Датчики обратной связи станков с ЧПУ

Датчики обратной связи, применяемые в станках с ЧПУ.

Датчики обратной связи могут быть линейного или поворотного типа. В линейных датчиках имеется линейка с участками, имеющими различную физическую природу, и считывающий элемент, выдающий сигнал импульсной формы (рис. 27, а). Принцип работы фотоэлектрического датчика следующий. Линейка 2 имеет прозрачные и непрозрачные участки. При поступательном перемещении линейка под действием осветителя 3 фотодатчика 1 будет периодически освещаться или затемняться и соответственно будет выдаваться сигнал 0 или 1. В индуктивном датчике (рис. 27, б) линейка 1 имеет ферромагнитные и неферромагнитные участки. Индуктивное считывание осуществляется специальным сердечником 2 с двумя обмотками: к одной подводится питание, с другой снимается сигнал.

При взаимодействии с выступами линейки уровень сигнала будет высоким (отождествляется с 1), при взаимодействии с впадинами -низкий (0). Наиболее распространены электромагнитные линейные датчики типа индуктосин, состоящие из шкалы в виде плоской линейки и съемника с печатными обмотками. Линейку закрепляют на неподвижной части стола, а по ней скользит съемник, связанный с перемещаемым механизмом. Линейные датчики применяют в более точных станках. В менее точных станках устанавливают на ходовые винты датчики поворотного типа: сельсины, вращающиеся трансформаторы и т. д.

Устройства транспортирования стружки в станках с ЧПУ

Автоматизированный сбор и удаление стружки на станках с ЧПУ являются очень важной задачей.

Эффективный отвод стружки от станка с ЧПУ позволяет:

  • предотвратить концентрацию теплоты в местах контакта стружки с узлами станка и снизить их температурные деформации;
  • повысить время непосредственной работы станка за счет сокращения простоев для уборки стружки;
  • улучшить использование СОЖ, так как стружка в этом случае будет находиться в контакте с ней в течение непродолжительного времени;
  • улучшить условия труда оператора и уменьшить опасность несчастного случая из-за контакта со стружкой.

Трудность решения этой задачи часто связана с недостаточным рабочим пространством станка и большим объемом отводимой стружки; большим количеством подвижных узлов станка с заготовкой и инструментом; разнообразием форм и материалов стружки. Поэтому компоновка и конструкция станков должны способствовать свободному перемещению стружки по направляющим поверхностям или желобам на транспортное устройство ее отвода.

Удаление стружки с инструмента, с обрабатываемой заготовки, с зажимного приспособления и других узлов станка производят двумя способами: принудительно (смыв обильной струей жидкости, выдувание, вакуумный отсос и т.д.) и под действием силы тяжести стружки.

Для облегчения отвода стружки из зоны резания в современных станках с ЧПУпредусматривают свободное пространство под зоной резания и обрабатываемой заготовкой. В токарных станках с ЧПУ свободному сходу стружки способствует наклонное положение направляющих суппортов (рис. 3.36). В станках с ЧПУ небольших размеров (для изготовления корпусных деталей) рабочую поверхность стола выполняют вертикально.

Рис. 3.36. Схема удаления стружки на токарном станке с ЧПУ:
1 — защитный кожух; 2 — конвейер для удаления стружки; 3 — бак для СОЖ;
4 — бак для сбора и хранения стружки

Удаление стружки от станков в общем случае выполняют встроенные в них конвейеры различных конструкций в зависимости от обрабатываемых материалов, формы и объемов удаляемой стружки. При проектировании и применении таких конвейеров необходимо соблюдать следующие требования: легкость очистки и ремонта, простота конструкции, достаточная пропускная способность и минимальные затраты энергии.

На практике применяются устройства для транспортирования стружки разного принципа действия: пластинчатые, скребково- толкающего типа, вибрационные, шнековые, магнитные и гидроконвейеры.

