Классификация станков с программным управлением

    С тиристорным преобразователем непосредственно связана система импульсно-фазового управления СИФУ. Назначение СИФУ в преобразовании непрерывного сигнала в импульсный сигнал управления, фаза которого изменяется пропорционально входному воздействию. Поскольку угол управления α отсчитывается от момента естественного открывания тиристора, работа СИФУ должна быть согласована с напряжением питания тиристорного преобразователя. Управляющие импульсы должны иметь достаточную мощность и высокую крутизну, необходимую для четкого открывания тиристоров.

    Рассмотрим  принципиальную схему построения блока  СИФУ.

 

     Управляющее напряжение поступает на вход фазосдвигающего  устройства ФСУ, в котором сравнивается с опорным напряжением, вырабатываемым блоком опорного напряжения БОН. При этом график опорного перемещается по вертикали, как показано на рисунке ниже. При равенстве напряжений на выходе нуль-органа НО появляется сигнал, который проходит через блок усиления и формирования импульсов УФИ и поступает на управляющий электрод тиристора.

    Важнейшим узлом СИФУ является блок опорного напряжения. В простейшем случае в качестве опорного напряжения можно принять синусоиду, синхронизированную с напряжением питания тиристора. Однако для получения достаточной чувствительности ФСУ, т.е. для возможно большего изменения угла α при изменении управляющего напряжения, можно использовать только часть синусоиды, ограниченную углами примерно ±60º. При синусоидальном опорном напряжении чувствительность ФСУ, характеризуемая производной dα/du_у, является величиной переменной. В связи с этим на практике используют пилообразное или треугольное опорное напряжение, обеспечивающее постоянную чувствительность в широких пределах изменения угла α.

     На рисунке ниже представлена схема  блока пилообразного напряжения БПН. В БПН используют три трансформатора, первичные обмотки которых включаются треугольником в трехфазную сеть.

    Вторичные обмотки трансформаторов включаются последовательно и напряжение на них суммируется. Основная часть опорного  напряжения создается обмоткой трансформатора 2Т, фаза которого смещена на 180º относительно фазы первичного напряжения. Напряжение на вторичных обмотках трансформаторов 1Т и 3Т совпадает со своими первичными напряжениями по фазе. Кроме того, в обмотки 1Т и 3Т включены диоды таким образом, что в первом трансформаторе выпрямляется отрицательная полуволна напряжения, а в третьем – положительная. В результате суммирования выходное напряжение формируется из основной синусоиды и двух полусинусоид, сдвинутых по фазе на ±60º, и имеет практически пилообразную форму, что видно на графике.

     

В качестве нуль-органов в СИФУ применяют транзисторные пороговые элементы с большой крутизной характеристики. На рисунке представлена упрощенная схема формирования сигнала. Разность опорного напряжения u_оп и напряжения управления u_у подается на базу транзистора Т. До тех пор, пока u_оп  < u_у , потенциал базы отрицателен, транзистор открыт, и напряжение u_к.э равно нулю. Когда u_оп  = u_у , транзистор закрывается, сопротивление его резко возрастает и на переходе коллектор – эмиттер появляется напряжение, которое остается примерно постоянным все время, пока u_оп  > u_у. Это напряжение дифференцируется. В качестве дифференцирующего элемента используется конденсатор C и обратное сопротивление диода Д2. При дифференцировании должны образоваться разнополярные импульсы на переднем и заднем фронте напряжения u_к.э. Положительные импульсы соответствуют нерабочему участку кривой опорного напряжения и срезаются диодом Д2, отрицательные – подаются на вход УФИ. 
 
 

     На рисунке показаны графики выходных импульсов.

    Выходное  устройство СИФУ формирует и усиливает по мощности управляющие импульсы, поступающие от ФСУ. В качестве УФИ применяют ждущие блокинг-генераторы с насыщающимся сердечником. В цепь коллектора транзистора Т включена первичная обмотка ω₁ трансформатора Т_p. Одна из вторичных обмоток ω₂ является выходной, сигнал с нее поступает на управляющий электрод тиристора. Другая обмотка ω₃ осуществляет положительную обратную связь, степень которой выше критической.

     При отсутствии сигнала на базе транзистор Т полностью закрыт. Сигнал, поступающий от ФСУ, вызывает лавинообразное возрастание коллекторного тока и появление напряжения на выходе трансформатора. Пока трансформатор не насыщен, это напряжение практически постоянно. После насыщения магнитный поток в трансформаторе становится неизменным и ЭДС во вторичных обмотках не наводится, степень положительной обратной связи уменьшается и транзистор закрывается. Такие схемы позволяют получить мощный выходной импульс с крутым передним фронтом. Длительность импульса определяется временем перемагничивания сердечника.

    Необходимая мощность привода главного движения металлорежущего станка изменяется в функции частоты вращения шпинделя. При этом номинальная мощность полностью не используется при высоких и низких частотах вращения. На рисунке представлен график полезной мощности, полученный путем статистического исследования универсальных станков: до 1/3 или даже 1/2 диапазона регулирования мощность возрастает примерно пропорционально частоте вращения и регулирование привода нужно производить с постоянным моментом.

