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

йены такие прижимы. Применение прижимной колодки вызывает торможение ленты и увеличивает износ головки и ленты. Если учитывать, что лента движется по неподвиж­ ной части механизма, по прижиму, то все частицы, нахо­ дящиеся на магнитной ленте, собираются на фетровой прокладке прижима. Прокладка быстро загрязняется и забивается ферромагнитными и другими частицами. Такое состояние прижима резко увеличивает его тормо­ зящее действие и нередко приводит к повреждению маг­ нитной ленты. Поэтому нецелесообразно применять такого вида прижимы. Более надежными прижимами являются вращающиеся.

§ 4. УСИЛИТЕЛИ

Усилители в системах ЧПУ применяют для преобразова­ ния и усиления электрических сигналов, считанных с маг­ нитной ленты, и для преобразования и усиления упра­ вляющих сигналов в гидравлических, механических и элек­ трических системах станка до величин, необходимых для управления рабочими органами станка. В настоящее время для усиления электрических сигналов с магнитной ленты применяют транзисторные усилители и только в первых моделях станков с ЧПУ применяли электрон­ ные ламповые усилители. Транзисторные усилители в отли­ чие от ламповых обладают более высокой надежностью и экономичностью, малым весом и размерами, высоким коэффициентом усиления (по току и напряжению) и прак­ тически безынерционны. Но такие важные показатели станков с ЧПУ, как погрешность, чувствительность, форма переходного процесса, помехозащищенность, в зна­ чительной степени определяются свойствами и характе­ ристиками применяемых в системах усилителей. Так как теория и конструкция транзисторных усилителей достаточно освещены в литературе [22], здесь будут рассмотрены только некоторые специфические особенности усилителей систем ЧПУ.

Усилители должны иметь плоскую амплитудную ха­ рактеристику в заданной области частот, малый и фикси­ рованный сдвиг фазы, не зависящий от уровня входного сигнала, малое выходное полное сопротивление и малый уровень шумов, высокий коэффициент усиления, стабиль­ ность выходных характеристик во времени, высокую надежность. По характеру влияния на работоспособность

50

и надежность усилителей параметры их можно условно разбить на две группы: схемные и предельные.

Схемными (функциональными) параметрами усили­ телей называют характеристики их свойств, которые опре­ деляют электрические режимы в схеме при заданных напряжениях источников питания, входных сигналов и условиях окружающей среды. Электрическими режи­ мами являются статические и импульсные (включая пере­ ходные процессы) токи, напряжения, выходные мощности. Схемными параметрами для усилителей являются, на­ пример, сопротивление резисторов, емкость конденса­ торов, коэффициент усиления транзисторов, напряжение насыщения и постоянная времени работы транзисторов, прямое и обратное сопротивления диодов, индуктивность рассеивания трансформаторов и т. п.

Предельными параметрами усилителей называют ха­ рактеристики свойств деталей, определяющие предельно­ эксплуатационные режимы, рекомендуемые для исполь­ зования. При превышении допустимых режимов по пре­ дельным параметрам возникает опасность необратимых изменений схемных параметров, а также значительных изменений внутренней структуры, приводящих к неисправ­ ностям и повреждениям усилителей. Примерами предель­ ных параметров являются максимально допустимые токи и напряжения, мощности рассеивания, температура пере­ ходов, корпусов и аналогичные параметры усилителей.

На рис. 19 приведена схема усилителя считывания управляющего сигнала фазовой системы ЧПУ, состоящего из четырех транзисторов типа П-14А. Транзисторы 77. и ТЗ являются усилительными, а транзисторы Т2 и Т4, включенные эмиттерными повторителями, являются согла­ сующими. Эти два каскада с общим усилением порядка 2000 охвачены глубокой обратной связью через сопро­ тивление R8. Введение обратной связи повышает стабиль­ ность усиления настолько, что изменения параметров транзисторов и напряжения питания практически не сказываются на усилении. Выход этого усилителя под­ ключен к транзистору 75 усилителю-ограничителю, на коллекторе которого развивается напряжение прямо­ угольной формы 5,4—6,0 В при входном сигнале 10 мВ; ограничение начинается при 2 мВ.