Для удаления легкой (например, алюминиевой) стружки, а также стружки из мелкой чугунной крошки и пыли (при обработке без СОЖ) применяют стружкоотсасывающие устройства (гидроциклоны). Однако их можно применять при небольшой зоне стружкообразования (например, при сверлении печатных плат).

При обработке отверстий стружку выдувают из них сжатым воздухом или вытряхивают специальным поворотным устройством. Применяют также электромагнитный способ удаления стружки, при котором устройство с электромагнитом хранится в инструментальном магазине и периодически устанавливается в шпинделе станка, который по программе обходит места образования стружки и транспортирует ее в приемное устройство.

При создании гибких производственных систем (см. раздел 4) в их состав включают моечную машину, в которой обработанная деталь очищается от стружки и других элементов. В частности, это производится перед измерением изготовленных деталей.

Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы

Станки с ЧПУ и многоцелевые станки сверлильно-фрезерно-расточной группы

Датчики обратной связи в системах контроля станков с ЧПУ.

Датчики обратной связи (ДОС)

ДОС является неотъемлемой частью замкнутых устройств ЧПУ и используются для измерения перемещения рабочего органа станка и преобразовывают результаты измерения в электрические импульсы обратной связи. По принципу измерения перемещения они делятся на абсолютные и циклические.

Абсолютные датчики обеспечивают показания значений текущих координат относительно принятого на станке начала координат по всей длине измеряемого участка. ДОС этого вида бывают емкостные (с переменным зазором), магнитные (с переменным воздушным зазором) и др.

Циклические датчики характеризуются тем, что у них изменение параметров выходного сигнала в функции смещения или вращения измеряемых элементов носит циклический характер, т.е. принимает одни и те же значения в разных точках участка измерений. Выходной сигнал циклического датчика может однозначно определить положение каждой точки измеряемого элемента только при наличии в измерительной системе счетчика полных циклов, предопределяющих моменты измерения положения РО станка. Циклические датчики наиболее распространены. По типу конструкции они делятся на линейные и круговые. Линейные используют для измерения линейных перемещений, круговые – угла поворота контролируемых элементов. ДОС присоединяют либо непосредственно к РО станка, либо к звену, обеспечивающему движение РО станка, например к ходовому винту.

В устройствах ЧПУ широко применяют следующие ДОС: линейный магнитный зубчатый; линейный фотоэлектрический импульсный; линейный магнитный фазоимпульсный, вращающийся трансформатор, сельсины.

Принципы построения ЧПУ

Система числового программного управления (СЧПУ) – это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления ЧПУ станками. Устройство ЧПУ станками – часть СЧПУ, связанная конструктивным единством, осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе.

Траектория движения инструмента относительно заготовки (или наоборот) представляется в виде последовательных положений перемещающегося рабочего органа, каждый из которых передается числом. Вся информация программы управления (размерная, технологическая, вспомогательная), необходимая для управления станком представляется в текстовой или табличной форме с помощью символов (цифр, букв, условных знаков), затем кодируется и вводится в память устройства управления. Устройство ЧПУ (УЧПУ) преобразует эту информацию в управляющие команды для исполнительных механизмов станка и контролирует их исполнение.

Система подготовки программ может быть ручной или автоматизированной.

Геометрическая информация о траектории движения инструмента (токарная обработка) вводится в виде координат опорных точек. Криволинейные участки контура детали разбиваются на ряд элементарных участков с опорными точками в центре инструмента, перемещающегося по линии, называемой эквидистантой, отстоящей от контура детали на величину радиуса рабочей части инструмента (рис. 1).

Рис. 1. Перемещение центра инструмента по эквидистанте

Движение формообразования может быть контурным прямолинейным (рис.2, а) (токарная обработка) и контурным криволинейным (рис.2, б) (фрезерная обработка)

Рис. 2. Движения формообразования

При контурном криволинейном формообразовании образование поверхности осуществляется путем суммирования микро перемещений вдоль оси координат.

Сложное формообразование обеспечивается суммированием простых движений УЧПУ с помощью интерполятора.

