книги из ГПНТБ / Сергиевский, Л. В. Наладка, регулировка и испытание станков с программным управлением учебное пособие

ность управляющего входа мала. Например, в системе ЧПУ станка мощность приводного двигателя составляет несколько тысяч ватт, а входной сигнал от магнитной ленты — сотые и тысячные доли ватта. Поэтому в данном случае в системе задают коэффициент усиления по мощ­ ности, равный отношению выходной величины ко входной величине, т. е.

где Pcs — мощность силового элемента;

Рчь — мощность чувствительного элемента. Следовательно, основная цепь системы должна уси­

лить сигнал по мощности в тысячи и сотни тысяч раз. Увеличение коэффициента усиления системы с шаго­ вым приводом (импульсно-шаговая система ЧПУ) благо­ приятно влияет на уменьшение точностных ошибок почти во всех типовых режимах работы системы. Однако уве­ личение коэффициента усиления ограничивается устой­ чивостью системы. При повышении коэффициента усиле­ ния система, как правило, приближается к колебатель­ ной границе устойчивости. В этом сказываются противо­ речия между требованиями к точности и требованиями к устойчивости системы. Чтобы не ухудшать динамику системы, усилители должны'иметь постоянное усиление

для всей области частот следящей системы.

В следящих приводах станков с ЧПУ усиление сиг­ нала управления обеспечивается полупроводниковыми, электромашинными, гидравлическими и механическими усилителями.

При обслуживании реальных схем усилителей систем ЧПУ необходимо иметь четкое представление о влиянии на коэффициент усиления изменения определенных пара­ метров усилителя при замене вышедших из строя элемен­ тов или при настройке всей цепи усиления. В качестве примера рассмотрим усилитель мощности системы управ­ ления «Контур 4МИ-68», приведенный на рис. 52. Усили­ тель мощности состоит из двух каскадов усиления (77; Т2) и эмиттерного повторителя (Т3\ Т4), который служит для согласования входной и выходной цепей, (выходная цепь нагружена на обмотку шагового двигателя). Входные цепи на диодах {Д1\ Д2) выполняют логическую опера­ цию «ИЛИ», так как на вход усилителя сигналы посту­ пают с разных триггеров в разное время.

110

Рис. 52. Схема транзисторного усилителя мощности:

отдельных каскадов усилителя и перемножив их, получим коэффициент усиления всего усилителя, так как коэф­ фициент усиления многокаскадного усилителя в относи­ тельных единицах равен произведению коэффициентов усиления его каскадов, т. е. К ус = K iK 2K3.

Второй и третий каскады данного усилителя здесь рассматривать не будем, так как один из них является транзисторным ключом с фиксирующим диодом (Д3\ Д4), а другой — эмиттерным повторителем с коэффициентом усиления, близким к единице.

Первый каскад является усилителем с потенциометри­ ческой межкаскадной связью, где компенсация постоян­ ного потенциала, поступающего с выходного электрода предыдущего каскада на вход следующего, осуществ­ ляется источником постоянного напряжения + 6 В через делители напряжения (потенциометры), состоящие из ре­

111

Рис. 53. Изменение ампли­ туды и формы сигнала в усилителе-ограничителе при изменении коэффи­ циента усиления преды­ дущего каскада. Коэффи­ циент усиления-.

I — 400; 2 — 300; 3 — 250; 4 — 100

Из рассмотренного выражения видно, что на коэф­ фициент усиления усилителя при его настройке будут влиять параметры транзистора 77, величина сопротивле­ ния резисторов R2, R3 и R6 и входное сопротивление второго каскада.

При исследовании влияния коэффициента усиления усилителя считывания в системе ЧПУ (см. рис. 20) на работу усилителя-ограничителя влияет изменение кол­ лекторного сопротивления R3 в цепи транзистора преды­ дущего усилителя. Было замечено, что при изменении усиления предыдущего каскада на выходе усилителяограничителя изменяется не только амплитуда сигнала, но и форма сигнала. Изменение формы сигнала и особенно переднего фронта оказывает влияние на работу следующего каскада-триггера. Изменение амплитуды и формы усили­ теля в зависимости от изменения коэффициента усиления предыдущего каскада показано на рис. 53.