    Затем мощность достигает максимума и  после этого незначительно снижается  при наибольшей частоте вращения. На этом участке привод можно регулировать с постоянной максимально допустимой мощностью. Таким образом, привод главного движения станка нуждается в двухзонном регулировании.

     Регулирование с постоянной максимально  допустимой мощностью осуществляется путем изменения тока возбуждения  при неизменном напряжении на якоре. При этом частота вращения изменяется вверх от номинальной в небольшом диапазоне, который определяется коммутационными возможностями двигателей постоянного тока. В том случае, когда по технологическим требованиям диапазон необходимо увеличить, вводят дополнительную коробку скоростей. Чаще всего применяют коробки с автоматическим переключением ступеней с помощью электромагнитных муфт. Для регулирования с постоянным максимально допустимым моментом необходимо изменять напряжение на якоре при неизменном возбуждении, так же как это делают в регулируемом приводе. Частота вращения при этом регулируется вниз от номинала и диапазон регулирования может быть достаточно большим. Обычно по технологическим требованиям необходимо иметь D = 1:20. Однако в многооперационных станках этот диапазон может быть значительно увеличен. Это связано с необходимостью точного позиционирования шпинделя при смене инструмента. Привод шпинделя переключается на малую ползучую скорость, при которой обеспечивается высокая точность остановки.

    Для обеспечения двигательного и  тормозного режимов и реверсирования шпинделя привод должен работать во всех четырех квадрантах координатной плоскости. Привод главного движения должен иметь  два тиристорных преобразователя: один для питания цепи якоря, другой – для цепи возбуждения. Соответственно с этим образуются два контура регулирования, как показано на рисунке. Регулирование частоты вращения изменением напряжения на якоре и изменением потока возбуждения можно производить независимо. Однако при этом могут возникнуть нежелательные режимы работы, такие, например, как пуск при пониженном возбуждении. Во избежание этого в приводах главного движения применяют двухзонное зависимое управление. 

Принципиальная  схема привода главного движения с зависимым управлением 

    При зависимом управлении магнитный  поток остается номинальным до тех  пор, пока частота вращения двигателя  меньше основной. Затем повышение  частоты вращения обеспечивается путем  ослабления магнитного потока. Схема  управления имеет один задатчик  скорости общий на обе зоны регулирования. Система управления напряжением якоря (ТП1 – тиристорный преобразователь этой цепи) имеет замкнутый контур по скорости двигателя с регулятором скорости РС и подчиненный ему контур тока с регулятором тока РТ.

    Система управления током возбуждения связана  с системой управления напряжением  якоря через ЭДС двигателя. Сигнал, пропорциональный ЭДС, снимается с  диагонали тахометрического моста, образованного якорем двигателя, обмоткой дополнительных полюсов ДП и резисторами R1, R2. Этот сигнал подается  на ПИ-регулятор возбуждения РВ, имеющий зоны насыщения, и далее через СИФУ2 управляет работой тиристорного преобразователя ТП2, питающего обмотку возбуждения двигателя. Поскольку мощность возбуждения весьма невелика, здесь применяют упрощенный однофазный преобразователь. Кроме сигнала, пропорционального ЭДС двигателя, на вход регулятора РВ подается опорное напряжение, соответствующее номинальной частоте вращения привода. До тех пор, пока частота вращения меньше номинальной, регулятор РВ находится в состоянии насыщения, и по обмотке возбуждения протекает номинальный ток. При больших частотах вращения регулятор вступает в работу и начинает уменьшать поток возбуждения двигателя. Совместное действие регуляторов скорости и возбуждения приводит к тому, что во второй зоне регулирования ЭДС все время остается неизменной. Поэтому систему регулирования возбуждения считают контуром регулирования ЭДС, зависимым от контура скорости.

    Схема управления строится таким образом, что на вход этого узла необходимо подать только код скорости шпинделя из устройства ЧПУ.

 

 
 

 

 
 
 
 

     Так как смена инструмента в  патроне регламентируется геометрическим износом резца, на станке необходимо предусмотреть ультразвуковой датчик для контроля состояния и размерного износа  резца. Точность измерения ±2мкм. Результаты измерений автоматически обрабатываются, и датчик позволяет идентифицировать износ режущей кромки.

    Износ инструмента измеряем непосредственны  путем с помощью ультразвукового  датчика, определяющего изменение (вследствие износа) расстояния между датчиком 1 и деталью 4. Принцип работы самого датчика состоит в измерении времени прохождения импульса. Расстояние L измеряется непрерывно. Датчик 1 размещен в специальном сопле, через которое поступает охлаждающая жидкость, предохраняющая вибратор датчика от нагрева. Электрический кабель 3 питания проходит через трубопровод 2 охлаждающей жидкости. Диаметр датчика порядка 8мм, его вибратор работает на частоте 8 МГц.

    Результаты  измерения используют следующим образом: фиксируются временные интервалы, за которые величина износа переходит через заранее установленный порог значения износа Т_max. 

 

 
 

    Структурная схема ультразвукового датчика. В нее входит:

    Е₁, Е₂ – электроды возбуждения поля;

    S – измерительный элемент;

    1 –  усилители;