Наибольшее распространение получили линейно-круговые интерполяторы. В программе обработки линейная и круговая интерполяция указывается соответственно буквенно-цифровым адресом.

Интерполятор преобразует кодированную программу в унитарный код, когда перемещение представляется в виде определенной последовательности импульсов распределенных по времени и направлению. Каждая система импульсов обеспечивает управление исполнительными устройствами станка.

Читайте также  Почему водяная станция часто включается?

Составгые элементы комплекса ЧПУ представлены на рис. 3.

Рис. 3. Составные элементы комплекса ЧПУ

Дата добавления: 2019-02-13 ; просмотров: 1076 ; Мы поможем в написании вашей работы!

4.6. Датчики обратной связи в системах чпу

Числовое программное управление коор­динатными перемещениями с достижением при этом необходимой точности обеспечивает­ся благодаря соответствующим устройствам обратной связи по положению, объединяемым общим названием «системы дистанционного отсчета». По принципу измерения они разде­ляются на две группы: 1) системы с абсолют­ными датчиками положения; 2) системы с циклическими датчиками положения.

В системах первой группы для каждого десятичного разряда отсчета перемещения обычно служит свой датчик положения, цена деления которого соответствует данному раз­ряду. Системы второй группы содержат один циклический датчик (датчик точного отсчета), и результат во всех разрядах отсчета формиру­ется путем подсчета числа циклов датчика.

Рис.4.21. Схема бесконтактного линейного сельсина

Системы первой группы устойчивы к сбоям и перерывам в работе и могут функцио­нировать при более высоких скоростях пере­мещений подвижных узлов станка.

Системы второй группы конструктивно более просты, но предъявляют повышенные требования к быстродействию считывания и переработки измерительной информации (особенно при больших скоростях перемеще­ний), менее устойчивы к сбоям и перерывам в работе и обладают свойством сохранять и на­капливать ошибки отсчета.

По типу измерительной информа­ции датчики положения, входящие в системы, делятся на дискретные (импульсные) и анало­говые (чаще всего фазовые).

По конструкции измерительного устройства различают круговые и линейные датчики положения .Наибольшую точ­ность могут обеспечить линейные датчики (типа линейного сельсина или индуктосина), которые монтируют непосредственно на под­вижных узлах станка. Круговые датчики (вращающиеся сельсины, иначе называемые вращающимися или поворотными трансфор­маторами) устанавливают на каком-либо узле кинематической цепи подачи, обычно на ша­риковом ходовом винте. Они могут приво­диться во вращение также от измерительной рейки, закрепленной на подвижном уале, че­рез связанное с рейкой зубчатое колесо. В этом случае на точность измерений влияют погрешности кинематической цепи между подвижным узлом и датчиком.

В системах первой группы применяются в основном круговые кодовые датчики поло­жения. Датчики же, выдающие информацию по одному каналу в виде серии импульсов, число которых пропорционально величине перемещения, применяются главная образом в системах второй группы. Среди аналоговых датчиков, используемых в системах, относя­щихся к обеим группам, наиболее распростра­нены фазовые датчики положения.

Характерным примером аналогового фа­зового датчика, применяемого в станках, мо­жет служить круговой (обычно пятидекадный) абсолютный датчик положения с измеряемым перемещением до 10000 мм, в котором с по­мощью измерительной зубчато-реечной пары приводятся во вращение бесконтактные сель­сины. Между сельсинами соседних декад уста­новлен редуктор с передаточным числом 10. Такие датчики применяются в ряде типовых приводов подач станков с ЧПУ.

В качестве датчика точного отсчета может использоваться также линейный датчик, рабо­тающий в фазовом режиме. Характерным примером таких датчиков является бескон­тактный линейный сельсин (рис.4.22), со­стоящий из рейки Р с прямоугольными зубья­ми и измерительной головки Г, устанавливае­мых соответственно на неподвижном и пере­мещаемом узлах станка.

