Содержание
Предисловие к 10-му изданию ..............................................................................................13
ГЛАВА 1
УПРАВЛЕНИЕ, РЕГУЛИРОВАНИЕ,
ВЕДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ............................................................15
1.1.
Управление и управляющие системы ......................................................................15
1.1.1.
Аналоговое, двоичное и цифровое управление ...............................................16
1.1.2.
Комбинаторные системы управления и последовательное
программное управление...................................................................................18
1.1.3.
Управление с программируемыми связями и система
программного управления от ЗУ ......................................................................20
1.2.
Регулирование, регулирующие системы .................................................................21
1.3.
Ведение производственного процесса .....................................................................22
ГЛАВА 2
ОСНОВЫ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ ..............................................................................24
2.1.
Механические управляющие системы ....................................................................24
2.1.1.
Общие сведения ..................................................................................................24
2.1.2.
Регулируемые передаточные механизмы .........................................................26
2.1.2.1.
Ступенчатые передачи ...............................................................................26
2.1.2.2.
Бесступенчатые передачи .........................................................................27
2.1.3.
Передачи неравномерного действия .................................................................31
2.1.4.
Передача с прерывистым движением ...............................................................34
2.2.
Электрические системы управления .......................................................................35
2.2.1.
Конструкционные элементы электрических систем управления,
действующих на основе контактов ...................................................................36
2.2.2.
Графическое представление электрических систем управления
на основе контактов ...........................................................................................55
2.2.3.
Принципиальные схемы коммутации электрических
систем управления с помощью контактов .......................................................56
2.2.4.
Автоматическое программное управление ......................................................60
2.2.4.1.
Диаграмма пути и диаграмма состояния.................................................61
2.2.4.2.
Функциональные схемы для автоматических систем
программного управления ........................................................................63
2.2.5.
Электронные конструкционные элементы .....................................................68
2.2.6.
Электрические исполнительные органы .........................................................74
2.2.6.1.
Электромагниты и муфты .........................................................................74
2.2.6.2.
Трехфазные двигатели с питанием от сети
(двигатели переменного тока) ..................................................................75
2.2.6.3.
Приводы трехфазного тока с электронным переключением ................85
2.2.6.4.
Приводы постоянного тока .......................................................................91
2.2.6.5.
Приводы с шаговыми электродвигателями ............................................96
2.3.
Пневматические системы управления ...................................................................97
2.3.1.
Общие сведения о пневматике ..........................................................................98
2.3.2.
Конструктивное исполнение пневматической установки .............................99
2.3.3.
Генерация сжатого воздуха ..............................................................................102
2.3.3.1.
Компрессоры ............................................................................................102
2.3.3.2.
Распределение сжатого воздуха ..............................................................1066
2.3.3.3.
Подготовка сжатого воздуха ...................................................................109
2.3.4.
Приводные элементы ....................................................................................... 110
2.3.4.1.
Пневматические двигатели ..................................................................... 111
2.3.4.2.
Приводы вращательного и поворотного типа ....................................... 115
2.3.4.3.
Пневматические цилиндры .................................................................... 115
2.3.4.4.
Характеристические показатели цилиндров ........................................120
2.3.5.
Вентили и основные системы управления .....................................................124
2.3.5.1.
Графическое изображение вентилей ......................................................124
2.3.5.2.
Распределители ........................................................................................128
2.3.5.3.
Регуляторы расхода .................................................................................. 131
2.3.5.4.
Запорные клапаны ...................................................................................133
2.3.5.5.
Регуляторы давления и блокирующие вентили ....................................136
2.3.6.
Топология переключательной схемы ..............................................................137
2.3.7.
Функциональные диаграммы .........................................................................140
2.3.7.1.
Диаграмма пути перемещений ................................................................ 142
2.3.7.2.
Диаграмма состояния .............................................................................. 143
2.3.8.
Техника пропорционального регулирования ............................................... 147
2.3.8.1.
Пропорциональные регуляторы давления ............................................ 147
2.3.8.2.
Пропорциональные распределители ......................................................148
2.3.9.
Примеры пневматических систем управления .............................................. 151
2.3.10.
Электропневматические системы управления ............................................155
2.3.11.
Гидропневматические системы управления ................................................ 161
2.4.
Гидравлические системы управления ...................................................................165
2.4.1.
Общие сведения ................................................................................................165
2.4.2.
Физические аспекты ........................................................................................165
2.4.2.1.
Гидростатика ............................................................................................165
2.4.2.2.
Гидродинамика ........................................................................................168
2.4.3.
Гидравлические жидкости ..............................................................................169
2.4.4.
Структура гидравлических систем управления ............................................ 173
2.4.5.
Гидравлические насосы ................................................................................... 174
2.4.6.
Гидроаккумуляторы ........................................................................................ 177
2.4.7.
Приводные механизмы .....................................................................................180
2.4.8.
Гидроаппараты .................................................................................................184
2.4.8.1.
Регуляторы давления ............................................................................... 185
2.4.8.2.
Распределители ........................................................................................190
2.4.8.3.
Запорные клапаны ...................................................................................192
2.4.8.4.
Регуляторы расхода ..................................................................................193
2.4.8.5.
Конструктивные исполнения аппаратов...............................................197
2.4.8.6.
Статические вентили ...............................................................................199
2.4.8.7.
Вентильная техника пропорционального регулирования ..................200
2.4.8.8.
Сервоклапаны ..........................................................................................208
2.4.9.
Примеры гидравлических систем управления .............................................. 211
2.5.
Двоичные и цифровые системы управления ........................................................ 214
2.5.1.
Двоичный код.................................................................................................... 214
2.5.2.
Двоично-десятичные коды .............................................................................. 216
2.5.3.
Двоичные логические связи ............................................................................ 217
2.5.4.
Алгебра переключательных схем ....................................................................222
2.5.5.
Комбинаторные системы управления ............................................................224
2.5.6.
Упражнения по теме «комбинаторные системы управления» .....................227
2.5.7.
Автоматизированные системы управления процессом ................................233
2.5.8.
Цифровые запоминающие устройства ...........................................................243
Содержание8
2.6.
Опасности и меры защиты при работе с электрическими установками ............250
2.7.
Электромагнитная совместимость .........................................................................253
2.8.
Системы программного управления от ЗУ (SPS) ..................................................256
2.8.1.
Структура и принцип действия.......................................................................256
2.8.2.
Программирование ..........................................................................................261
2.8.2.1.
Языки программирования ......................................................................261
2.8.2.2.
Разработка программы............................................................................263
2.8.3.
Основные функции ..........................................................................................269
2.8.3.1.
Двоичные логические функции .............................................................269
2.8.3.2.
Функции памяти SR/RS .........................................................................273
2.8.3.3.
Анализ фронтов .......................................................................................275
2.8.4.
Функции времени ............................................................................................277
2.8.5.
Функции счета ..................................................................................................279
2.8.6.
Цифровые операции .........................................................................................280
2.8.7.
Системы автоматического программного управления ................................285
2.8.7.1.
Структурирование и представление .......................................................285
2.8.7.2.
Пример программного управления последовательностью
выполнения операций .............................................................................288
2.8.7.3.
Программирование на уровне цепочки шагов ......................................292
2.8.7.4.
Сигналы рабочих режимов ......................................................................295
2.8.7.5.
Функциональный модуль для рабочих режимов ..................................297
2.8.7.6.
Функциональный модуль последовательности
выполнения шаговых операций .............................................................298
2.8.7.7.
Функциональный модуль для вывода команд .......................................299
2.8.8.
Обработка аналоговых данных .......................................................................300
2.8.9.
Программирование со структурированным текстом (ST) ...........................301
2.8.9.1.
Цифровое регулирование ........................................................................301
2.8.9.2.
Двухпозиционный регулятор .................................................................303
2.8.9.3.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный
регулирующий модуль.............................................................................306
2.8.10.
Контроль и управление производственными процессами .........................308
2.8.11.
Ускоренные процессы счета ........................................................................... 310
ГЛАВА 3
ТЕХНИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ................................................................312
3.1.
Аналоговые сенсоры ................................................................................................ 312
3.1.1.
Датчики перемещения, угла поворота, расстояния и толщины .................. 312
3.1.2.
Датчики скорости .............................................................................................321
3.1.3.
Тензометрические датчики, датчики силы,
крутящего момента и сжатия ...........................................................................322
3.1.4.
Датчики ускорения ...........................................................................................326
3.1.5.
Термодатчики ....................................................................................................326
3.2.
Двоичные сенсоры ...................................................................................................329
3.3.
Цифровые сенсоры................................................................................................... 331
3.3.1.
Инкрементные путевые датчики ....................................................................332
3.3.2.
Кодовые масштабы и преобразователи угла поворота в код .........................334
ГЛАВА 4
ТЕХНИКА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ................................................338
4.1.
Основные понятия ...................................................................................................338
4.2.
Режимы регулирования ..........................................................................................340
4.3.
Элементы контура регулирования .........................................................................342
4.3.1.
Пропорциональное звено без запаздывания (П-звено) ................................342
Содержание10
4.3.2.
Пропорциональное звено с запаздыванием 1-го порядка (звено РТ1
) .........344
4.3.3.
Пропорциональное звено с запаздыванием 2-го порядка (звено РТ2
(
и колебательное звено ......................................................................................346
4.3.4.
Интегрирующее звено (И-звено) ....................................................................349
4.3.5.
Дифференцирующее звено (Д-звено) .............................................................350
4.3.6.
Звено с запаздыванием (Tt
-звено) ................................................................... 351
4.3.7.
Взаимодействие нескольких элементов контура
автоматического регулирования .....................................................................353
4.4.
Регуляторы и контуры регулирования ..................................................................355
4.4.1.
Переключающие регуляторы ..........................................................................355
4.4.2.
Аналоговые регуляторы ...................................................................................356
4.4.3.
Цифровые (программные) регуляторы...........................................................360
4.4.3.1.
Аналого-цифровое преобразование и дискретизация сигналов ........360
4.4.3.2.
Алгоритм регулирования ........................................................................362
4.4.4.
Регулирование пропорциональных объектов ...............................................365
4.4.5.
Регулирование интегральных объектов .........................................................367
4.4.6.
Настройка регулятора ......................................................................................369
4.5.
Позиционное регулирование в станках с ЧПУ .....................................................371
4.5.1.
Каскадное регулирование ................................................................................371
4.5.2.
Предварительное задание скорости ...............................................................373
4.5.3.
Аналоговый и цифровой контуры регулирования чисел оборотов .............374
ГЛАВА 5
ТЕХНИКА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ (ЧПУ) .......................376
5.1.
Станки и производственные системы с ЧПУ ........................................................376
5.1.1.