На рис. 54, а показан гидравлический двухкаскадный усилитель, состоящий из электромеханического преобра­ зователя / и управляющего золотника 3 с сервоцилин­ дром 4, жидкость в который подается по каналу р, а слив осуществляется по каналу р 0. Усилитель используется

112

q — количество жидкости, проходящей через щель золотника;

здесь К3— коэффициент, зависящий от конструкции зо­ лотника и рабочей жидкости.

И окончательно уравнение запишется в виде

Золотник преобразует линейное перемещение в пере­ менный расход, который сервоцилиндром превращается в выходную скорость, так что выходное положение штока сервоцилиндра пропорционально интегралу по времени от тока управления.

В действительности описание процессов в гидроусили­ теле значительно сложнее, чем следует из выражения (2), однако учет второстепенных факторов приводит к слож­ ным и трудноприменимым выражениям. Поэтому при ис­ следовании гидроусилителя данного типа с поступатель­ ным движением как элемента системы ЧПУ целесообразно считать его идеальным интегрирующим звеном. Из выра­ жения (2) видно, что при настройке такой системы необ­ ходимо учитывать передаточный коэффициент (коэффи­ циент усиления), зависящий от коэффициентов К и Къ, К3 и площади поршня А [3, 10].

В общем случае при настройке усилителей коэффициент усиления определяется в первую очередь требованиями по точности системы. Изменение коэффициента усиления в рабочих условиях должно быть доведено до возможно меньшей величины, для того чтобы упростить выполнение стабилизации системы ЧПУ.

§ 4. НАСТРОЙКА УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для перемещения управляющих устройств гидравличе­ ских исполнительных механизмов электрогидравлических следящих систем станков с ЧПУ используются электро­ механические элементы различных видов, служащие для преобразования электрического напряжения постоянного или переменного тока в механическое перемещение, силу

114

или скорость. Электромеханические управляющие эле­ менты в электрогидравлических, особенно в быстродей­ ствующих следящих системах станков с ЧПУ должны раз­ вивать максимально возможную силу; гистерезис и зоны нечувствительности должны отсутствовать. Эти требования в системах станков с ЧПУ выполняются при помощи электромеханических преобразователей (ЭМП), построен­ ных на электромагнитном принципе. Принцип действия преобразователя рассмотрен в гл. II.

Напишем уравнение сил электромагнитного преобра­ зователя с поступательным движением якоря при действии на якорь нагрузки

Очевидно, для того чтобы судить о влиянии настроек и регулировок на внешнюю и тяговую характеристики электромагнитного управляющего элемента как звена в цепи управления, необходимо определить внешнюю ста­ тическую характеристику электромеханического преобра­ зователя. Для этого необходимо рассмотреть характер сил, действующих на якорь при поступлении управляю­ щего сигнала в обмотки управляющего элемента; взаимо­ действие их рассмотрено в работе [10].

В дифференциальной схеме включения обмоток преду­ смотрено наличие управляющего сигнала в виде разности Ai = г2 — ii токов в катушке. При отсутствии управляю­ щего сигнала начальные токи, протекающие в катушках, равны друг другу (ix = /2). Величина сигнала управления принимает максимальное значение в том случае, когда

ского преобразователя на его якорь со стороны каждого полюсного наконечника действуют противоположно на­ правленные силы Fi и F2, которые могут быть представ­ лены в виде [10]

115

Эта сила вызывает смещение якоря из среднего поло­ жения, изменяя геометрию рабочих зазоров и величины их магнитных проводимостей по ходу якоря.

Поскольку концы якоря, входящие в полюсные на­ конечники магнитопровода, имеют форму усеченного ко­ нуса, то проводимость рабочих зазоров выражается за­

сделать заключение, что на тяговую характеристику элек­ тромеханического преобразователя, разработанного и экс­ плуатируемого в станках с ЧПУ, будут влиять как пара­ метр настройки только первоначальные токи в обмотках преобразователя it и г2, так как остальные параметры постоянны для эксплуатируемого электромеханического преобразователя.