На измерительной головке имеется трех­фазная обмотка (Ci-1-Г; 02-2-2″; С3-3-3″), причем каждая фаза охватывает третий по счету зубец. Магнитная проводимость каждого из ее зубцов меняется по закону, приближаю­щемуся к синусоидальному.

При подаче на обмотку В синусоидаль­ного напряжения с амплитудой £/щах и пере­мещении головки на величину х в фазах Cj, Ci, С3 индуцируются синусоидальные ЭДС, амплитуды которых изменяются по косину- синусоидальному закону.

Фаза этих напряжений изменяется на 180° при переходе через нулевое положение. Такой режим работы называется трансформа­торным.

При подаче синусоидального напряже­ния на трехфазную обмотку головки образует­ся бегущее магнитное поле, а в ее однофазной обмотке индуцируется ЭДС, фаза которой изменяется по линейному закону: Ф = 2юс / Sр . Этот режим работы называется режимом фазовращателя.

Другим распространенным типом датчи­ков являются линейные и круговые индуктосины. Датчик такого типа состоит из двух шкал, одна из которых установлена на под­вижном, а другая — на неподвижном узлах станка. Шкала представляет собой пластину из изоляционного материала, на которую печат­ным способом нанесены обмотки с витками прямоугольной формы (рис.4.21). На одной шкале имеется одна обмотка 1 с шагом S, на другой — две обмотки 2 и 3, сдвинутые по от­ношению друг к другу на S/4. При подаче на обмотки 2 и 3 синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 90°, образуется бегущее магнитное поле, и в обмотке / индуцируется ЭДС, фаза которой ср = 2кх / S , где X — пе­ремещение шкалы.

Отдельным видом систем дистанцион­ного отсчета являются устройства цифровой индикации (УЦИ). Как правило, они шестираз­рядные и базируются на циклических (фазовых) датчиках положения. Принцип ра­боты подобного УЦИ заключается в следую­щем. Измеряется разность фаз между опорным сигналом (напряжением) и выходным сигна­лом датчиков младших разрядов. Затем вре­менной интервал, соответствующий этой раз­ности, преобразуется в дискретную величину (операция квантования), имеющую вид числа, записанного в один или два младших разряда УЦИ. После этого формируются показания в старших разрядах УЦИ путем подсчета (с по­мощью реверсивных счетчиков) числа импуль­сов, возникающих в моменты совпадения фаз опорного напряжения и выходного сигнала датчика. Обычно это происходит через каждый миллиметр перемещения узла станка.

Основными компонентами УЦИ являют­ся: 1) блок опорного сигнала, генерирующий сигналы прямоугольной формы с рядом фик­сированных частот; из этих сигналов форми­руется трехфазное напряжение для питания сельсинов, а также для управления вводом и выводом информации; 2) блок согласования, осуществляющий квантование непрерывно изменяющейся разности фаз на выходе датчи­ка, т.е. ее преобразование в скачкообразно изменяющееся напряжение; 3) блок формиро­вания, производящий формирование базы отсчета (т.е. начального значения показаний) и импульсов отсчета целых шагов (милли­метров), выдачу этих импульсов на блок ре­версивных счетчиков старших разрядов УЦИ, определение знака направления перемещения узла и выполняющий некоторые другие функ­ции.

Устройства подобного типа используются как автономно для цифровой индикации

по­ложения рабочих органов на станках с ручным управлением, так и для управления приводами в режимепозиционирования на станках с ЧГ1У. На основе этих же принципов измере­ний с использованием линейных либо круго­вых датчиков обратной связи создают следя­щие электроприводы с цифровым управлени­ем. Последние в сочетании с системой ЧПУ способны полностью заменить электрогидрав­лические шаговые приводы, что особенно эф­фективно при использовании высокомоментных электродвигателей, соединяемых непо­средственно с шариковым ходовым винтом без промежуточных кинематических звеньев.

Устройство и конструкция станков с ЧПУ

Продолжаем публиковать главы из учебника Ловыгина А.А., Васильева А.В. и Кривцова С.Ю. с полезной информацией о станках с ЧПУ. Сегодня разберем классификацию, устройство и основные узлы фрезерных станков с числовым программным управлением.