Инструменты и зажимные приспособления ..................................................378
5.1.1.1.
Револьверные головки ..............................................................................378
5.1.1.2.
Инструментальные магазины .................................................................379
5.1.1.3.
Кодирование инструмента ......................................................................381
5.1.1.4.
Предварительная настройка инструмента ............................................382
5.1.1.5.
Зажимные механизмы ..............................................................................383
5.1.2.
Гибкие производственные системы ................................................................384
5.2.
Числовое программное управление .......................................................................388
5.2.1.
Введение и обзор ...............................................................................................388
5.2.2.
Интерполяция ..................................................................................................390
5.2.3.
Компенсация погрешностей ...........................................................................392
5.2.4.
Управление движениями и проектирование траектории ............................393
5.2.5.
Типовая концепция и преобразование координат ........................................395
5.2.6.
Связь ..................................................................................................................397
5.2.7.
Системы координат и направления движений ..............................................398
5.2.8.
Опорные точки, нулевые точки ......................................................................400
5.2.8.1.
Нулевые точки .........................................................................................401
5.2.8.2.
Опорные точки .........................................................................................401
5.2.9.
Органы управление и режимы работы ...........................................................403
ГЛАВА 6
РОБОТОТЕХНИКА ...........................................................................................................407
6.1.
Классификация роботов .........................................................................................408
6.2.
Особенности кинематики .......................................................................................409
6.3.
Приводы для роботов .............................................................................................. 413
6.4.
Захваты ...................................................................................................................... 415
6.5.
Программирование роботов ................................................................................... 416
6.5.1.
Способы программирования........................................................................... 416
Содержание11
6.5.2.
Системы координат ..........................................................................................421
6.6.
Управление роботами ..............................................................................................424
6.6.1.
Генерация движений ........................................................................................424
6.6.2.
Положения осей ................................................................................................425
6.6.3.
Интерполяция ..................................................................................................426
6.6.4.
Срезание углов и качание ................................................................................427
6.6.5.
Сенсоры для робототехнических систем .......................................................429
6.7.
Защитные меры ........................................................................................................433
ГЛАВА 7
МОНТАЖ И ДЕМОНТАЖ ................................................................................................435
7.1.
Общие сведения ........................................................................................................435
7.2.
Движение материалов ..............................................................................................439
7.2.1.
Хранение ............................................................................................................439
7.2.2.
Использование промежуточных накопителей ..............................................441
7.2.3.
Бункеровка деталей ..........................................................................................442
7.2.4.
Магазинная загрузка деталей ..........................................................................443
7.2.5.
Транспортные системы ....................................................................................445
7.3.
Способы соединения в процессе монтажа.............................................................449
7.3.1.
Крепление винтами ..........................................................................................449
7.3.2.
Стыкование методом пластической деформации .........................................450
7.3.3.
Склеивание и заделка уплотнением (герметизация) .................................... 451
7.3.4.
Сварка и пайка ..................................................................................................453
7.3.5.
Сборка совмещением ........................................................................................455
7.3.6.
Запрессовка .......................................................................................................456
7.4.
Монтажные площадки.............................................................................................457
7.4.1.
Ручной монтаж ..................................................................................................457
7.4.2.
Автоматизированный монтаж .........................................................................458
7.5.
Организация процесса монтажа .............................................................................460
7.5.1.
Топология ...........................................................................................................460
7.5.2.
Последовательное выполнение монтажных операций .................................460
ГЛАВА 8
МЕНЕДЖМЕНТ КАЧЕСТВА ...........................................................................................463
8.1.
Качество как объект управления ............................................................................463
8.1.1.
Признаки качества ............................................................................................464
8.1.2.
Дефекты .............................................................................................................465
8.2.
Цели менеджмента качества ...................................................................................466
8.3.
Всеобщий менеджмент качества (TQM) ................................................................467
8.4.
Круговая и пирамидальная модели управления качеством ................................468
8.5.
Структура и элементы системы управления качеством .......................................469
8.5.1.
Организация структуры системы управления качеством ............................469
8.5.2.
Составление планов и графиков .....................................................................470
8.5.3.
Стандарты ДИН ИСО 9000:2000 ....................................................................470
8.5.4.
Сертификация ..................................................................................................473
8.6.
Статистический контроль качества ....................................................................... 474
8.6.1.
Анализ процесса ............................................................................................... 474
8.6.2.
Карточки текущего контроля качества ..........................................................477
8.6.3.
Функциональная пригодность машин и процессов ....................................478
ГЛАВА 9
СОДЕРЖАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ В ИСПРАВНОСТИ ...............................................480
9.1.
Определение понятий ..............................................................................................480
9.2.
Уход и техническое обслуживание .........................................................................485
Содержание12
9.3.
Инспекционный контроль ......................................................................................492
9.4.
Приведение оборудования в исправность .............................................................495
9.5.
Пробный пуск ...........................................................................................................496
9.6.
Поиск ошибок, сбоев и неисправностей ................................................................500
9.7.
Ремонтные работы ....................................................................................................500
ГЛАВА 10
БИЗНЕС-ПРОЦЕССЫ ......................................................................................................503
10.1.
Задачи менеджмента ..............................................................................................503
10.2.
Управление процессом ..........................................................................................504
10.3.
Управление информацией о продукции ..............................................................506
10.4.
Методы создания технологических цепочек .......................................................508
10.5.
Проектный менеджмент ........................................................................................ 511
10.6.
Информационный менеджмент ........................................................................... 513
10.7.
Инструменты планирования ................................................................................ 515
10.8.
Модерация ..............................................................................................................523
10.9.
Презентация............................................................................................................524
10.9.1.
Содержание и визуальное представление .....................................................524
10.9.2.
Презентационная графика с использованием PowerPoint ..........................526
ГЛАВА 11
ОРГАНИЗАЦИЯ И ОХРАНА ТРУДА ...............................................................................528
11.1.
Человек как главная ценность ...............................................................................528
11.2.
Организация рабочего места .................................................................................529
11.3.
Рабочие нагрузки ....................................................................................................534
11.3.1.
Нагрузки в зависимости от вида деятельности ............................................534
11.3.2.
Нагрузки в зависимости от организации труда ..........................................536
11.4.
Европейские нормы эксплуатации машин и оборудования ............................539
11.4.1.
Меры безопасности и охрана здоровья на производстве .............................541
11.4.2.
Маркировка и руководство по эксплуатации ..............................................543
11.5.
Европейские нормы безопасности .......................................................................544
ГЛАВА 12
ИНФОРМАТИКА И ТЕХНИКА СВЯЗИ .........................................................................546
12.1.
Компьютерная техника .........................................................................................546
12.1.1.
Конструктивное исполнение ПК ..................................................................546
12.1.2.
Объектно-ориентированное программное обеспечение............................550
12.1.3.
Управление с помощью ПК ............................................................................554
12.2.
Техника связи .........................................................................................................560
12.2.1.
ISDN — интегральная цифровая сеть связи ................................................. 561
12.2.2.
Локальная связь ..............................................................................................565
12.2.3.
Интернет и Интранет .....................................................................................567
12.2.4.
Локальные вычислительные сети (ЛВС) ......................................................571
12.2.4.1.
Локальная сеть Ethernet .........................................................................573
12.2.4.2.
Сети АТМ ................................................................................................ 574
12.2.5.
Магистральные системы ................................................................................ 575
12.2.5.1.
Шина CAN .............................................................................................. 575
12.2.5.2.
Шины PROFIBUS, PROFIBUS-DP .......................................................577
12.2.5.3.
Сопряжение между исполнительными органами
и датчиками (AS-I) .................................................................................578
12.2.5.4.
Interbus-S .................................................................................................580
12.2.6.
Последовательный интерфейс (V.24) ............................................................581
ПАМЯТКА ПО ОХРАНЕ ТРУДА ......................................................................................583
1. УПРАВЛЕНИЕ, РЕГУЛИРОВАНИЕ,
ВЕДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Чтобы машины и установки могли работать самостоятельно, то есть автоматически, они оснащаются разного рода управляющими и регулирующими устройствами. К такому оборудованию относятся механические, электрические, пневматические и гидравлические приводы и всевозможные органы управления. Вычислительные машины, например, нередко берут на себя выполнение всех необходимых функций по управлению и регулированию комплексных технологических линий и самих производственных процессов. Сегодня микропроцессоры и микро-ЭВМ часто являются неотъемлемой составной частью даже совсем небольших управляющих блоков. Важнейшие понятия из области автоматического управления определены в нормах ДИН 19 237 (Промышленный стандарт ФРГ) и МЭК 1131 (Международная электротехническая комиссия), а из области автоматического регулирования – в ДИН 19 226.
1.1. Управление и управляющие системы
Автоматическое управление есть процесс, при котором воздействие на установку или устройство достигается посредством управляющих (командных) сигналов. Характерным признаком процесса управления является открытый путь прохождения соответствующих импульсов.
Посылаемые управляющим устройством сигналы воздействуют на машину или установку без текущей регистрации и корректировки процесса управления (рис.1). Так, при управлении подачей стол станка перемещается с помощью привода. Устанавливающим (регулирующим, управляющим) сигналом будет в данном случае напряжение UM для электродвигателя подачи. Последний образует вместе со столом станка так называемый объект управления. Подлежащим управлению параметром здесь является путь подачи s, который должен проходить стол данного станка.
Рис. 1. Принцип управления на примере механизма подачи.
1-функциональная схема, 2-управляющее устройство, 3-управляющий сигнал, 4-объект управления, 5-управляемый параметр, 6-управляющее напряжение, 7-электродвигатель, 8-путь s, 9–стол, 10-ходовой винт.
Под «управляющей системой» понимается вся установка, в которой и осуществляется собственно процесс управления. В функциональной схеме с использованием условных обозначений элементов и линий функциональных связей наглядно отображается взаимодействие отдельных блоков управления. При этом направление управляющего воздействия показано стрелками.
1.1.1. Аналоговое, двоичное и цифровое управление
По способу представления сигнала различают аналоговые, двоичные и цифровые (числовые) системы управления.
В случае аналогового управления речь идет преимущественно о постоянно действующих сигналах, представляющих собой аналоговое отображение управляемой характеристики.
Пример: Допустим, цикл перемещений стола станка управляется посредством дискового кулачка (рис.2). Подлежащим управлению параметром является путь s стола станка. Он пересчитывается - с учетом передаточного механизма - на соответствующий радиус дискового кулачка. Этот радиус аналогичен регулируемой величине – пути s. При повороте дискового кулачка стол станка циклично перемещается вперед или назад.
Рис. 2. Аналоговое управление столом станка.
1-стол станка, 2-путь перемещения, 3-сменные шестерни, 4-дисковый кулачок.