На рис. 55 приведены статические характеристики электромеханического преобразователя в зависимости от изменения жесткости пружин подвески. По оси ординат показано изменение величины перемещения сердечника ЭМП, по оси абсцисс — токи в катушках ЭМП.

Увеличение жесткости пружин, которое возможно при настройке электромеханического преобразователя при не­ больших ходах, нарушает линейность и угол наклона

116

инастройке, учитывать

образователя.

Все предыдущие рассуждения были рассмотрены при условии, что сила нагрузки Fa электромеханического преобразователя постоянна. Нередки случаи, когда эта сила является одной из причин низкого качества следящей системы станка, ее нестабильности и малой надежности.

Перемещению золотника в осевом направлении пре­ пятствует ряд сил, которые необходимо преодолеть элек­ тромеханическому преобразователю, управляющему этим золотником. К ним относятся силы сухого трения, силы вязкого трения, силы облитерации, силы инерции и осевые гидродинамические силы. Силы инерции и силы трения могут быть рассчитаны и определены экспериментально, но они имеют сравнительно небольшое значение в общем балансе сил, действующих на золотник. Большое влияние в ряде случаев оказывают облитерационные силы, но они не поддаются расчету, нестабильны и их величина может быть определена лишь ориентировочно. Кроме того, на­ ложение осцилляции снимает облитерационные силы. По­ этому наибольший интерес представляет оценка гидроди­ намических сил, создаваемых струей жидкости, протекаю­ щей через рабочие окна золотниковой пары.

117

гидродинамические силы, можно определить, что основ­ ными параметрами, влияющими на настройку золотника, являются параметры рабочей жидкости, геометрические размеры рабочей щели золотника, рабочий ход золотника, величина давления в линии нагнетания. Последнее под­ тверждается экспериментальными данными [46].

На рис. 56 показаны графики изменения гидродинами­ ческой силы в зависимости от перепада давления в про­ ходной щели золотника Ар и расхода жидкости Q. Гидро­ динамическая сила, действующая на плунжер золотника, состоит из переменной и установившейся составляющих сил. Установившаяся сила по своей абсолютной величине значительно больше переменной составляющей силы. Она и принимается во внимание при настройке и регулировке

118

золотников и зависит от перепада давления в проходнсщ щели золотника, величины перемещения золотника и рас­ хода жидкости.

Для уменьшения гидродинамической силы и силы тре­ ния на плунжер золотника иногда накладывают принуди­ тельное незначительное колебание вблизи нулевого пере­ крытия рабочих щелей золотника (осцилляцию). Наличие гидродинамической силы и осцилляции может вызвать дополнительные силы, стремящиеся открыть золотник и привести к нежелательным автоколебаниям в системе управления.

§ 5. НАСТРОЙКА ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ГИДРОСИСТЕМЫ СТАНКОВ

Известное в теории регулирования противоречие между устойчивостью и точностью систем автоматического управ­ ления приводит к необходимости оптимальной настройки, когда можно получить точность в несколько раз большую, чем при обычной настройке, при незначительном умень­ шении запаса устойчивости.

Для управления движениями рабочей жидкости в гид­ росистемах станков с ЧПУ применяют различную аппара­ туру для ограничения давления насоса и потребляемой мощности, защиты гидросистемы от перегрузок и регули­ рования давления в любом месте гидросистемы станка.

К аппаратуре защиты относятся предохранительные клапаны, ограничивающие повышение давления в системе сверх заданного путем периодического и однократного отвода (стравливания) жидкости в бак. Если клапан не срабатывает, его затвор должен герметически закры­ вать входное отверстие.

К аппаратуре регулирования относятся обратные кла­ паны, предназначенные для пропуска жидкости в том на­ правлении, в котором затвор клапана открывается под действием давления жидкости. Если давление жидкости уменьшается, затвор клапана под действием его веса или силы пружины опускается и перекрывает входное отвер­ стие. Обратный клапан — пассивное сопротивление по­ току рабочей жидкости, и поэтому оно должно быть ми­ нимальным, определяемым формой затвора клапана и площадью его прохода. Клапан с конусным затвором ока­ зывает меньшее сопротивление потоку жидкости, чем, например, плоский или шаровой. Опорная поверхность

119