Классификация станков с ЧПУ

Фрезерные станки с ЧПУ можно классифицировать по различным признакам: по положению шпинделя (вертикальные или горизонтальные), по количеству управляемых осей или степеней свободы (2, 3, 4 или 5 осей), по точности позиционирования и повторяемости обработки, по количеству используемого инструмента (одно- или многоинструментальные) и т.д.

Конструкция фрезерного станка

Рассмотрим общую конструкцию вертикально-фрезерного станка с ЧПУ, который является наиболее универсальным и востребованным для любого типа. Станина (1) предназначена для крепления всех узлов и механизмов станка. Рабочий стол (2) может перемещаться в продольном (влево/вправо) и поперечном (вперед/назад) направлениях по направляющим (3).

Читайте также  Обзор настольных фрезерных станков с ЧПУ

Конструктивные элементы станка

На рабочем столе закрепляют заготовки и различные технологические приспособления. Для этого на столе имеются специальные Т-образные пазы. Шпиндель (4) предназначен для зажима режущего инструмента и придания ему вращения. Шпиндель закреплен на колонне (5), которая может перемещаться в вертикальном направлении (вверх/вниз). От точности вращения шпинделя, его жесткости и виброустойчивости в значительной мере зависят точность и качество обработки. Таким образом, рассматриваемый станок является 3-х осевым.

Защитные кожухи (6) необходимы для обеспечения безопасности. Они защищают оператора станка от летящей стружки и смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая подается в зону обработки под давлением. Дверца (7) обеспечивает доступ в рабочую зону станка. В магазине инструментов (8) барабанного типа находится набор режущих инструментов. При этом взятие необходимого инструмента и фиксация его в шпинделе обеспечивается устройством автоматической смены инструмента и производится по определенной команде управляющей программы.

Устройство системы ЧПУ

Для того чтобы сделать из обычного станка с ручным управлением станок с ЧПУ необходимо внедрить определенные компоненты в его конструкцию. Не достаточно просто подключить станок к компьютеру, чтобы он работал по программе — необходимо модернизировать механическую и электронную “начинку” станка. Давайте посмотрим, как устроена система ЧПУ (СЧПУ) на большинстве современных станков.

Условно СЧПУ можно разделить на три подсистемы:

• подсистему обратной связи.

Далее в этом разделе мы подробнее остановимся на каждой из данных подсистем.

Подсистема управления

Центральной частью всей СЧПУ является подсистема управления. С одной стороны она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой стороны взаимодействует с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.

Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), который обычно расположен в корпусе стойки ЧПУ. Сама стойка имеет набор кнопок и экран (все вместе называется пользовательским интерфейсом) для ввода и вывода необходимой информации.

Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, ПК — совместимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и циклы работы, собственную логику. Производители таких систем, как правило, не распространяют информацию об их архитектуре. Скорее всего, вы не сможете самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки такой системы. У систем закрытого типа есть важное преимущество — они, как правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли тестирование на совместимость.

В последнее время стало появляться все больше открытых, ПК — совместимых систем управления. Их аппаратная начинка практически такая же, как и у вашего домашнего персонального компьютера. Преимущество такого метода — в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно приобрести в обычном компьютерном магазине. Однако есть и недостаток. Пока считается, что надежность таких систем ниже, чем у закрытых систем управления.

Приводы станка с ЧПУ

Подсистема приводов включает в себя различные двигатели и винтовые передачи для окончательного выполнения команд подсистемы управления — для реализации перемещения исполнительных органов станка.

Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные ходовые винты. Вы, наверное, знаете, что на станке с ручным управлением рабочий, вращая рукоятку, соединенную с ходовым винтом, перемещает рабочий стол. На днище стола укреплена гайка, таким образом, что при повороте винта происходит линейное перемещение стола.

