазового управления тиристорами преобразователя мощности:

Сигнал ошибки вырабатывается в результате сравнения цифро­ вого сигнала управления с сигналом обратной связи по скорости. Формирование управляющих импульсов для каждой фазы осу­ ществляется цифровой схемой, содержащей реверсивный счетчик и цифровой компаратор. Синхронность управления соответствую­ щим КУВ осуществляется логической схемой контроля фазы источника переменного тока путем предварительного ввода задан­ ного положительного или отрицательного числа в реверсивный счет­ чик, соединенный с каждой фазой. Реверсивный счетчик выдает команду «вперед», если число положительное, или команду «назад», если число отрицательное. Цифровой компаратор осуществляет не­ прерывное сравнение цифрового сигнала ошибки с информацией,

7

связи сравниваются с задающими сигналами на входе дифферен­ циального усилителя с большим 'коэффициентом усиления. Выход­ ное напряжение этого усилителя представляет собой алгебраическую сумму напряжений, прикладываемых к его инвертирующему и неинвертирующему входам. Это напряжение используется для управ­ ления фазой угла отпирания кремниевых управляемых тиристоров с целью поддержания заданной скорости вращения, а также для ограничения максимального значения тока якоря.

Привод обеспечивает регулирование скорости в широких пре­ делах.

Напряжение на якорную обмотку двигателя постоянного тока поступает с реверсивного преобразователя на КУВ. Преобразова­ тель через силовой трансформатор подключен к трехфазному источ­ нику переменного тока. Управляющие импульсы поступают на вен­ тили 6, 7 с блоков управления 10, 11 (рис. 4). Уравнительные токи

всистеме отсутствуют. В схему введен трансформатор тока, сигнал

скоторого через вспомогательный выпрямитель тока и резистор 20 поступает на регуляторы тока.

Схема настраивается таким образом, что при обесточенной системе вентилей на регулятор тока подается в качестве задающего напряжение, пропорциональное напряжению, подаваемому на якорь двигателя. При этом существенно повышается быстродействие сис­ темы, и управление реверсивным преобразователем осуществляется

•практически безынерционно. Такой режим обеспечивает ограниче­ ние бросков тока, возникающих при работе без уравнительных

токов.

Защита тиристорных источников питания двигателей постоянно­ го тока.

приводит к опрокидыванию инвертора и аварийным режимам. Для предотвращения повреждений тиристоров при неисправности линей­ ного напряжения в систему введена схема гашения, предотвращаю­ щая зажигание тиристоров. Модуль защиты управляет включением заряженного конденсатора на проводящие тиристоры на заданное

9