Обратные связи в системах управления автоматизированным

Обратные связи в системах управления автоматизированным

Оборудованием и точность обработки

       Система управления (СУ) любого автоматизированного оборудования в том или ином объеме включает элементы информационно-измерительной системы (ИИС), которые в совокупности участвуют в создании обратных связей (ОС) для стабилизации или оптимизации процессов обработки.

Источником выходных параметров СУ может служить непосредственно размер обрабатываемой детали (регулируемый размерный параметр)или какой-либо иной, связанный с ним функциональной зависимостью: положение режущей кромки инструмента, положение исполнительных органов станка (бабок, ходовых винтов и т.д.)

С точки зрения обеспечения качества обработки (размер и форма детали, качество поверхности) эти ОС обладают различной способностью к компенсации технологических погрешностей.

Точность ОС зависит от протяженности звеньев различных цепей станка, в состав которых входит регулируемый размерный параметр, и от погрешности размеров этих звеньев.

Это и надо учитывать при установке датчика информации о ходе процесса обработки изделия на узлах оборудования.

 

Рис.1. Схема возможного расположения датчиков положения

1 - Обрабатываемая деталь; 2 – Резец; 3 - Исполнительное устройство;

4 - Двигатель подач; 5 - Датчик информации; I-IV – вид обратной связи

 

Если выходным параметром системы управления служит размер обрабатываемой детали, то задача компенсации технологических погрешностей решается наиболее полно. Это обеспечивается ОС-I, которая охватывает всю размерную цепь системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Устраняется влияние тепловых и силовых деформаций системы, износа режущего инструмента, кинематических погрешностей передачи, возмущающих воздействий заготовки. Погрешность определяется лишь погрешностью измерительной системы и смещением зоны контроля - запаздыванием выдачи информации по отношению к моменту ее получения.

В остальных видах ОС "степень замкнутости" уменьшается, размерная цепь, охваченная ОС, уменьшается, и увеличивается количество некомпенсированных влияющих факторов (возмущающих воздействий). Все остальные ОС являются ОС по положению.

ОС-II - не компенсируются деформации детали, центров, возмущающие воздействия заготовки.

ОС-III - не компенсируется всё по ОС-II и дополнительно величина износа инструмента, деформация исполнительных устройств.

ОС-IV - является наименее точной ОС, она контролирует  скорость вращения двигателя привода подач.

Вместе с тем следует отметить, что в настоящее время практически не получили распространения информационные устройства, использующие информацию о размере детали и ОС-I из-за сложности ее реализации ("затемненность" зоны резания). Размер детали обеспечивается косвенным образом, в основном по положению исполнительных органов (ОС-III), иногда рабочих органов (ОС-II), что естественно приводит к неполной компенсации технологических погрешностей и снижению точности обработки.

В станках с программным управлением чаще всего используют ОС-IV с датчиками положения, контролирующими угловые перемещения вала двигателя привода подачи (коррекции) [6]. В этом случае привод выступает как локальная система управления процессом обработки изделия.

 

 

Влияние звеньев цепей обратной связи на качество

Электропривода

 

       В общем случае в электропривод входит (рис.2) электродвигатель (М), питающийся от преобразователя (П) и приводящий в движение механизм металлорежущего станка, который включает в себя кинематическую связь (КС) и исполнительный орган (ИО) [7,8].

Эти элементы образуют силовую часть привода. Кроме того, электропривод как система управления замкнутого типа, включает в себя и управляющую часть, состоящую из регулятора (Р), сравнивающего устройства (СУ), реализующего в большинстве случаев отрицательную ОС, и измерительно-преобразовательной части, образующей систему обратной связи электропривода и включающей в себя датчики первичной информации (Д) и различного рода преобразующие устройства (П) (усилители, согласующие устройства, преобразователи, решающие устройства и тому подобное). При этом в замкнутой системе управления электроприводами имеют место два потока информации – сигнал управления, формирующий предписанные значения параметров технологического процесса, и сигнал обратной связи, формирующий информацию о действительном значении этих параметров посредством совокупности датчиков Д1 – Дn, первичная информация с которых является функцией пути (управление по положению), скорости (управление по скорости), тока (управление по нагрузке) и тому подобное. Совокупность этих двух потоков и формирует управляющее воздействие.

