Замкнутая и разомкнутая система управления ЧПУ станка

Системы ЧПУ станка могут строиться с управлением приводами подач без обратной связи (разомкнутыми) и с обратной связью (замкнутыми) (рис. 1).

Разомкнутая система управления ЧПУ строится на основе применения силовых или несиловых шаговых электродвигателей (ШД). В последнем случае ШД применяют в комплекте с гидроусилителем (ГУ) (рис. 1, а).

Подавая на ШД определенное количество импульсов, мы получаем заданную величину перемещения рабочего органа станка (стола). Частота подачи этих импульсов определяет скорость перемещения, а количество импульсов — величину перемещения.

Разомкнутые системы автоматического управления предполагает достаточно простую работу приводов. Однако из-за отсутствия контроля действительного положения рабочего органа станка на точность его перемещения будут влиять погрешности шагового двигателя, гидроуселителя, передачи ходовой винт–гайка привода подачи. Кроме того, шаговый двигатель не позволяет получать высокие скорости перемещений рабочего органа на холостом ходу, поэтому разомкнутые системы ЧПУ в настоящее время применяются достаточно редко.

Рис. 1. Варианты построения систем обратной связи: а — разомкнутая система; б — с круговым измерительным преобразователем на ходовом винте; в — с круговым измерительным преобразователем, измеряющим перемещение через реечную передачу; г — с линейным измерительным преобразователем

Замкнутая система управления ЧПУ строится на основе применения следящего привода, включающего в себя регулируемый электродвигатель и систему обратной связи, основой которой является измерительный преобразователь (ИП), ранее называемый датчиком обратной связи (ДОС).

В этих системах кроме прямого потока информации (см. рис. 1, б–г), определяющего требуемое положение рабочего органа, имеется еще обратный поток информации, определяющий действительное положение рабочего органа. На основе их сравнения определяется и выдается сигнал управления. Система управления получается более сложной, но обеспечивает высокую точность перемещения рабочих органов, а также высокую скорость их перемещения на холостых ходах.

Измерительный преобразователь (ИП) системы обратной связи включает в себя измерительный эталонный элемент, блок сравнения и блок связи. Измерение перемещения рабочего органа обеспечивается сравнением величины этого перемещения с эталонной мерой, в качестве которой могут использоваться: точная передача ходовой винт–гайка, различные типы штриховых линеек и дисков, оптические шкалы и др.

Общие технические условия на измерительный преобразователь определяет ГОСТ 26242–90. В соответствии с этим стандартом по виду входной физической величины ИП подразделяются на ИП линейных перемещений и ИП угловых перемещений.

По физическому принципу эквивалентного преобразования измерительные преобразователи подразделяются: на акустооптические (А), волновые (В), голографические (Г), емкостные (электростатические) (Е), индукционные (И), квантовые (лазерные) (К), магнитоэлектрические (гальваномагнитные) (М), полупроводниковые (на ПЗС-структурах) (П), резистивные (потенциометрические) (Р), ультразвуковые (У), фотоэлектрические и оптоэлектронные (Ф), электромагнитные (индуктивные) (Э).

Основным критериями выбора измерительного преобразователя для систем обратной связи являются:

• максимальная величина измеряемого перемещения (угла поворота);
• максимальная скорость измеряемого перемещения (поворота);
• способ измерения перемещения (косвенно или непосредственно);
• дискретность измеряемого перемещения (угла поворота);
• вид выходного сигнала (аналоговый, дискретный).

Обозначение измерительного преобразователя в технической документации и при заказе должно содержать:

• обозначение ИП — П;
• обозначение вида входной физической величины преобразования (Л — для линейных перемещений, У — для угловых перемещений);
• обозначение физического принципа эквивалентного преобразования — А, В, Г и др. (см. выше).

Замкнутые системы ЧПУ могут выполняться в трех вариантах в зависимости от вида применяемых ИП (см. рис. 1).

В замкнутых системах управления ЧПУ, построенных по первому варианту (см. рис. 1, б), производится косвенное измерением положения рабочего органа станка с помощью кругового ИП, установленного на ходовом винте. Эта схема достаточно проста и удобна с точки зрения установки ИП. Габариты применяемого ИП не зависят от величины измеряемого перемещения. Но при этом предъявляются высокие требования к точностным параметрам передачи ходовой винт– гайка, которая в этом случае не охватывается обратной связью. Применение в приводах подач станков с ЧПУ точно изготовленных передач ходовой винт–гайка с трением качения и создание в них предварительного натяга для устранения зазоров и увеличения жесткости позволяют широко применять данные системы во многих станках с ЧПУ.

Проблемой в этом случае остается влияние на точность перемещения накопленной погрешности по шагу ходового винта, всегда образующейся при его изготовлении и не охватываемой обратной связью. Однако при необходимости величина этой погрешности может быть измерена при изготовлении ходового винта и в последующем скорректирована с помощью системы ЧПУ станка.

В замкнутых системах управления ЧПУ, построенных по второму варианту (см. рис. 1, в), применяют также круговой измерительный преобразователь, но измеряющий через реечную передачу непосредственно перемещение рабочего органа станка. Однако здесь в измерение вносится погрешность реечной передачи. Кроме того, длина рейки будет зависеть от величины хода рабочего органа станка. Такой тип обратной связи применяется очень редко.

В замкнутых системах ЧПУ, построенных по третьему варианту, применяется линейный измерительный преобразователь (см. рис. 1, г).

Такая система обратной связи обеспечивает непосредственное измерение перемещения рабочего органа станка и позволяет охватить обратной связью все передаточные механизмы привода подачи, чем достигается высокая точность перемещений. Однако линейные ИП сложнее и дороже, чем круговые. Их габариты зависят от длины хода рабочего органа станка. Установка линейного ИП на станке и его эксплуатация — трудоемкие процессы. На точность измерения такими ИП могут оказывать влияние погрешности станка (температурные деформации узлов станка, погрешности их геометрических параметров, износ направляющих). Данные измерительные преобразователи требуют хорошей защиты от попадания масла, СОЖ и стружки.