К важнейшим конструкционным элементам аналоговых систем управления относятся, в частности, дисковые кулачки, передаточные механизмы, вентили, двигатели, аналоговые сенсоры и операционные усилители.
В двоичных системах управление достигается за счет двоичных, то есть двухуровневых (или двухпозиционных) сигналов.
Двоичные сигналы представлены двумя разными значениями, или состояниями, то есть отображаются, например, через положения «включено» и «выключено», через состояния «черный» и «белый» либо через свойства «токопроводящий» и «непроводящий» или же просто через значения 0 и 1. Здесь уместно отметить, что большинство систем управления работает именно с переключающими сигналами и относится, следовательно, к двоичным управляющим системам.
Пример: Стол подачи шлифовального станка должен совершать постоянное возвратно-поступательное движение (рис.3). С помощью переключателя на основе положительного напряжения двигателя стол может передвигаться вправо. Как только укрепленный на столе кулачок 2 достигает переключателя, стол в результате отрицательного напряжения двигателя будет перемещаться влево, пока кулачок 1 вновь не произведет переключение на обратное направление.
Рис. 3. Двоичное управление приводом подачи (маятниковый цикл).
1-вправо, 2-влево, 3-кулачок 2; 4-кулачок 1; 5-двигатель.
Важнейшими конструкционными элементами двоичных систем управления являются реле, переключающие вентили, диоды и двоичные электронные элементы переключательной схемы.
В числовых системах управление осуществляется на основе чисел.
Управляющие сигналы являются в большинстве случаев двоично-кодированными. Самым простым кодам считается числовой. При этом в соответствии с представленным числом формируются импульсы, подсчитываемые приемным устройством.
Пример: Стол подачи должен циклично перемещаться вперед и назад по пути, определяемому числами. Система числового управления попеременно формирует импульсы для правого и левого хода шагового двигателя (рис.4). Число импульсов и путь перемещения могут устанавливаться переключателем предварительной установки (рис.5). С каждым импульсом шаговый двигатель поворачивается точно на один угловой шаг (приращение), перемещая стол станка дальше на один шаг. Один такой шаг пути есть, в принципе, минимально возможное движение и соответствует обладающему минимальным значением цифровому шагу на выключателе предварительной установки. В зависимости от выбора передаточного механизма, шагового двигателя и шага винтовой линии шпинделя, длина рассматриваемого шага перемещения составляет, например, 0,1 мм. В отличие от аналогового управления, здесь управляющее и управляемое значения не являются устойчивыми.
Рис. 4. Числовое управление подачей с помощью шагового двигателя.
1-система числового управления, 2-шаговый импульс, 3-шаговый двигатель, 4-путь перемещения, 5-вперед, 6-назад.
Рис. 5. Переключатель предварительной установки.
1-соединительные шины.
Важнейшие конструкционные элементы числовых систем управления: кодирующие устройства, микропроцессоры, микро-ВМ, цифровые ЗУ, цифровые сенсорные системы и цифровые сети.
Повторение и закрепление материала
1. Каковы характерные признаки аналоговых систем управления? Приведите пример аналогового управления.
2. Назовите важнейшие конструкционные элементы аналоговых управляющих систем.
3. Чем двоичные системы управления отличаются от цифровых?
4. Опишите конструкционные элементы двоичных управляющих систем.
5. Для чего используют переключатели предварительной установки?
1.1.2. Комбинаторные системы управления и
последовательное программное управление
По способу обработки сигналов различают комбинаторные системы управления и последовательные системы программного управления.
В комбинаторных системах управляющее воздействие возникает как результат сочетания нескольких сигналов.
Так, токарный станок может запускаться лишь при закрытой защитной двери И наличии зажатой в патроне заготовки (рис.6).
Рис. 6. Пример комбинаторного управления.
1-защитные двери закрыты, 2-патрон зажат, 3-условие пуска токарного станка, 4-логическая функция «И».
Комбинаторные системы управления относятся к категории двоичных, разрабатываемых с применением булевой алгебры (алгебры логики). Представление их осуществляется на основе алгебраических уравнений, релейно-контактных схем, функциональных таблиц и функциональных схем.
В случае систем последовательного управления очередной запрограммированный этап работы начинается после завершения предыдущего, то есть происходит пошаговое выполнение процессов управления. Переключение с одного этапа на другой осуществляется либо в зависимости от времени, либо в зависимости от процесса.
При последовательных системах управления по времени ходом процесса управляет датчик тактовых импульсов, выключатель с часовым механизмом или реле времени. В качестве простого примера программного управления по времени можно назвать управление автоматическим включением трехфазных двигателей через пусковую схему с переключением со звезды на треугольник. Сначала двигатель разгоняется в схеме звезды, а по истечении установленного пускового периода плюс определенного резервного времени имеет место реверсивное управление в схеме треугольника. После этого двигатель готов к работе (рис.7). Для представления систем программного управления последовательностью операций используются функциональные схемы.
Рис. 7. Функциональная схема пуска по времени.
1-переходы (условия последовательного включения), 2-двигатель ВКЛ., 3-двигатель ВЫКЛ., 4-шаги (этапы работы), 5-действия, 6-двигатель готов к работе, 7-двигатель в схеме звезды, 8-время ожидания t = 3 c, 9-двигатель в схеме треугольника, 10-S = с сохранением, N = без сохранения, D = с выдержкой времени.
При последовательных системах управления в зависимости от процесса переключение с одной рабочей операции на следующую инициируется самим процессом. В случае схемы пуска для трехфазных двигателей требуется датчик рабочего состояния: «достигнуто число оборотов холостого хода». Тогда происходит автоматическое переключение на схему треугольника (рис.8). Представление систем последовательного программного управления осуществляется на основе функциональных схем или, соответственно, блок-схем программы (ДИН-МЭК 1131) либо также диаграмм состояния (VDI 3260 = Союз немецких инженеров), если переключение зависит от пути перемещения.
Рис. 8. Функциональная схема переключения по процессу.
1-переходы (условия последовательного включения), 2-двигатель ВКЛ., 3-двигатель ВЫКЛ., 4-шаги (этапы работы), 5-действия, 6-двигатель готов к работе, 7-двигатель в схеме звезды, 8-двигатель в схеме треугольника, 9-S = с сохранением, N = без сохранения, 10-достигнуто число оборотов n0.
Системы программного управления по процессу, в принципе, предпочтительнее способа управления по времени, поскольку в случае возможных неисправностей или сбоев в работе ход процесса прерывается либо протекает медленнее в соответствии с установленной функцией.
Например, при неожиданно высокой нагрузке трехфазного двигателя переключение на схему треугольника осуществляется только при достижении достаточно высокого числа оборотов.
1.1.3. Управление с программируемыми связями
и система программного управления от ЗУ
Управляющие системы классифицируются также по способу программирования, причем различают управление с программируемыми связями (VPS) и системы программного управления от ЗУ (SPS) (таблица 1).
Таблица 1
Способы программного управления
Способ программирования Пример управления
VPS Жесткое программирование
Возможность перепрограммирования Релейное управление
Программное управление со штекерной панелью
SPS Взаимозаменяемое программирование
Свободное (гибкое) программирование SPS с СППЗУ1
SPS с ЭСПЗУ2 или ЗУПВ3
1 СППЗУ (EPROM от: Erasable Programmable Read Only Memory) = стираемая программируемая постоянная память.
2 ЭСПЗУ (EEPROM от: Electronically EPROM) = электронно-стираемая программируемая постоянная память.
3 ЗУПВ (RAM от: Random Access Memory) = память с произвольной выборкой.
В системах управления с программируемыми связями (VPS) ход выполнения программы определяют соответствующие соединения проводов, то есть произведенный электромонтаж.
Если изменений программы не предусматривается, такие управляющие системы считаются жестко запрограммированными, в противном случае они обладают способностью к перепрограммированию, которое осуществляется, например, за счет замены программных штекеров (с другим набором программы).
Системы программного управления от ЗУ (SPS) содержат электронное программное запоминающее устройство с гибким программированием.
Сама программа может быть составлена с помощью ВМ и перенесена в систему управления. Это, как правило, заменяемые программы, что облегчает и упрощает их модернизацию. Системы SPS чаще всего используются для управления машинами или станками. Так, в автоматизированных поточных линиях системы программного управления от ЗУ широко применяют для управления поперечной подачей отдельных машин. Системы программного управления от ЗУ конструируются в виде многопроцессорных систем с высокопроизводительными микропроцессорами. Они соединяются и обмениваются информацией через цифровые сети. Интерфейсы связи позволяют дистанционное наблюдение за работой SPS – например, через Интернет, с возможностью ввода нового программного обеспечения.
1.2. Регулирование, регулирующие системы
Регулирование есть процесс, при котором непрерывно отслеживаемый регулируемый параметр корректируется с подгонкой к желаемому значению (задающему воздействию).
При этом различают регулирование для стабилизации параметра и так называемое следящее регулирование.
Пример: регулирование для стабилизации параметра.
В закалочной печи необходимо поддержание температуры на постоянном уровне (стабилизация параметра) (рис.9). Эта величина является задающим воздействием. Температура же считается регулируемым параметром. Для регулирования используется компенсационный стержень, способный укорачиваться или удлиняться в зависимости от высоты температуры в печи. Такой упругий стержень установочным винтом жестко соединен с задвижкой. С помощью указанного винта можно изменять положение задвижки относительно компенсационного стержня. После включения закалочной печи, по мере возрастания температуры, происходит удлинение упомянутого стержня, а задвижка дросселирует подачу горючего газа. При падении температуры печи стержень укорачивается, а задвижка открывает подачу горючего газа, в результате чего температура в печи вновь поднимается. Температурный режим печи, удерживаемый благодаря такому механизму на постоянном уровне, является регулируемой величиной. Сама же печь именуется объектом регулирования. Золотниковое окно, через которое можно воздействовать на объем горючего газа, называют – как и в случае управляющих систем – управляющим, или регулирующим, воздействием.
По длине компенсационного стержня можно судить об имеющейся в печи температуре – действительном значении регулируемой величины, в то время как заданное значение регулируемой величины (требуемую температуру) можно устанавливать с помощью специального винта. При отклонении действительного значения от заданного (то есть в случае рассогласования) – например, при снижении температуры – задвижка открывается, обеспечивая приток горючего газа, и печь вновь нагревается – до достижения заданного значения температуры. Печная температура всегда падает во время открытия дверцы печи при новой загрузке заготовок или извлечении готовых изделий. Возникшее при этом охлаждение можно обозначить как «возмущающее воздействие».
Рис. 9. Регулирование температуры закалочной печи.