Для предотвращения резкого ухудшения или необра­ тимых изменений электрических, характеристик полу­ проводниковых усилителей, применяемых в системах

51

R4

0 -

Рис. 19. Принципиальная схема усилителя считывания и усилителяограничителя при фазовой системе записи сигналов:

Т1, Т2, ТЗ, Т4 (типа П-14А), Т5 (типа МП-41А)— транзисторы; Д ! —стаби­ литрон Д813; R1 (360 кОм), R2 (9,1 кОм), R3 (5,1 кОм), R4 (300 Ом), R5 (1 кОм), R6 (100 Ом), R7 (2 кОм), RS (подбирается), R9 (100 Ом), R10 (12 ьОм), R11

ЧПУ, необходимо знать влияние на работу усилителей изменений электрических характеристик установленных транзисторов.

При современном уровне технологии не удается полу­ чить транзисторы с малым разбросом значений электри­ ческих параметров. Наибольший разброс имеют параметры / к0 (обратный ток коллектора) и р (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером). Разброс / ко дости­ гает обычно десятикратного, а р — двух-пятикратного значений. С разбросом значений параметра связаны суще­ ственные различия семейств выходных статических харак­ теристик в схеме с общим эмиттером транзисторов одного типа. Поэтому при замене транзисторов в схеме с общим эмиттером всегда следует учитывать конкретное значение параметра р для данной схемы.

При эксплуатации схем на транзисторах необходимо учитывать как возможный разброс значений параметров, так и дополнительные отклонения их, которые могут быть вызваны изменением рабочей точки, температуры и нестабильностью характеристик транзисторов. Изме­ нения рабочей точки транзистора объясняются непосто-'

52

янством напряжения источников питания, отклонениями допусков сопротивлений резисторов в цепях питания электродов транзистора и температурной зависимостью параметров самого транзистора (главным образом обрат­ ного тока).

Под нестабильностью характеристик транзистора пони­ маются отклонения в значениях тех или иных параметров транзисторов при их измерениях в одинаковых условиях (в одной и той же рабочей точке и при одинаковой темпе­ ратуре). Различают два вида нестабильности характери­ стик транзистора — «ползучесть» и температурную неста­ бильность. «Ползучестью» называют сравнительно бы­ строе изменение параметров транзисторов, наблюдающееся непосредственно после включения питания.

При питании нескольких усилителей от одного сило­ вого источника питания, особенно если полное сопроти­ вление источника высокое, можно наблюдать такие явле­ ния: 1) эффект перекрестного воздействия, когда переход­ ный режим одной управляемой координаты станка вызы­ вает движение других; 2) все управляющие системы, при­ соединенные к общему силовому питанию, могут иметь колебания при низкой частоте, так как они вместе образуют многоконтурную систему. Для обеспечения качественной работы усилителей системы ЧПУ необходимо стабилизи­ ровать напряжение источника питания.

Одним из наиболее важных факторов, требующих к себе особого внимания при эксплуатации полупровод­ никового усилителя, является температура. Диапазон рабочих температур транзисторов определяется темпе­ ратурными свойствами р — «-переходов. Температура р — «-перехода, в свою очередь, зависит от температуры окружающей среды и от той электрической мощности, которая рассеивается в переходе в виде тепла. С измене­ нием температуры транзистора фактически изменяются все его параметры. Особенно важной и в значительной степени нежелательной является зависимость от темпе­ ратуры обратного тока коллектора / ко, величина кото­ рого определяется тепловой генерацией носителей (при низких температурах этот ток достигает насыщения). Ориентировочно можно считать, что обратный ток кол­ лектора при повышении температуры на 10° С у германи­ евых транзисторов удваивается, а у кремниевых — утра­ ивается. Изменение характеристик транзистора, вызван­ ное изменением температуры, естественно приводит к зна-

53

чительным изменениям тока и усиления. Эта тепловая нестабильность, известная также как «тепловая обратная связь», является очень опасной для мощных транзисторов. Так, например, если вследствие какого-либо температур­ ного воздействия внутри транзистора повышается рабочий ток, то благодаря этому будет повышаться окружающая температура (добавочный нагрев), что, в свою очередь, вызовет дальнейшее увеличение тока, и т. д. В результате транзистор начнет перегружаться и в конце концов выйдет из строя.

В устройствах импульсного управления станками с ЧПУ применяют следующие виды записи: 1) однополяр­ ную; 2) разнополярную; 3) запись импульсов, промодулированных синусоидальным сигналом.