Усовершенствованный ходовой винт станка с ЧПУ позволяет выполнять перемещение исполнительного органа с минимальным трением и практически без люфтов. Устранение люфта очень важно по двум причинам. Во-первых, это необходимо для обеспечения сверхточного позиционирования. Во-вторых, только при соблюдении этого условия возможно нормальное попутное фрезерование.

Двигатели станков

Второй составляющей подсистемы является двигатель (а точнее — несколько двигателей). Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.

Датчики обратной связи

Подсистема обратной связи главным образом призвана обеспечивать подсистему управления информацией о реальной позиции исполнительного органа станка и о скорости двигателей. Подсистема обратной связи может быть открытого или замкнутого типа.

Системы открытого типа регистрируют наличие или отсутствие сигнала из подсистемы управления. К сожалению, они не могут дать информации о реальной позиции исполнительного органа и скорости двигателей, поэтому в современных станках с ЧПУ практически не используются.

Системы замкнутого типа используют внешние датчики для проверки необходимых параметров.

Схема обратной связи на станке с ЧПУ

Датчики, используемые для определения положения

Как правило, в станках с ЧПУ для определения положения и состояния исполнительных органов используются два типа датчиков: линейные датчики положения и вращающиеся датчики положения.

Вращающийся датчик положения крепится на валу двигателя и позволяет определять его угловое положение. Этот датчик состоит из источника света, оптического датчика (приемника) и диска с маленькими радиальными прорезями (растрами). Растровый диск укреплен на валу, источник света и оптический датчик находятся с разных сторон от диска.

Когда диск вращается, то лучи проходят сквозь его прорези и падают на оптический датчик. Оптический датчик работает как переключатель, который включается или выключается при попадании на него лучей света. Это дает возможность определить относительное или абсолютное положение и направление вращения двигателя. Полученная информация отправляется в подсистему управления.

Вращающийся датчик положения.

Все вращающиеся датчики имеют один существенный недостаток. Так как они устанавливаются непосредственно на валу двигателя, то не могут напрямую измерить линейное положение исполнительного органа станка. Они дают рассчитанное положение, основанное на данных о шаге ходового винта, и в высокоточных станках для определения линейного положения не применяются. Их можно использовать в конструкции шпинделя для определения числа оборотов при вращении и для нахождения его углового положения.

Линейные датчики положения

Используются практически во всех современных станках с ЧПУ для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов. Датчики содержат два взаимосвязанных узла, растровую шкалу и считывающую головку. Растровая шкала (1), расположенная вдоль направляющих, представляет собой линейку с маленькими прямоугольными прорезями (растрами). Считывающая головка, перемещающаяся вместе с исполнительным органом станка, состоит из осветителей (2), фотоприемников (3) и индикаторной пластины (4). Причем осветители и индикаторная пластина находятся с одной стороны от растровой шкалы, а фотоприемники с другой.

На индикаторной пластине так же присутствует два растровых участка со смещенным шагом для формирования двух сигналов. Когда считывающая головка перемещается вдоль растровой шкалы, то световые сигналы от осветителей проходят через индикаторную пластину, затем через шкалу и регистрируются фотоприемниками. Полученные сигналы дают возможность определить величину и направление перемещения. На растровой шкале может находиться дополнительная дорожка референтных меток для задания собственного начала отсчета.

Линейный датчик положения.

Системе ЧПУ также необходима информация о скорости, ускорении и замедлении исполнительного органа станка. Расчет величины ускорения и замедления необходим для точного позиционирования. Дело в том, что, когда рабочий стол перемещается в требуемую позицию, он заранее замедляет скорость перемещения, чтобы “не промахнуться” мимо требуемой координаты.

Датчики состояния исполнительных органов

Кроме вышеперечисленных датчиков, конечно же, используются и другие. Температурные датчики (термопары) применяют для определения температуры исполнительных органов, расчета температурного линейного расширения компонентов станка и для контроля над температурой масла и воздуха. Инфракрасные датчики используются в станочных системах автоматического измерения.