а) схематическое представление регулирующего оборудования печи
1-золотникое отверстие, 2-регулирующее воздействие, 3-задвижка, 4-регулирующий орган, 5-установочный винт, 6-закалочная печь, 7-объект регулирования, 8-температура, 9-регулируемая величина, 10-компенсационный стержень.
b) функциональная схема
1-место сравнения (например, установочный винт и задвижка), 2-регулирующее воздействие y (например, золотниковое отверстие), 3-регулируемая величина х (например, температура), 4-заданное значение (например, положение установочного винта), 5-регулирующее устройство (например, компенсационный стержень и задвижка), 6-объект регулирования (например, закалочная печь), 7-разветвление сигналов.
Задачей рассмотренного способа регулирования является удержание на постоянном уровне того или иного параметра – например, температуры. Таким образом, здесь речь идет о регулировании с целью стабилизации параметра.
Пример: следящее регулирование.
Для закалки стали температуру в закалочной печи требуется медленно повышать примерно до 700 оС, а затем быстро довести до точки закалки. Таким образом, температура печи должна следовать за определенным температурным профилем. При этом задающее воздействие для температурного режима создается, например, с помощью равномерно вращающегося дискового кулачка, подвижно размещенного на оси задвижки с компенсационным стержнем (рис.10). И задвижка, и стержень снабжены роликами, катающимися в пазу кулачкового диска. За счет формы последнего (задающее воздействие) и достигается регулирование значений температуры закалки (регулируемая величина). В показанном положении кулачкового диска (максимальная температура закалки) задвижка (регулирующий элемент) полностью открыта с соответствующим усилением подачи горючего газа. Температура (регулируемая величина) при этом повышается. По мере роста температуры компенсационный стержень растягивается и вновь закрывает задвижку настолько, чтобы не была превышена желаемая температура закалки. Такого рода настройка температурного диапазона происходит при каждом изменении положения кулачкового диска.
Рис. 10. Следящее регулирование температуры закалки.
1-кулачковый диск, 2-задающее воздействие, 3-температура, 4-регулируемая величина, 5-задвижка, 6-регулирующий элемент, 7-компенсационный стержень, 8-чувствительный элемент датчика, 9-закалочная печь, 10-объект регулирования.
1.3. Ведение производственного процесса
В случае комплексных установок (электростанций, автоматизированных поточных линий и транспортных механизмов разного рода) управляющие и регулирующие устройства подчинены ведущей системе, реализующей всю совокупность мер, необходимых для достижения требуемого хода процесса. Здесь в большинстве случаев предусматривается и воздействие оператора, то есть вмешательство человека в ход производственного процесса.
Наряду с измерением, управлением и регулированием, важнейшими задачами ведения процесса являются также: контроль текущих технологических операций, своевременное обнаружение и предотвращение аварийных ситуаций, анализ, индикация, сигнализация, регистрация процесса с возможностью – при необходимости - вмешательства оператора, сбор и обработка информации, ввод данных, передача данных и вывод данных (ДИН 19 222). Среди ведущих устройств здесь можно назвать вычислительные машины, приборы регистрации рабочих параметров, а также сети передачи данных для соединения главного управляющего устройства с децентрализованными узлами установки – управляющими, регулирующими и контрольно-измерительными блоками.
Повторение и закрепление материала
1. Почему программное управление в зависимости от процесса предпочтительнее программного управления в зависимости от времени?
2. Приведите по одному примеру комбинаторного и последовательного управления.
3. По достижении числа оборотов холостого хода управляющая система производит переключение со звезды на треугольник. О какой системе идет речь – ориентированной на процесс или на время?
4. Чем управляющие системы с программируемыми связями отличаются от систем программного управления от ЗУ?
5. Объясните понятия «управляющее воздействие» и «задающее воздействие».
6. Каковы важнейшие задачи ведущего управляющего устройства?
2. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Механические управляющие системы
2.1.1. Общие сведения
Механические управляющие устройства способны обеспечивать точное и выполняемое с высокой скоростью перемещение по заранее установленному пути. Посредством распределительных (кулачковых) валов управляются, например, клапаны двигателей. Круглые поворотные столы можно позиционировать с помощью механизмов с мальтийским крестом, а в токарных автоматах управление подачей осуществляется с использованием кулачковых дисков. Механические управляющие элементы отличаются большой точностью, действуют непосредственно, без выдержки времени, и обладают большим сроком службы. Приходится, однако, констатировать, что их изготовление требует больших затрат сил и времени.
Механические управляющие системы состоят из передаточных механизмов, кулачковых дисков, рычагов, сцеплений и прочих механических деталей (рис.11).
Рис. 11. Пример механического управления.
1-управляющие сигналы, 2-механическая передача, 3-энергия привода, 4-редукторная передача, 5-кулачковый барабан, 6-распределительный вал, 7-приводной вал, 8-исполнительный орган, 9-муфта, 10-пуск, 11-останов, 12-управляющее устройство, 13-объект управления.
Пример: Допустим, электродвигатель приводит в действие приводной вал, который через муфту может быть соединен с парой зубчатых колес ведомого вала. Данная муфта является исполнительным звеном системы управления и через рычаг получает командные сигналы от кулачкового барабана. Этот барабан сидит на распределительном валу, который через редуктор также приводится в движение электродвигателем. Подача сигнала на срабатывание муфты определяется формой кулачкового барабана.
Если вращающийся пазовый кулачок в крутящемся кулачковом барабане ведет вправо, муфта закрывается под действием рычага, включается ведомый вал (происходит пуск). Если же паз ведет влево, муфта открывается, приводной вал стоит на месте (останов). Четкая последовательность сигналов для пуска и останова повторяется после каждого оборота распределительного вала, образуя в данном случае программу управления.
Управляющее устройство в данном случае состоит, в целом, из распределительного вала, муфты, кулачкового барабана, рычага и пружины, а объектом управления является выходной (ведомый) вал.
Принцип действия механической системы управления (рис.12) коротко можно сформулировать следующим образом: приводная энергия через электродвигатель попадает в регулируемую коробку передач, посредством которой на основе механических, пневматических, гидравлических или электрических сигналов обеспечивается регулирование числа оборотов, направления вращения и длительности вращения (пуск-останов).
У ступенчатых передач подача сигналов осуществляется через муфты, у бесступенчато регулируемых передач – через специальные исполнительные устройства. На выходном валу регулируемой передачи предлагается управляемая энергия вращения. Если же движение вращения требуется преобразовать в прямолинейное движение (как, например, в случае подачи каретки инструментального суппорта токарного станка), то это может достигаться с помощью зубчато-реечной передачи.
Рис. 12. Структура механических систем управления.
1-энергия привода, 2-регулируемая передача, 2а-бесступенчатая, 2б-ступенчатая, 3-муфта, 4-подача сигналов (механических, пневматических, гидравлических, электрических), 5-движение вращения, 6-прямолинейное движение, 7-прерывистое движение – например, механизм с мальтийским крестом, 8-равномерное движение – например, механизм с шаровой резьбой, 9-неравномерное движение – например, кулачковый механизм.
У приводов с минимальным трением для генерации равномерного прямолинейного движения используются механизмы с шаровой резьбой. Если, напротив, прямолинейное движение должно осуществляться неравномерно (например, с целью разделения ускоренного движения поперечной подачи и медленного движения обработки), то находят применение кулачковые и кривошипно-шатунные механизмы. Кулачковые механизмы используются также для формирования сигналов. Для транспортных устройств часто требуется выполнение движений в шаговом режиме. Круглый поворотный стол пресса должен, например, после каждого рабочего хода прессового штампа поворачиваться на один шаг, а потом снова останавливаться. Это достигается в результате прерывания постоянного движения вращения регулируемой передачи с помощью следящего механизма прерывистого движения.
2.1.2. Регулируемые передаточные механизмы
Регулируемые механические передачи используются для управления направлением вращения, числом оборотов и вращающим моментом.
Входная мощность на приводном валу коробки передач в большинстве случаев остается постоянной, так что с изменением числа оборотов изменяется и вращающий момент. При постоянной мощности вращающий момент М находится в обратной зависимости по отношению к числу оборотов n: M ~ 1/n (рис.13). Характеристическая кривая имеет вид гиперболы. У бесступенчатых передач без проскальзывания характеристика представлена замкнутой ветвью кривой, у ступенчатых же передач отмечается - в соответствии с числом ступеней скорости вращения - лишь несколько точек на гиперболе.
Рис. 13. Характеристика регулируемой передачи.
1-пример считывания: М1 = 200 Нм; М2 = 100 Нм; n1 = 1500 об/мин; n2 = 3000 об/мин;
2-вращающий момент М, Нм, 3-число об/мин, n, 4-ступенчатая передача, 5-бесступенчатая передача.
2.1.2.1. Ступенчатые передачи
Ступенчатые передаточные механизмы часто классифицируют как плоскоременные со ступенчатыми шкивами и ступенчатые зубчатые передачи.
Для передачи мощности первые располагают ременными шкивами и ремнями, у вторых передача мощности осуществляется непосредственно через зубчатые колеса. Направление вращения и число оборотов у автоматических ступенчатых передач регулируются посредством муфт и тормозов.
Пример: С помощью клиноременной передачи можно, например, переходить с одной скорости вращения на другую - без какого бы то ни было изменения положения ремня (рис.14).
Подача сигналов для изменения числа оборотов осуществляется при этом электрическим способом, а именно с помощью двух электромагнитных муфт и одного тормоза. При срабатывании электромагнитной муфты 2 отбор мощности происходит через ременный шкив 4, причем передача переключается на режим тихого хода. Одновременно должна быть открыта муфта 1, чтобы ременный шкив 3 мог свободно вращаться на валу.
При переключении на ускоренный ход открывается электромагнитная муфта 2 и срабатывает тормоз ведомого вала. Затем муфта 1 может соединиться с ременным шкивом, вызывая ускорение отбора мощности до достижения режима ускоренного хода.
Рис. 14. Передачи со ступенчатыми шкивами для регулирования чисел оборотов.
а - тормоз, б - выходной вал, в - привод, г - муфта 1, муфта 2, д - клиноременные шкивы.
Пример: С помощью механической ступенчатой зубчатой передачи можно регулировать два числа оборотов и оба направления вращения (рис.15). Электродвигатель приводит во вращение нижний вал. Для ускоренного хода шпинделя изделия закрывается муфта К2.
Для режима тихого хода верхний вал, который по причине понижения числа оборотов зубчатых колес имеет меньшую скорость вращения, чем нижний вал, соединяется – посредством муфты К1 и обоих цепных приводов – с полумуфтами К4 и К3. Момент включения механической подачи сигнала на срабатывание обеих муфт К1 и К2 определяется скоростью вращения распределительного вала и формой правого кулачкового барабана. Левый кулачковый барабан служит для управления переменой направления. При левом вращении закрывается муфта К4, при правом – муфта К3.