При первом способе записи применяются простые схемы усилителей для считывания информации. Второй способ записи существенно усложняет схему усилителя, так как от схемы требуется способность различать поляр­ ность сигнала. Третий способ практически применен в стан­ ках с пультами управления типа ПРС-3-61 и ПРС-ЗК. Запись импульсов, промодулированных синусоидальным сигналом (импульсно-частотная запись), дает более надеж­ ное считывание сигналов с магнитной ленты. Использо­ вание несущего синусоидального сигнала позволяет со­ хранить прямоугольную форму огибающей без применения бистабильных формирователей, вследствие того, что при отсутствии несущей частоты магнитная головка диффе­ ренцирует прямоугольную огибающую так, что на ее зажимах будут лишь короткие импульсы от переднего и заднего фронтов огибающей (см. рис. 14, б).

Сигналы, записанные импульсно-частотным методом, считываются магнитной головкой, усиливаются и детекти­ руются так, что на выходе усилителя считывания появ­ ляются сигналы прямоугольной формы.

Усилитель считывания импульсной системы изображен на рис. 20. Усилитель состоит из трех каскадов: первые два каскада осуществляют прямое усиление сигнала, третий — формирует импульсы прямоугольной формы со скважностью 2. Наряду с усилителями в системах упра­ вления станками с ЧПУ широко применяются элементы и устройства импульсной техники: триггеры, формиро­ ватели, логические элементы, мультивибраторы и др.

Для обеспечения надежной работы полупроводников в схемах импульсного управления станками необходимо

54

0 -

НИЩ—I

Вход CJ

0-4}

Рис. 20. Принципиальная схема усилителя считывания при воспроиз­ ведении сигналов с амплитудной модуляцией несущей частоты:

учитывать, помимо влияния разброса и нестабильности параметров транзисторов, скачкообразное изменение их состояния, влияние формы сигнала на прохождение его через цепи усилителей и других элементов импульсной системы, бытродействие схемы и др.

Важнейшим требованием, предъявляемым к импульс­ ным усилителям, является сохранение формы усиливае­ мого сигнала. Для выполнения данного условия они дол­ жны обладать возможно меньшими частотными и фазо­ выми искажениями, т. е. должны пропускать широкую полосу частот. Однако на практике искажения формы выходных импульсов неизбежны. Необходимая полоса пропускания усилителей зависит от длительности усили­ ваемых импульсов, частоты их повторения и допустимых искажений формы. Обычно область частот для систем ЧПУ заключается в интервале от нуля до нескольких тысяч герц.

Иногда причинами отказов элементов системы ЧПУ, установленных по результатам эксплуатации, являются недоработки при конструировании — разработке прин­ ципиальных схем. В качестве такого примера рассмотрим применение в фазовой системе ЧПУ усилителя-ограни- чителя, схема, входные и выходные характеристики кото­ рого приведены на рис. 21.

Хорошие ключевые свойства транзистора позволяют Создавать на нем эффектное ограничение. Нагрузочное

55

сопротивление RK и сопротивление Яб выбраны так, чтобы при заданном входном сигнале выходной сигнал имел прямоугольную форму. Если рабочая точка находится посередине линейного участка характеристики (рис. 21, б), то происходит симметричное двустороннее ограничение. Недостатком такого ограничителя является запаздыва­ ние заднего фронта выходного импульса вследствие зна­ чительного времени рассасывания носителей после режима насыщения и изменение фронтов выходного сигнала в за­ висимости от амплитуды входного сигнала, что особенно важно, если после усилителя-ограничителя стоит импульс­ ный элемент, например статический триггер, который применяется в фазовой системе ЧПУ в качестве фазового дискриминатора.

На рис. 22 приведена электрическая схема балансного усилителя постоянного тока, управляющего электромеха­ ническим преобразователем (ЭМП), связанным с золотни­ ком гидросистемы станка. Недостатком такой схемы является то, что на нагрузке падает малая часть напряже­ ния, составляющего от 0,3 до 0,6 В; остальная часть на­ пряжения падает на переходе коллектор—эмиттер и со-

Рис. 21. Транзисторный усилитель-ограничитель:

а — принципиальная схема; б — входная и выходная характеристики усили­ теля-ограничителя; 7^ — ток базы; /к — ток коллектора; Ек — напряжение,

источника питания; / в — ток покоя; иь —• напряжение смещения

56

Рис. 22. Принци­

постоянного т от :

1=300 -т mb

Т2(П-210)

противлении 10 Ом. Изменение напряжения на нагрузке в этих пределах происходит за счет системы управления усилителем от фазового дискриминатора (триггера упра­ вления), ограничивающего средние значения этой вели­ чины. Очевидно, что при протекании максимального зна­ чения тока, а оно составляет 600 мА, почти вся мощность будет рассеиваться на переходе коллектор—эмиттер. Тогда, при повышении температуры окружающей среды за до­ пустимые пределы в незначительном размере, в переходе могут произойти тепловой и электрический пробои и тран­ зистор выйдет из строя.