Читайте также  Пеллетный станок своими руками

Подсистема обратных связей станков с ЧПУ

Главная задача подсистемы обратных связей – снабжение системы управления информацией о скорости электродвигателей и реальном положении рабочих инструментов. Подсистемы обратных связей могут быть замкнутого или открытого типа.

Системы замкнутого типа используют внешние датчики обратных связей для проверки нужных параметров.

Системы открытого типа могут фиксировать только наличие или отсутствие сигнала из подсистемы управления. Такие системы не могут дать информации о реальном положении инструмента и в современных станках с ЧПУ не используются.

Датчики положения

В станках с ЧПУ для определения положения инструмента используют два типа датчиков – вращающиеся и линейные.

Вращающиеся датчики положения или энкодеры

Используют для определения круговой скорости электродвигателя. Крепится на вал машины. Состоит этот датчик из диска с растрами (малыми радиальными прорезями), источника света и оптического приемника. Диск крепится на валу, а приемник и источник света устанавливаются по разные стороны диска.

Вал электродвигателя вращается и вращает вал энкодера, а лучи от источника света проходят отверстия в диске и улавливаются оптическим приемником. Работу энкодера можно сравнить с переключателем, который будет переключатся при попадании лучей света на него. Это позволяет определить положение механизма и направление вращения двигателя, а полученную информацию отправить в подсистему управления.

У вращающихся датчиков имеется один, но ощутимый недостаток – они не могут напрямую измерять линейное перемещение. С их помощью можно получить только расчетное значение, которое будет основываться на данных ходового винта. Из-за этого недостатка энкодеры в высокоточных станках с ЧПУ не применяются. Вращающиеся датчики положения используют в конструкциях шпинделя для получения данных об угловом положении и скорости вращения.

Линейные датчики положения

Линейные датчики положения используют практически все современные станки с ЧПУ. Они позволяют довольно точно определить абсолютную или относительную позицию рабочего механизма. У датчиков имеется два взаимосвязанных узла – считывающую головку и растровую шкалу.

Вдоль направляющих располагается растровая шкала (1), которая представляет из себя линейку с малыми прорезями (растрами). Считывающая головка перемещается вместе с рабочим органом и состоит из осветителей (2), фотоприемников (3), индикаторной пластины (4). На пластине индикаторной присутствуют два растровых участка для формирования двух сигналов. При перемещении считывающей головки вдоль шкалы световые сигналы осветителей проходят через индикаторную пластину, затем через шкалу, после чего фотоприемник их регистрирует. Полученные сигналы позволяют определить направление и величину перемещения. На растровую шкалу могут наносить дополнительные метки для создания собственного начала отсчета.

Для нормального функционирования системе ЧПУ также необходима информация о скорости, ускорении и замедлении рабочего органа. Это необходимо для точного позиционирования. При перемещении рабочего органа в нужную позицию он заранее начинает замедление, чтоб не «промахнутся» и остановится точно в требуемой координате.

Датчики состояния исполнительных органов

Датчики перемещения не единственные, которые используют в станках с ЧПУ. Например, инфракрасные датчики используют для автоматического измерения, а термопары (температурные датчики) применяют для контроля температуры масла, воздуха, исполнительных органов, а также для расчета температурного расширения компонентов станка.

Датчики обратной связи

Для обеспечения необходимей точности обработки деталей на станках с ЧПУ необходимо задать программой траектории движения инструмента и контролировать ее в течение всей обработки. Для этого в конструкциях станков предусмотрены устройства обратной связи, контролирующие выполнение рабочими органами заданной траектории движения.

Для получения сигнала о величине фактического перемещения или положения объекта при управлении применяются системы путевого контроля, состоящие из одного или нескольких датчиков обратной связи (ДОС), измерительной схемы и схемы формирования выходного сигнала. Датчики в такой системе контроля преобразуют механическое перемещение объекта в изменение различных физических параметров, которые в свою очередь, с помощью измерительной схемы, преобразуются в выходной электрический сигнал. По виду физических параметров датчики подразделяются на омические, емкостные, фотоэлектрические, индуктивные и т.д.