Рис. 15. Ступенчатая зубчатая передача для регулирования чисел оборотов и направлений вращения.
1-полумуфты, 2-ходовой винт, 3-распределительный вал, 4-цепной привод, 5-кулачковый барабан для изменения направления, 6- кулачковый барабан для изменения скорости, 7-приводной двигатель, 8-
Муфты в зацеплении для:
правого хода левого хода
быстро К3 И К2 К4 И К2
медленно К3 И К1 К4 И К1
Такие бесступенчатые зубчатые передачи, управляемые через распределительные валы и кулачковые барабаны, находят применение, например, в токарных автоматах для привода шпинделя изделия. Формы кулачковых барабанов выбираются в соответствии с определенной заготовкой, стоимость обработки которой (особенно в случае изготовления большой партии изделий) оказывается весьма умеренной.
2.1.2.2. Бесступенчатые передачи
К передаточным механизмам с бесступенчатым регулированием относятся: передачи с гибкой связью, фрикционные передачи и обкатные передачи.
Передачи с гибкой связью
Передачи с гибкой связью – это передаточные механизмы со ступенчатыми шкивами, у которых хотя бы один шкив состоит из двух конических деталей. Эти конические элементы могут смещаться на своем валу в осевом направлении, за счет чего регулируются радиусы вращения клиновых ремней или стальных цепей. Таким способом удается управлять скоростью вращения выходного вала и вращающим моментом передачи (рис.16).
Рис. 16. Передача с гибкой связью.
1-конические шкивы, 2-клиновый ремень, 3-регулирующий механизм.
Для рассчитанной на «работу всухую» передачи с гибкой связью в качестве тяги используются в большинстве случаев широкие клиновые ремни. С их помощью достигается особенно спокойный ход - почти без проскальзывания.
Для больших растягивающих усилий и тех случаев, когда обязательным требованием становится длительный срок службы передачи, в качестве тяги, или гибкой связи, используют стальные цепи. В зависимости от скорости движения и передаваемой мощности, перемещающиеся в масляной ванне стальные цепи могут быть пластинчатыми, роликовыми и с шарнирами трения качения.
Скорость вращения передачи с широким клиновым ремнем регулируется либо за счет изменения межосевого расстояния, либо путем перестановки обоих элементов конусных шкивов (рис.17).
Чтобы клиновые ремни при этом удерживать в натянутом состоянии, обе половины конического зубчатого колеса подвергаются постоянному сжимающему усилию или находятся под действием прижимного устройства, функционирующего в зависимости от вращающего момента. Оба элемента ведущего конического колеса можно, например, придвигать друг к другу или раздвигать с помощью маховика (рис.17). У ведомого конического колеса натяжная пружина обеспечивает необходимое давление прижима и регулировку радиуса вращения.
Рис. 17. Регулирование чисел оборотов путем перестановки конусных шкивов.
1-ведомое звено, 2-привод, 3-широкий клиновый ремень, 4-изменение расстояния между шкивами, 5-резьбовый шпиндель, 6-маховик.
Передачи со стальными цепями в качестве тяги регулируются в большинстве случаев посредством установочного ходового винта и рычажной системы (рис.16).
Пуск передачи с гибкой связью осуществляется на основе ручной перестановки, электрическим способом или посредством пневматического или гидравлического цилиндров. Электрические регулирующие механизмы или гидравлические сервоприводы необходимы, в частности, в тех случаях, когда передачи используются в качестве исполнительных элементов в контурах регулирования.
Фрикционные передачи
У фрикционных бесступенчатых передач вращающий момент передается посредством фрикционного колеса и конусного шкива (рис.18). При этом сидящий на валу двигателя конусный шкив во время передачи мощности прижимается к фрикционному колесу. Для управления числом оборотов на выходе двигатель и коническое колесо сдвигаются вертикально оси двигателя.
Рис. 18. Фрикционная передача с прижимным механизмом.
1-прижимная муфта, сдвигаемая на валу в осевом направлении, 2-конусный шкив, 3-ведомое звено, 4-привод, 5-регулирование числа оборотов путем перестановки конусного шкива, 6-фрикционное кольцо, 7-вращающий момент, 8-прижимное усилие.
Прижимное усилие фрикционного колеса подгоняется к соответствующей нагрузке со стороны вращающего момента, что позволяет свести к минимуму неизбежный износ. Прижимное устройство состоит преимущественно из прижимной муфты и пружины. Прижимная муфта, смещаемая по оси на шлицевом валу, обладает формой сдвоенного кулачка, который входит в зацепление с имеющим определенную форму сопряженным элементом на фрикционном кольце и передает вращающий момент со стороны привода на сторону, противоположную приводу. Когда выходной вал нагружается, прижимная муфта по наклонным поверхностям кулачков выскальзывает из сопряженного элемента, тем самым натягивая пружину. Возникающее усилие натяжения пружины прижимает фрикционное кольцо к коническому колесу, а именно тем сильнее, чем больше имеющийся вращающий момент.
Характеристика фрикционной передачи проходит почти линейно и – в силу существующего проскальзывания в месте трения – показывает минимальное и максимальное предельные числа оборотов (рис.19).
Рис. 19. Характеристика фрикционной передачи.
1-вращающий момент, 2-вращающий момент М, 3-число оборотов n на выходе.
Обкатные передачи
У регулируемых обкатных передаточных механизмов вращающий момент передается через шаровые либо конические тела качения.
Телами качения - например, у регулируемой планетарной передачи - могут быть конусные шкивы, вращающиеся вокруг приводного вала (рис.20). Они фиксируются усилием пружины на стороне фланца приводного вала и попутно вращающегося зажимного кольца, и сами приводятся во вращение. Во избежание выпадения из зажимного приспособления шкивы удерживаются с противоположной стороны двумя неподвижными наружными кольцами.
Рис. 20. Регулируемая планетарная передача.
1-планетарный шкив, 2-кулисный камень, 3-усилие перемещения, 4-ведомое звено, 5-привод, 6-фланец, 7-наружные кольца.
Валы вращающихся планетарных шкивов установлены в опорных башмаках выходного вала и могут смещаться в радиальном направлении. Через планетарные валы вращающий момент передается на ведомый вал.
Если, например, требуется повысить число оборотов выходного вала, то планетарные шкивы должны быть смещены внутрь в направлении оси вращения. Это осуществляется под действием осевого усилия через оба наружных кольца. Благодаря своей конической форме, планетарные шкивы выходят из наружных колец и глубже проникают во фланцевый зажим. При этом уменьшаются радиусы обката. Планетарные шкивы быстрее прокатываются на приводном фланце, повышая число оборотов ведомого вала.
Если оказываемое на наружные кольца осевое усилие уменьшается, планетарные шкивы под действием усилия пружины вновь перемещаются наружу и катаются медленнее. Число оборотов на выходе снижается. Нетрудно заметить, что характеристика регулируемой планетарной передачи идентична характеристике фрикционного передаточного механизма (рис.21).
Рис. 21. Характеристика регулируемой планетарной передачи.
1-вращающий момент, 2-вращающий момент М, 3-число оборотов n на выходе.
Генерация прямолинейных движений
Регулируемые передачи обеспечивают механическое управление числом оборотов и направлением вращения.
Для преобразования движения вращения в прямолинейное движение, как это требуется во многих технологических машинах, приходится привлекать дополнительные передаточные механизмы. В металлообрабатывающих станках с автоматическим управлением привод прямолинейного движения должен быть по возможности свободен от трения и зазора. Передача с шаровой резьбой в полной мере отвечает этим требованиям (рис.22). Между шпинделем и гайкой при наличии заложенных шариков возможно лишь трение качения. За счет затягивания разъемной гайки удается полностью исключить зазор в резьбе.
Рис. 22. Передаточный механизм с шаровой резьбой.
2.1.3. Передачи неравномерного действия
К передачам неравномерного действия можно отнести кулачковые и кривошипно-шатунные механизмы.
Кривошипно-шатунные передачи состоят из приводимого в действие кривошипа, коромысла и шатуна. Кривошип, укрепленный на столе станка, приводит в движение шатун, а с ним и коромысло. Простейшим примером кривошипно-шатунной передачи является кривошипно-балансирный механизм (рис.23).
Прочие кривошипно-шатунные механизмы обладают похожей конструкцией. Если шарнир выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, то речь идет о кривошипе с кулисой, или кривошипно-шатунной передаче. При наличии двух поступательных (кинематических) пар мы имеем дело с крестовым кривошипно-шатунным механизмом. Кривошипно-шатунные передачи используются в большинстве случаев в качестве силового передаточного механизма для преобразования движения вращения в продольное перемещение – как, например, в случае долбежных или поперечно-строгальных станков и штампов. Также и у двигателя внутреннего сгорания прямолинейное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма в движение вращения.
Рис. 23. Кривошипно-шатунная передача.
1- кривошипно-балансирный механизм, 2-кривошипно-кулисный механизм, 3-кривошип, 4-шатун, 5-балансир, 6-станина станка, 7-кривошипно-шатунный механизм, 8-крестовый кривошипно-шатунный механизм.
Кулачковая передача
Кулачковые механизмы находят применение в случае выполнения неравномерных движений, имеющих место, в частности, при поперечной подаче (на глубину, на врезание) в металлообрабатывающих станках.
Если передаточные механизмы состоят из вращающегося кулачка и прямолинейно направленного выходного звена, то можно говорить о кулачковом приводе с поступательной парой. В случае кулачка со следующим далее поворотным рычагом речь идет о кулачково-балансирной передаче.
Кулачковые приводы с поступательной парой могут обеспечивать прерывистое равномерное движение, если кулачковый диск имеет форму типа архимедовой спирали (Архимед из Сиракуз, механик и математик древней Греции, 287-212 до н.э.). Форма кулачков зависит от пути, который надлежит пройти под действием передаточного механизма (рис.24).
Рис. 24. Кулачковый привод с поступательной парой.
а - синусоидальный переход, б - развернутый периметр основной окружности, в - ползун, г - вспомогательная окружность, д - лучи, е - основная окружность, ж - центры кулачков,
з - огибающая линия = конечная форма кулачка, и - кулачковый диск.
При определении формы кулачка для равномерного хода надо развернуть основную окружность кулачкового диска. Для начала движения подъема определяют на окружности и на развертке угол 0о. Затем вносят угол, при котором подъем должен достигнуть своей высшей точки – например, 240о. Промежуточное пространство между двумя углами 0о и 240о делят на любое число равных частей – допустим, на четыре. На кулачковом диске отмечаются с одинаковыми промежутками делительные лучи, начиная от 0о, против направления вращения кулачкового диска. Если представить себе фиксированное состояние кулачкового диска с перемещаемым вокруг диска ползуном, то можно перенести соответствующую длину хода из развертки на основную окружность кулачкового диска.