Усилитель, приведенный на рис. 20, обладает тем недостатком, что при изменении величины входного сиг­ нала, считываемого с магнитной ленты (при постоянном усилении), сигнал на выходе усилителя колеблется про­ порционально изменению входного сигнала.

В данном разделе рассмотрена только часть вопросов, касающихся усилителей, применяемых в системах ЧПУ; более подробно с этими вопросами можно ознакомиться

Динамические и статические характеристики следящего привода систем ЧПУ в значительной степени определяют­ ся параметрами и настройкой корректирующих устройств. Поэтому настройка, стабильность настроечных пара­ метров, их чувствительность и надежность имеют важней­ шее значение при эксплуатации следящего привода стан­ ков с ЧПУ. В качестве корректирующих устройств в стан­ ках с ЧПУ применены жесткие и гибкие обратные связи,

57

причем эти устройства могут быть электрическими (обрат­ ные связи по току и напряжению), гидравлическими (же­ сткие обратные связи по расходу и давлению), электро­ механическими (тахогенераторы постоянного тока), меха­ ническими (например, жесткая механическая связь гидро­ цилиндра с гидронасосом, жесткая обратная связь гидро­ усилителя с управляющим золотником) и др.

В контурных фазовых системах ЧПУ в качестве кор­ ректирующего звена введена обратная связь по скорости, где корректирующий сигнал пропорционален скорости вращения вала гидродвигателя. Этот сигнал получают от тахогенератора постоянного тока, присоединенного через редуктор к валу двигателя. Точность и линейность характеристик тахогенератора постоянного тока зависят от величины нагрузки, температуры, гистерезиса, наличия коллектора со щетками и материалов, из которых он изготовлен. Искажения линейности выходной э. д. с. тахогенератора возникают из-за наличия реакции якоря, наличия переходного напряжения на щетках и коллек­ торе. Величина «зоны нечувствительности» выходной ха­ рактеристики определяется

в следующем приводе приводит к нежелательным авто­ колебаниям в силовом приводе станков с ЧПУ. К недо­ статкам тахогенератора можно отнести и сравнительно высокий момент трения (60—100 гем), возникающий за счет давления щеток на коллектор, а также обычные для коллекторных машин высокочастотные помехи, поя­ вляющиеся при работе тахогенератора. К погрешностям тахогенераторов надо отнести и возникновение пульси­ рующего напряжения из-за того, что генерируемое на­ пряжение в роторе выпрямляется посредством коллек­ тора. Существенную погрешность вносит и температура, изменяющая сопротивление обмотки возбуждения, что приводит к изменению выходной э. д. с. Так, при повыше-

58

Рис. 23. Дифференцирующая цепь:

а — принципиальная схема; 6 — форма сигналов

нии темпертуры на 20° С сопротивление обмотки увели­ чивается на 10%.

Электрические корректирующие цепи используются в системах ЧПУ для трех главных целей: фильтрации сигналов, смещения фаз напряжений и стабилизации (выравнивания).

Фильтрующие контуры (фильтры) используются для ослабления нежелательных напряжений.

Фазосмещающие контуры применяются для изменения фазового соотношения между напряжениями сигналов

ипитания, подаваемого на регулирующие элементы. Стабилизирующие контуры используются для воздей­

ствия на напряжение сигнала рассогласования или на другие сигналы в системах ЧПУ, чтобы способствовать устойчивости и улучшению поведения системы путем изменения ее передаточной функции. Некоторые схемы корректирующих электрических устройств, применяемых в системах ЧПУ, приведены на рис. 23 и 24.

На рис. 23, а изображена дифференцирующая цепь, сигнал на выходе которой и 2 пропорционален производ­ ной входного сигнала и г. Так как цепь состоит из сопро-

Рис. 24. Интегрирующая цепь:

а — принципиальная схема; С — конденсатор; JR — сопротивление; uxi и2 — сигналы на входе и выходе; б — форма сигналов

59