Следует также иметь в виду, что работа привода осуществляется при наличии возмущений, воздействующих на все его элементы и являющихся источником как его аддитивной, так и мультипликативной погрешности. При этом даже организация системы управления с регулированием по возмущению лишь теоретически позволяет создать полную инвариантную к возмущениям систему, практически же подобные системы нереализуемы.

Рис.2. Функциональная схема электропривода

 

Рассматривая электропривод, как замкнутую систему управления с результирующей передаточной функцией

W(p) =W_р(p)W_сч(p)/(1+W_р(p)W_сч(p)W_ипч(p)),

где W(p) – передаточная функция соответственно, Р – регулятора, СЧ - силовой части, ИПЧ – измерительно-преобразовательной части, и принимая во внимание, что в области реальных частот

½W_р(jw)½W_сч(jw)½W_ипч(jw)½>> 1,

можно заключить, что выходной параметр

X_вых(p) = W^-1_ипч(p)X_вх(p),

зависит только от обратной передаточной функции измерительно-преобразовательной части и сигнала управления.

При этом чувствительность

S(p) = dX_вых(p)/dX_вх(p) = W^-1_ипч(p)

зависит также только от обратной передаточной функции измерительно-преобразовательной части.

Погрешность отработки выходного параметра, возникающая под действием m возмущающих факторов, действующих на каждое i – ое звено привода   

                                                                           n

D_вых(p) = -X_вх(p)S W^-2_ипч(p)Dm(p)

                                                                        m =1

также определяется лишь измерительно-преобразовательной частью.

Мультипликативная погрешность 

DS(p) = W^-2_ипч(p) DW(p)(p)

также определяется только измерительно-преобразоательной частью.

Статический коэффициент привода равен

K = K_рK_сч/(1+K_рK_счK_ипч),

 

 

Поскольку   

K_рK_счK_ипч >> 1,                                                     

то и статическая точность определяется статической точностью измерительно-преобразовательной части привода

K» 1/K_ипч,

Частотная характеристика привода

W(jw) = W_р(jw)W_сч(jw)/(1+W_р(jw)W_сч(jw)W_ипч(jw))

С учетом принятых допущений амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) привода определяется выражением

W(jw)» 1/W_ипч(jw),

Как видно АЧХ привода определяется частотными характеристиками его измерительно-преобразовательной части.

Следует иметь в виду, что все это не означает, что прямой тракт передачи энергии не оказывает влияния на характеристики электропривода в целом, а лишь подчеркивает значение его измерительно-преобразовательной части.

Таким образом, измерительно-преобразовательная часть, обеспечивающая в контуре управления электроприводом металлорежущих станков обратную связь (метрологическую интерструктуру), является в значительной мере оределяющей в обеспечении качества его работы.

Требования к цепям обратной связи электроприводов являются, с учетом их важности, традиционно высокими.

 

Таким образом, цепи ОС, являясь неотъемлемой частью системы управления электроприводом и играя решающую роль в формировании его передаточной функции в целом, в значительной степени определяют его статические и динамические характеристики.

 

Заданной точности обработки

Основным критерием при выборе датчика положения является необходимая (заданная) точность обработки изделия (размер). Для обеспечения заданной точности обработки в поле допуска детали (ряда деталей) выбирается соответствующий станок с ЧПУ. По ГОСТ 8-82Е станки по точности (в порядке ее увеличения) разделяют на 6 классов с присвоением соответствующей буквы алфавита.