Для первого луча, проходящего через угол 0о, высота подъема будет равна нулю. Для второго луча соответствующее значение высоты подъема берется из развертки и наносится со стороны вспомогательного контура. То же самое выполняют с лучами 3 и 4. Найденные точки пересечения лучей соединяются затем с помощью лекала. В итоге получаем линию с отмеченными на ней центрами кулачков. Теперь циркулем можно обозначить любое число окружностей кулачков. Их внутренняя огибающая представляет собой искомую кривую для равномерного подъема ползуна, которая затем будет реализована в виде внешнего кулачкового диска. Точность этой характеристики удается еще улучшить за счет более тонкого деления. Чтобы переходы на кулачке оказались по возможности без стыков, можно закруглить (например, синусоидально) углы развернутой линии подъема.
У кулачково-балансирной передачи кривая для получения равномерного подъема строится идентичным образом (рис.25). Здесь также надо представить рычаг, движущийся вокруг кулачкового диска, причем сам диск находится в неподвижном состоянии. Лучи, на которых может находиться центр качения рычага в любой момент движения, заменяются теперь окружностями с длиной плеча рычага в качестве радиуса. Центр поворота плеча рычага перемещается по вспомогательной окружности вокруг кулачкового диска с принимаемым за радиус расстоянием между центром кулачка и центром поворота рычага.
Рис. 25. Кулачково-балансирный механизм.
а - максимальная длина хода с разделением на четыре равных части, б - огибающая линия = конечная форма кулачка, в - центры роликов, г - основная окружность, д - лучи.
Если всю длину хода и угол, за счет которого должен осуществляться подъем, разделить на равные части, можно к любому лучу отнести соответствующий подъем из развертки (см. нумерацию). Центровые профили кулачков получают, соединив лекалом найденные точки пересечения лучей и отрезков длины хода. Здесь опять можно отметить любое число окружностей роликов и получить кривую в виде огибающей этих окружностей.
Дисковые кулачки в качестве программной памяти
Дисковые кулачки являются механической программной памятью (ЗУ = запоминающим устройством для хранения информации).
На основе выбранной формы кулачка устанавливается программа перемещений ползуна или рычага. При повороте кулачка выполняется затем определенная последовательность отдельных движений (программа). Подобным образом используются кулачковые диски или поворотные делительные барабаны – для приведения в действие механических, пневматических, гидравлических или электрических управляющих элементов.
Токарные автоматы с механическим управлением оснащены дисковыми кулачками с функцией кулачкового программного датчика. При этом дисковые кулачки находятся в большинстве случаев на распределительном валу, который в процессе обработки заготовки один раз поворачивается вокруг своей оси (рис.26). Важнейшую задачу выполняет при этом кулачок передней бабки, с помощью которого выполняются движения подачи в направлении оси вращения.
Рис. 26. Механическое управление токарным станком.
1-прутковый материал, 2-зажимное приспособление, 3-неподвижная направляющая, 4-привод шпинделя, 5-передняя бабка, 6-токарный резец 1, 7-балансир, 8-кулачок передней бабки, 9-токарный резец 2, 10-дисковый кулачок, 11-привод распределительного вала, 12-кулачок балансира, 13-распределительный вал
ВЕДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Чтобы машины и установки могли работать самостоятельно, то есть автоматически, они оснащаются разного рода управляющими и регулирующими устройствами. К такому оборудованию относятся механические, электрические, пневматические и гидравлические приводы и всевозможные органы управления. Вычислительные машины, например, нередко берут на себя выполнение всех необходимых функций по управлению и регулированию комплексных технологических линий и самих производственных процессов. Сегодня микропроцессоры и микро-ЭВМ часто являются неотъемлемой составной частью даже совсем небольших управляющих блоков. Важнейшие понятия из области автоматического управления определены в нормах ДИН 19 237 (Промышленный стандарт ФРГ) и МЭК 1131 (Международная электротехническая комиссия), а из области автоматического регулирования – в ДИН 19 226.
1.1. Управление и управляющие системы
Автоматическое управление есть процесс, при котором воздействие на установку или устройство достигается посредством управляющих (командных) сигналов. Характерным признаком процесса управления является открытый путь прохождения соответствующих импульсов.
Посылаемые управляющим устройством сигналы воздействуют на машину или установку без текущей регистрации и корректировки процесса управления (рис.1). Так, при управлении подачей стол станка перемещается с помощью привода. Устанавливающим (регулирующим, управляющим) сигналом будет в данном случае напряжение UM для электродвигателя подачи. Последний образует вместе со столом станка так называемый объект управления. Подлежащим управлению параметром здесь является путь подачи s, который должен проходить стол данного станка.
Рис. 1. Принцип управления на примере механизма подачи.
1-функциональная схема, 2-управляющее устройство, 3-управляющий сигнал, 4-объект управления, 5-управляемый параметр, 6-управляющее напряжение, 7-электродвигатель, 8-путь s, 9–стол, 10-ходовой винт.
Под «управляющей системой» понимается вся установка, в которой и осуществляется собственно процесс управления. В функциональной схеме с использованием условных обозначений элементов и линий функциональных связей наглядно отображается взаимодействие отдельных блоков управления. При этом направление управляющего воздействия показано стрелками.
1.1.1. Аналоговое, двоичное и цифровое управление
По способу представления сигнала различают аналоговые, двоичные и цифровые (числовые) системы управления.
В случае аналогового управления речь идет преимущественно о постоянно действующих сигналах, представляющих собой аналоговое отображение управляемой характеристики.
Пример: Допустим, цикл перемещений стола станка управляется посредством дискового кулачка (рис.2). Подлежащим управлению параметром является путь s стола станка. Он пересчитывается - с учетом передаточного механизма - на соответствующий радиус дискового кулачка. Этот радиус аналогичен регулируемой величине – пути s. При повороте дискового кулачка стол станка циклично перемещается вперед или назад.
Рис. 2. Аналоговое управление столом станка.
1-стол станка, 2-путь перемещения, 3-сменные шестерни, 4-дисковый кулачок.
К важнейшим конструкционным элементам аналоговых систем управления относятся, в частности, дисковые кулачки, передаточные механизмы, вентили, двигатели, аналоговые сенсоры и операционные усилители.
В двоичных системах управление достигается за счет двоичных, то есть двухуровневых (или двухпозиционных) сигналов.
Двоичные сигналы представлены двумя разными значениями, или состояниями, то есть отображаются, например, через положения «включено» и «выключено», через состояния «черный» и «белый» либо через свойства «токопроводящий» и «непроводящий» или же просто через значения 0 и 1. Здесь уместно отметить, что большинство систем управления работает именно с переключающими сигналами и относится, следовательно, к двоичным управляющим системам.
Пример: Стол подачи шлифовального станка должен совершать постоянное возвратно-поступательное движение (рис.3). С помощью переключателя на основе положительного напряжения двигателя стол может передвигаться вправо. Как только укрепленный на столе кулачок 2 достигает переключателя, стол в результате отрицательного напряжения двигателя будет перемещаться влево, пока кулачок 1 вновь не произведет переключение на обратное направление.
Рис. 3. Двоичное управление приводом подачи (маятниковый цикл).
1-вправо, 2-влево, 3-кулачок 2; 4-кулачок 1; 5-двигатель.
Важнейшими конструкционными элементами двоичных систем управления являются реле, переключающие вентили, диоды и двоичные электронные элементы переключательной схемы.
В числовых системах управление осуществляется на основе чисел.
Управляющие сигналы являются в большинстве случаев двоично-кодированными. Самым простым кодам считается числовой. При этом в соответствии с представленным числом формируются импульсы, подсчитываемые приемным устройством.
Пример: Стол подачи должен циклично перемещаться вперед и назад по пути, определяемому числами. Система числового управления попеременно формирует импульсы для правого и левого хода шагового двигателя (рис.4). Число импульсов и путь перемещения могут устанавливаться переключателем предварительной установки (рис.5). С каждым импульсом шаговый двигатель поворачивается точно на один угловой шаг (приращение), перемещая стол станка дальше на один шаг. Один такой шаг пути есть, в принципе, минимально возможное движение и соответствует обладающему минимальным значением цифровому шагу на выключателе предварительной установки. В зависимости от выбора передаточного механизма, шагового двигателя и шага винтовой линии шпинделя, длина рассматриваемого шага перемещения составляет, например, 0,1 мм. В отличие от аналогового управления, здесь управляющее и управляемое значения не являются устойчивыми.
Рис. 4. Числовое управление подачей с помощью шагового двигателя.
1-система числового управления, 2-шаговый импульс, 3-шаговый двигатель, 4-путь перемещения, 5-вперед, 6-назад.
Рис. 5. Переключатель предварительной установки.
1-соединительные шины.
Важнейшие конструкционные элементы числовых систем управления: кодирующие устройства, микропроцессоры, микро-ВМ, цифровые ЗУ, цифровые сенсорные системы и цифровые сети.
Повторение и закрепление материала
1. Каковы характерные признаки аналоговых систем управления? Приведите пример аналогового управления.
2. Назовите важнейшие конструкционные элементы аналоговых управляющих систем.
3. Чем двоичные системы управления отличаются от цифровых?
4. Опишите конструкционные элементы двоичных управляющих систем.
5. Для чего используют переключатели предварительной установки?
1.1.2. Комбинаторные системы управления и
последовательное программное управление
По способу обработки сигналов различают комбинаторные системы управления и последовательные системы программного управления.
В комбинаторных системах управляющее воздействие возникает как результат сочетания нескольких сигналов.
Так, токарный станок может запускаться лишь при закрытой защитной двери И наличии зажатой в патроне заготовки (рис.6).
Рис. 6. Пример комбинаторного управления.
1-защитные двери закрыты, 2-патрон зажат, 3-условие пуска токарного станка, 4-логическая функция «И».
Комбинаторные системы управления относятся к категории двоичных, разрабатываемых с применением булевой алгебры (алгебры логики). Представление их осуществляется на основе алгебраических уравнений, релейно-контактных схем, функциональных таблиц и функциональных схем.
В случае систем последовательного управления очередной запрограммированный этап работы начинается после завершения предыдущего, то есть происходит пошаговое выполнение процессов управления. Переключение с одного этапа на другой осуществляется либо в зависимости от времени, либо в зависимости от процесса.