Индуктивный датчик обратной ввязи (индуктосин) – представляет собой статор (рис. 8.6), на котором с помощью фотолитографии нанесена обмотка в виде змеевика 1 с шагом 2 мм.

Рис. 8.6. Индуктивный датчик обратной связи

На ползуне 2 нанесены две точно такие же обмотки, на которые подаются переменные напряжения, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 градусов. В зависимости от положения ползуна 2 относительно статора электромагнитное поле одной из обмоток воздействует сильнее на поле статора и оно смещается по фазе в сторону этой обмотки. Смещение по фазе сигнала, выходящего со статора, пропорционально перемещению ползуна. Специально преобразующие устройства выдают сигнал в УЧПУ станка.

Фотоэлектрический датчик обратной связи является аналого-цифровым преобразователем, имеющим весьма высокую точность контроля перемещения и легко согласуется с системами ЧПУ.Датчики выпускаются для контроля линейных и угловых перемещений.

При вращении вала 9 (рис. 8.7) датчика генерируются электрические сигналы в форме серии прямоугольных импульсов, количество которых представляет собой величину замера угла вращения. На валу датчика установлен стеклянный диск с радиальным делением решетки 8. Это деление сканируется (отслеживается) фотоэлектрически. С одной стороны диск подсвечивается источником света 5 через оптическое устройство (линзы) 4, с другой стороны находится постоянная сканирующая решетка 3 и фотоэлементы 2. При вращении диска происходит периодическое совпадение щелей диска со щелями решетки, в результате чего в образовавшиеся просветы свет от источника попадает на фотоэлементы и в цепи появляется импульс тока.

Рис. 8.7. Фотоэлектрический датчик обратной связи:

1 – электроника датчика; 2 – фотоэлементы; 3 – сканирующая решетка;

4 – оптика; 5 – источник света; 6 – муфта; 7 – деление нулевого импульса;

8 – вращающийся стеклянный диск с радиальный делением решетки;

9 – вал датчика; 10 – приводной вал

Расстояние между дисками решетки (просветы) является разрешающей способностью датчика.

Требования по точности, предъявляемые к ДОС, в среднем на порядок выше точности приводов, на которых они установлены.

Разрешающая способность датчиков для станков классов точности:

Н и П – 1 мкм; А – 0,2 мкм;

В – 0,5 мкм; С – 0,1 мкм.

К ДОС относится датчик скорости (тахогенератор), представляющий собой небольшой генератор постоянного тока, величина которого зависит от частоты вращения вала тахогенератора.

Датчик обратной связи, наличие которого характеризует замкнутость системы, можно устанавливать в различных местах кинематической цепи привода. На рис. 8.8 рассмотрены три варианта установки ДОС.

Наиболее простое конструктивное решение, когда ДОС и тахогенератор установлены на роторе двигателя привода подач и их сигналы прямопропорциональны углу поворота ротора (рис. 8.8а).

Все три варианта установки ДОС не равноценны с точки зрения достижения точности. В варианте, приведенном на рис.8а, ошибки перемещения рабочего органа включают в себя погрешности кинематической цепи от двигателя до рабочего органа.

В варианте, приведенном на рис. 8.8б, при определении точности перемещения рабочего органа исключено влияние тахогенератора, погрешности редуктора, а также погрешности от скручивания винта. Наиболее точным является вариант, приведенный на рис. 8.8в, когда ДОС установлен непосредственно на рабочем органе.

Рис. 8.8. Блок схемы приводов подач станков с ЧПУ:

а) с одним потоком информации; б) с двумя потоками информации;

в) с тремя потоками информации

В – устройство ввода; УЧПУ – устройство ЧПУ;

СУ – сравнивающее устройство; У – усилитель; РО – рабочий исполнительный орган; ДОС – датчик обратной связи; Т – тахогенератор; М – электродвигатель;