Класс точности	1	2	3	4	5
Обозначение по ГОСТ 8-82Е	Н	П	В	А	С

В зависимости от требований, предъявляемых к точности металлорежущих станков с ЧПУ, различные требования предъявляются и к точностным характеристикам измерительных преобразователей. В табл. (приложение 2) приведены нормы точности для систем измерения линейных и угловых перемещений, полученные на основе известных норм точности различных классов станков и допустимых погрешностей средств контроля [3].

Установлено, что погрешность ДП должна составлять от предельной погрешности станков: не более 45% - для класса С, не более 35% - для классов В и А, не более 30% - для классов Н и П.

Поэтому, учитывая допустимую погрешность обработки заданных деталей, можно определить класс точности измерительных средств как линейного, так и углового перемещения (табл.2,3 – приложение 2) с учетом их систематической погрешности.

Таким образом, если известны допустимые при обработке изделий погрешности, можно определить диапазон допустимых погрешностей измерительной системы с датчиками перемещения и его класс точности. Наиболее высокую точность и наименьшую дискрету имеет 6 класс, а самые низкие показатели - 1 класс. Класс точности выбираемого датчика положения должен соответствовать или быть выше класса точности станка.

Как уже говорилось выше, наибольшее применение в станках с ЧПУ нашли фотоэлектрические импульсные ДП и электромагнитные ДП: ВТ, редуктосины, сельсины и индуктосины (линейные и круговые). Для станков класса точности Н и П применяют оптические круговые ДП (типа ВЕ - 178), ВТ, редуктосины и сельсины; для станков класса В - линейные оптические (типа ВЕ - 164) и индуктосины. Причем предельное значение точности привода подач в полной мере определяется параметрами измерительных преобразователей ОС по пути (положению). Обобщенные показатели точности угловых ДП указаны в табл.4 (приложение 2).

       Таким образом, после выбора станка с учетом необходимой величины контролируемого перемещения и точности обрабатываемых деталей по табл.1 (приложение 2) определяем допустимую погрешность измерительных преобразователей (линейных или угловых) и соответствующий класс точности (табл.2,3 – приложение 2). Тип необходимого ДП находим, учитывая рекомендации табл.4 (приложение 2) и более точно определяемся с техническими характеристиками ДП по табл.1-5 (приложение 1) с учетом эксплуатационных и конструктивных требований, определяемых типов привода подач АО.

       Определившись с типом выбранного по критерию обеспечения заданной точности ДП, необходимо обеспечить заданную разрешающую способность устройства, то есть дискретность информационного сигнала (величину минимального перемещения, информация о котором передается в систему управления).

       Все приведенные выше технические характеристики (табл.1-4 – приложение 1) справедливы для электромагнитных ПП датчиков перемещения, выдающих на выходе гармонический сигнал, и только для фотоэлектрических ДП (табл.5 – приложение 1) параметры характеризуют датчик в сборе, то есть его ПП и электронный блок, выдающий на выходе двоичный код.

Выходные сигналы статорных обмоток сельсинов, СКВТ и других электромагнитных ПП преобразуются в цифровой код с помощью вторичных преобразователей электронного блока.

       В нашей стране вторичные преобразователи серийно не выпускаются, поэтому требуют разработки в каждом конкретном случае.

       В связи с тем, что большинство ПП аналоговые, именно АЦП, преобразующие гармонический сигнал ПП в последовательность импульсов и далее в цифровой код, обеспечивает необходимую дискретность информации, то есть разрешающую способность ДП.