При последовательных системах управления по времени ходом процесса управляет датчик тактовых импульсов, выключатель с часовым механизмом или реле времени. В качестве простого примера программного управления по времени можно назвать управление автоматическим включением трехфазных двигателей через пусковую схему с переключением со звезды на треугольник. Сначала двигатель разгоняется в схеме звезды, а по истечении установленного пускового периода плюс определенного резервного времени имеет место реверсивное управление в схеме треугольника. После этого двигатель готов к работе (рис.7). Для представления систем программного управления последовательностью операций используются функциональные схемы.
Рис. 7. Функциональная схема пуска по времени.
1-переходы (условия последовательного включения), 2-двигатель ВКЛ., 3-двигатель ВЫКЛ., 4-шаги (этапы работы), 5-действия, 6-двигатель готов к работе, 7-двигатель в схеме звезды, 8-время ожидания t = 3 c, 9-двигатель в схеме треугольника, 10-S = с сохранением, N = без сохранения, D = с выдержкой времени.
При последовательных системах управления в зависимости от процесса переключение с одной рабочей операции на следующую инициируется самим процессом. В случае схемы пуска для трехфазных двигателей требуется датчик рабочего состояния: «достигнуто число оборотов холостого хода». Тогда происходит автоматическое переключение на схему треугольника (рис.8). Представление систем последовательного программного управления осуществляется на основе функциональных схем или, соответственно, блок-схем программы (ДИН-МЭК 1131) либо также диаграмм состояния (VDI 3260 = Союз немецких инженеров), если переключение зависит от пути перемещения.
Рис. 8. Функциональная схема переключения по процессу.
1-переходы (условия последовательного включения), 2-двигатель ВКЛ., 3-двигатель ВЫКЛ., 4-шаги (этапы работы), 5-действия, 6-двигатель готов к работе, 7-двигатель в схеме звезды, 8-двигатель в схеме треугольника, 9-S = с сохранением, N = без сохранения, 10-достигнуто число оборотов n0.
Системы программного управления по процессу, в принципе, предпочтительнее способа управления по времени, поскольку в случае возможных неисправностей или сбоев в работе ход процесса прерывается либо протекает медленнее в соответствии с установленной функцией.
Например, при неожиданно высокой нагрузке трехфазного двигателя переключение на схему треугольника осуществляется только при достижении достаточно высокого числа оборотов.
1.1.3. Управление с программируемыми связями
и система программного управления от ЗУ
Управляющие системы классифицируются также по способу программирования, причем различают управление с программируемыми связями (VPS) и системы программного управления от ЗУ (SPS) (таблица 1).
Таблица 1
Способы программного управления
Способ программирования Пример управления
VPS Жесткое программирование
Возможность перепрограммирования Релейное управление
Программное управление со штекерной панелью
SPS Взаимозаменяемое программирование
Свободное (гибкое) программирование SPS с СППЗУ1
SPS с ЭСПЗУ2 или ЗУПВ3
1 СППЗУ (EPROM от: Erasable Programmable Read Only Memory) = стираемая программируемая постоянная память.
2 ЭСПЗУ (EEPROM от: Electronically EPROM) = электронно-стираемая программируемая постоянная память.
3 ЗУПВ (RAM от: Random Access Memory) = память с произвольной выборкой.
В системах управления с программируемыми связями (VPS) ход выполнения программы определяют соответствующие соединения проводов, то есть произведенный электромонтаж.
Если изменений программы не предусматривается, такие управляющие системы считаются жестко запрограммированными, в противном случае они обладают способностью к перепрограммированию, которое осуществляется, например, за счет замены программных штекеров (с другим набором программы).
Системы программного управления от ЗУ (SPS) содержат электронное программное запоминающее устройство с гибким программированием.
Сама программа может быть составлена с помощью ВМ и перенесена в систему управления. Это, как правило, заменяемые программы, что облегчает и упрощает их модернизацию. Системы SPS чаще всего используются для управления машинами или станками. Так, в автоматизированных поточных линиях системы программного управления от ЗУ широко применяют для управления поперечной подачей отдельных машин. Системы программного управления от ЗУ конструируются в виде многопроцессорных систем с высокопроизводительными микропроцессорами. Они соединяются и обмениваются информацией через цифровые сети. Интерфейсы связи позволяют дистанционное наблюдение за работой SPS – например, через Интернет, с возможностью ввода нового программного обеспечения.
1.2. Регулирование, регулирующие системы
Регулирование есть процесс, при котором непрерывно отслеживаемый регулируемый параметр корректируется с подгонкой к желаемому значению (задающему воздействию).
При этом различают регулирование для стабилизации параметра и так называемое следящее регулирование.
Пример: регулирование для стабилизации параметра.
В закалочной печи необходимо поддержание температуры на постоянном уровне (стабилизация параметра) (рис.9). Эта величина является задающим воздействием. Температура же считается регулируемым параметром. Для регулирования используется компенсационный стержень, способный укорачиваться или удлиняться в зависимости от высоты температуры в печи. Такой упругий стержень установочным винтом жестко соединен с задвижкой. С помощью указанного винта можно изменять положение задвижки относительно компенсационного стержня. После включения закалочной печи, по мере возрастания температуры, происходит удлинение упомянутого стержня, а задвижка дросселирует подачу горючего газа. При падении температуры печи стержень укорачивается, а задвижка открывает подачу горючего газа, в результате чего температура в печи вновь поднимается. Температурный режим печи, удерживаемый благодаря такому механизму на постоянном уровне, является регулируемой величиной. Сама же печь именуется объектом регулирования. Золотниковое окно, через которое можно воздействовать на объем горючего газа, называют – как и в случае управляющих систем – управляющим, или регулирующим, воздействием.
По длине компенсационного стержня можно судить об имеющейся в печи температуре – действительном значении регулируемой величины, в то время как заданное значение регулируемой величины (требуемую температуру) можно устанавливать с помощью специального винта. При отклонении действительного значения от заданного (то есть в случае рассогласования) – например, при снижении температуры – задвижка открывается, обеспечивая приток горючего газа, и печь вновь нагревается – до достижения заданного значения температуры. Печная температура всегда падает во время открытия дверцы печи при новой загрузке заготовок или извлечении готовых изделий. Возникшее при этом охлаждение можно обозначить как «возмущающее воздействие».
Рис. 9. Регулирование температуры закалочной печи.
а) схематическое представление регулирующего оборудования печи
1-золотникое отверстие, 2-регулирующее воздействие, 3-задвижка, 4-регулирующий орган, 5-установочный винт, 6-закалочная печь, 7-объект регулирования, 8-температура, 9-регулируемая величина, 10-компенсационный стержень.
b) функциональная схема
1-место сравнения (например, установочный винт и задвижка), 2-регулирующее воздействие y (например, золотниковое отверстие), 3-регулируемая величина х (например, температура), 4-заданное значение (например, положение установочного винта), 5-регулирующее устройство (например, компенсационный стержень и задвижка), 6-объект регулирования (например, закалочная печь), 7-разветвление сигналов.
Задачей рассмотренного способа регулирования является удержание на постоянном уровне того или иного параметра – например, температуры. Таким образом, здесь речь идет о регулировании с целью стабилизации параметра.
Пример: следящее регулирование.
Для закалки стали температуру в закалочной печи требуется медленно повышать примерно до 700 оС, а затем быстро довести до точки закалки. Таким образом, температура печи должна следовать за определенным температурным профилем. При этом задающее воздействие для температурного режима создается, например, с помощью равномерно вращающегося дискового кулачка, подвижно размещенного на оси задвижки с компенсационным стержнем (рис.10). И задвижка, и стержень снабжены роликами, катающимися в пазу кулачкового диска. За счет формы последнего (задающее воздействие) и достигается регулирование значений температуры закалки (регулируемая величина). В показанном положении кулачкового диска (максимальная температура закалки) задвижка (регулирующий элемент) полностью открыта с соответствующим усилением подачи горючего газа. Температура (регулируемая величина) при этом повышается. По мере роста температуры компенсационный стержень растягивается и вновь закрывает задвижку настолько, чтобы не была превышена желаемая температура закалки. Такого рода настройка температурного диапазона происходит при каждом изменении положения кулачкового диска.
Рис. 10. Следящее регулирование температуры закалки.
1-кулачковый диск, 2-задающее воздействие, 3-температура, 4-регулируемая величина, 5-задвижка, 6-регулирующий элемент, 7-компенсационный стержень, 8-чувствительный элемент датчика, 9-закалочная печь, 10-объект регулирования.
1.3. Ведение производственного процесса
В случае комплексных установок (электростанций, автоматизированных поточных линий и транспортных механизмов разного рода) управляющие и регулирующие устройства подчинены ведущей системе, реализующей всю совокупность мер, необходимых для достижения требуемого хода процесса. Здесь в большинстве случаев предусматривается и воздействие оператора, то есть вмешательство человека в ход производственного процесса.
Наряду с измерением, управлением и регулированием, важнейшими задачами ведения процесса являются также: контроль текущих технологических операций, своевременное обнаружение и предотвращение аварийных ситуаций, анализ, индикация, сигнализация, регистрация процесса с возможностью – при необходимости - вмешательства оператора, сбор и обработка информации, ввод данных, передача данных и вывод данных (ДИН 19 222). Среди ведущих устройств здесь можно назвать вычислительные машины, приборы регистрации рабочих параметров, а также сети передачи данных для соединения главного управляющего устройства с децентрализованными узлами установки – управляющими, регулирующими и контрольно-измерительными блоками.
Повторение и закрепление материала
1. Почему программное управление в зависимости от процесса предпочтительнее программного управления в зависимости от времени?
2. Приведите по одному примеру комбинаторного и последовательного управления.
3. По достижении числа оборотов холостого хода управляющая система производит переключение со звезды на треугольник. О какой системе идет речь – ориентированной на процесс или на время?
4. Чем управляющие системы с программируемыми связями отличаются от систем программного управления от ЗУ?
5. Объясните понятия «управляющее воздействие» и «задающее воздействие».
6. Каковы важнейшие задачи ведущего управляющего устройства?
2. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Механические управляющие системы
2.1.1. Общие сведения
Механические управляющие устройства способны обеспечивать точное и выполняемое с высокой скоростью перемещение по заранее установленному пути. Посредством распределительных (кулачковых) валов управляются, например, клапаны двигателей. Круглые поворотные столы можно позиционировать с помощью механизмов с мальтийским крестом, а в токарных автоматах управление подачей осуществляется с использованием кулачковых дисков. Механические управляющие элементы отличаются большой точностью, действуют непосредственно, без выдержки времени, и обладают большим сроком службы. Приходится, однако, констатировать, что их изготовление требует больших затрат сил и времени.
Механические управляющие системы состоят из передаточных механизмов, кулачковых дисков, рычагов, сцеплений и прочих механических деталей (рис.11).