 

Результаты расчета

Обобщенная желательность		Желательность по каждому из параметров
Датчик	Значение	Пара­метр	Д1	Д2	Д3	Д4
Д1 Д2 Д3 Д4	0,64142 0,60764 0,56750 0,44237	У1 У2 УЗ У4 У5 У6	0,752 0,543 0,618 0,800 0,613 0,563	0,547 0,543 0,556 0,800 0,622 0,612	0,800 0,624 0,618 0,691 0,370 0,423	0,693 0,370 0,370 0,370 0,556 0,383

 

Приложение 1

Таблица 4-1

Величина интервала координатного перемещения, мм	Предел допустимой погрешности, мкм (для класса точности 3, 4, 5, соответственно), при температуре
	20±5ºС	20±1ºС	20±2ºС
До 10	2.5	5.0	9.0
Свыше 10 до 32	2.5	5.0	10.0
32-125	3.0	6.0	12.0
125-200	3.5	7.0	13.0
200-320	4.0	7.0	14.0
320-500	4.0	8.0	16.0
500-800	5.0	10.0	18.0
800-1250	5.5	11.0	20.0
1250-2000	6.0	13.0	24.0
2000-3200	7.0	15.0	29.0

 

При использовании преобразователя на длинах, превышающих 3200 мм, гарантируется погрешность, соответствующая 5-му классу точности по ГОСТ 20965-75.

 

 

Таблица 5

 Технические характеристики фотоэлектрических датчиков

Тип датчика	Назначе-ние	Число периодов на оборот, дискретность	Погреш-ность	Максимальная скорость перемещения	Максимальная величина перемещения, мм
ВЕ-106 ВЕ-51В	Угловой Угловой	1000-1924 1000-5000	5 мин 1 мин	3000 об/мин 3000-6000 об/мин
ВЕ-178	Угловой	100-2500	3 мин	300-3000 об/мин
ПДФ-3М	Угловой	200-2000	30 с	3000 об/мин
ПДФ-10	Угловой	310-2500	10 с	3000 об/мин
ИЗГ-452	Угловой	16200, 18000	5 с	30 об/мин
Mini ROD	Угловой	100-3500	до 2 с	10000 об/мин
ROD	Угловой	360-36000		6000-12000 об/мин
ERO715	Угловой	18000-36000
ВЕ-162	Линейный	0,02 мм	5-6 мкм	15 м/мин	250-450
ВЕ-163	Линейный	0,002-0,004 мм	3,5-5,5 мкм	10-15 м/мин	220-1020
LS	Линейный	шаг 20-40 мкм	5-10 мкм	48 м/мин	170-3040
LIDA	Линейный	1-10 мкм			1500-20000
Mini LIDA	Линейный	0,1-10 мкм			50-20000
ULS-200	Линейный	0,5 мкм			150-500

 

Приложение 2

Таблица 1

 Нормы точности для систем контроля линейных и угловых перемещений

Величина контролируемого перемещения, мм	Класс точности станка
	Н	П	В	А	С
	Допустимое отклонение устройств путевого контроля (для линейных преобразователей), мкм
До 125 Свыше 125 до 200 Свыше 200 до 320 Свыше 320 до 500 Свыше 500 до 800 Свыше 800 до 1250 Свыше 1250 до 2000 Свыше 2000 до 3000	8.0 10.0 12.0 15.0 19.0 25.0 30.0 37.0	4.0 5.0 6.0 8.0 10.0 12.0 15.0 19.0	2.0 3.0 3.5 4.0 6.0 7.0 9.0 11.0	1.0 1.5 2.0 2.0 3.0 3.5 4.0 6.0	1.0 1.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0
Диаметр круговой шкалы измерительной системы, мм	Допустимое отклонение (для угловых преобразователей в пределах 360° угла поворота), угл. с.
До 125 Свыше 125 до 200 Свыше 200 до 320 Свыше 320 до 500 Свыше 500 до 800 Свыше 800 до 1250 Свыше 1250 до 2000	60.0 50.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0	30.0 25.0 20.0 15.0 12.0 10.0 7.0	15.0 12.0 10.0 8.0 6.0 5.0 3.0	7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 2.0	3.0 3.0 2.0 2.0 1.0 1.0 1.0

 

Таблица 2

Обратные связи в системах управления автоматизированным