Рис. 11. Пример механического управления.
1-управляющие сигналы, 2-механическая передача, 3-энергия привода, 4-редукторная передача, 5-кулачковый барабан, 6-распределительный вал, 7-приводной вал, 8-исполнительный орган, 9-муфта, 10-пуск, 11-останов, 12-управляющее устройство, 13-объект управления.
Пример: Допустим, электродвигатель приводит в действие приводной вал, который через муфту может быть соединен с парой зубчатых колес ведомого вала. Данная муфта является исполнительным звеном системы управления и через рычаг получает командные сигналы от кулачкового барабана. Этот барабан сидит на распределительном валу, который через редуктор также приводится в движение электродвигателем. Подача сигнала на срабатывание муфты определяется формой кулачкового барабана.
Если вращающийся пазовый кулачок в крутящемся кулачковом барабане ведет вправо, муфта закрывается под действием рычага, включается ведомый вал (происходит пуск). Если же паз ведет влево, муфта открывается, приводной вал стоит на месте (останов). Четкая последовательность сигналов для пуска и останова повторяется после каждого оборота распределительного вала, образуя в данном случае программу управления.
Управляющее устройство в данном случае состоит, в целом, из распределительного вала, муфты, кулачкового барабана, рычага и пружины, а объектом управления является выходной (ведомый) вал.
Принцип действия механической системы управления (рис.12) коротко можно сформулировать следующим образом: приводная энергия через электродвигатель попадает в регулируемую коробку передач, посредством которой на основе механических, пневматических, гидравлических или электрических сигналов обеспечивается регулирование числа оборотов, направления вращения и длительности вращения (пуск-останов).
У ступенчатых передач подача сигналов осуществляется через муфты, у бесступенчато регулируемых передач – через специальные исполнительные устройства. На выходном валу регулируемой передачи предлагается управляемая энергия вращения. Если же движение вращения требуется преобразовать в прямолинейное движение (как, например, в случае подачи каретки инструментального суппорта токарного станка), то это может достигаться с помощью зубчато-реечной передачи.
Рис. 12. Структура механических систем управления.
1-энергия привода, 2-регулируемая передача, 2а-бесступенчатая, 2б-ступенчатая, 3-муфта, 4-подача сигналов (механических, пневматических, гидравлических, электрических), 5-движение вращения, 6-прямолинейное движение, 7-прерывистое движение – например, механизм с мальтийским крестом, 8-равномерное движение – например, механизм с шаровой резьбой, 9-неравномерное движение – например, кулачковый механизм.
У приводов с минимальным трением для генерации равномерного прямолинейного движения используются механизмы с шаровой резьбой. Если, напротив, прямолинейное движение должно осуществляться неравномерно (например, с целью разделения ускоренного движения поперечной подачи и медленного движения обработки), то находят применение кулачковые и кривошипно-шатунные механизмы. Кулачковые механизмы используются также для формирования сигналов. Для транспортных устройств часто требуется выполнение движений в шаговом режиме. Круглый поворотный стол пресса должен, например, после каждого рабочего хода прессового штампа поворачиваться на один шаг, а потом снова останавливаться. Это достигается в результате прерывания постоянного движения вращения регулируемой передачи с помощью следящего механизма прерывистого движения.
2.1.2. Регулируемые передаточные механизмы
Регулируемые механические передачи используются для управления направлением вращения, числом оборотов и вращающим моментом.
Входная мощность на приводном валу коробки передач в большинстве случаев остается постоянной, так что с изменением числа оборотов изменяется и вращающий момент. При постоянной мощности вращающий момент М находится в обратной зависимости по отношению к числу оборотов n: M ~ 1/n (рис.13). Характеристическая кривая имеет вид гиперболы. У бесступенчатых передач без проскальзывания характеристика представлена замкнутой ветвью кривой, у ступенчатых же передач отмечается - в соответствии с числом ступеней скорости вращения - лишь несколько точек на гиперболе.
Рис. 13. Характеристика регулируемой передачи.
1-пример считывания: М1 = 200 Нм; М2 = 100 Нм; n1 = 1500 об/мин; n2 = 3000 об/мин;
2-вращающий момент М, Нм, 3-число об/мин, n, 4-ступенчатая передача, 5-бесступенчатая передача.
2.1.2.1. Ступенчатые передачи
Ступенчатые передаточные механизмы часто классифицируют как плоскоременные со ступенчатыми шкивами и ступенчатые зубчатые передачи.
Для передачи мощности первые располагают ременными шкивами и ремнями, у вторых передача мощности осуществляется непосредственно через зубчатые колеса. Направление вращения и число оборотов у автоматических ступенчатых передач регулируются посредством муфт и тормозов.
Пример: С помощью клиноременной передачи можно, например, переходить с одной скорости вращения на другую - без какого бы то ни было изменения положения ремня (рис.14).
Подача сигналов для изменения числа оборотов осуществляется при этом электрическим способом, а именно с помощью двух электромагнитных муфт и одного тормоза. При срабатывании электромагнитной муфты 2 отбор мощности происходит через ременный шкив 4, причем передача переключается на режим тихого хода. Одновременно должна быть открыта муфта 1, чтобы ременный шкив 3 мог свободно вращаться на валу.
При переключении на ускоренный ход открывается электромагнитная муфта 2 и срабатывает тормоз ведомого вала. Затем муфта 1 может соединиться с ременным шкивом, вызывая ускорение отбора мощности до достижения режима ускоренного хода.
Рис. 14. Передачи со ступенчатыми шкивами для регулирования чисел оборотов.
а - тормоз, б - выходной вал, в - привод, г - муфта 1, муфта 2, д - клиноременные шкивы.
Пример: С помощью механической ступенчатой зубчатой передачи можно регулировать два числа оборотов и оба направления вращения (рис.15). Электродвигатель приводит во вращение нижний вал. Для ускоренного хода шпинделя изделия закрывается муфта К2.
Для режима тихого хода верхний вал, который по причине понижения числа оборотов зубчатых колес имеет меньшую скорость вращения, чем нижний вал, соединяется – посредством муфты К1 и обоих цепных приводов – с полумуфтами К4 и К3. Момент включения механической подачи сигнала на срабатывание обеих муфт К1 и К2 определяется скоростью вращения распределительного вала и формой правого кулачкового барабана. Левый кулачковый барабан служит для управления переменой направления. При левом вращении закрывается муфта К4, при правом – муфта К3.
Рис. 15. Ступенчатая зубчатая передача для регулирования чисел оборотов и направлений вращения.
1-полумуфты, 2-ходовой винт, 3-распределительный вал, 4-цепной привод, 5-кулачковый барабан для изменения направления, 6- кулачковый барабан для изменения скорости, 7-приводной двигатель, 8-
Муфты в зацеплении для:
правого хода левого хода
быстро К3 И К2 К4 И К2
медленно К3 И К1 К4 И К1
Такие бесступенчатые зубчатые передачи, управляемые через распределительные валы и кулачковые барабаны, находят применение, например, в токарных автоматах для привода шпинделя изделия. Формы кулачковых барабанов выбираются в соответствии с определенной заготовкой, стоимость обработки которой (особенно в случае изготовления большой партии изделий) оказывается весьма умеренной.
2.1.2.2. Бесступенчатые передачи
К передаточным механизмам с бесступенчатым регулированием относятся: передачи с гибкой связью, фрикционные передачи и обкатные передачи.
Передачи с гибкой связью
Передачи с гибкой связью – это передаточные механизмы со ступенчатыми шкивами, у которых хотя бы один шкив состоит из двух конических деталей. Эти конические элементы могут смещаться на своем валу в осевом направлении, за счет чего регулируются радиусы вращения клиновых ремней или стальных цепей. Таким способом удается управлять скоростью вращения выходного вала и вращающим моментом передачи (рис.16).
Рис. 16. Передача с гибкой связью.
1-конические шкивы, 2-клиновый ремень, 3-регулирующий механизм.
Для рассчитанной на «работу всухую» передачи с гибкой связью в качестве тяги используются в большинстве случаев широкие клиновые ремни. С их помощью достигается особенно спокойный ход - почти без проскальзывания.
Для больших растягивающих усилий и тех случаев, когда обязательным требованием становится длительный срок службы передачи, в качестве тяги, или гибкой связи, используют стальные цепи. В зависимости от скорости движения и передаваемой мощности, перемещающиеся в масляной ванне стальные цепи могут быть пластинчатыми, роликовыми и с шарнирами трения качения.
Скорость вращения передачи с широким клиновым ремнем регулируется либо за счет изменения межосевого расстояния, либо путем перестановки обоих элементов конусных шкивов (рис.17).
Чтобы клиновые ремни при этом удерживать в натянутом состоянии, обе половины конического зубчатого колеса подвергаются постоянному сжимающему усилию или находятся под действием прижимного устройства, функционирующего в зависимости от вращающего момента. Оба элемента ведущего конического колеса можно, например, придвигать друг к другу или раздвигать с помощью маховика (рис.17). У ведомого конического колеса натяжная пружина обеспечивает необходимое давление прижима и регулировку радиуса вращения.
Рис. 17. Регулирование чисел оборотов путем перестановки конусных шкивов.
1-ведомое звено, 2-привод, 3-широкий клиновый ремень, 4-изменение расстояния между шкивами, 5-резьбовый шпиндель, 6-маховик.
Передачи со стальными цепями в качестве тяги регулируются в большинстве случаев посредством установочного ходового винта и рычажной системы (рис.16).
Пуск передачи с гибкой связью осуществляется на основе ручной перестановки, электрическим способом или посредством пневматического или гидравлического цилиндров. Электрические регулирующие механизмы или гидравлические сервоприводы необходимы, в частности, в тех случаях, когда передачи используются в качестве исполнительных элементов в контурах регулирования.
Фрикционные передачи
У фрикционных бесступенчатых передач вращающий момент передается посредством фрикционного колеса и конусного шкива (рис.18). При этом сидящий на валу двигателя конусный шкив во время передачи мощности прижимается к фрикционному колесу. Для управления числом оборотов на выходе двигатель и коническое колесо сдвигаются вертикально оси двигателя.
Рис. 18. Фрикционная передача с прижимным механизмом.
1-прижимная муфта, сдвигаемая на валу в осевом направлении, 2-конусный шкив, 3-ведомое звено, 4-привод, 5-регулирование числа оборотов путем перестановки конусного шкива, 6-фрикционное кольцо, 7-вращающий момент, 8-прижимное усилие.
Прижимное усилие фрикционного колеса подгоняется к соответствующей нагрузке со стороны вращающего момента, что позволяет свести к минимуму неизбежный износ. Прижимное устройство состоит преимущественно из прижимной муфты и пружины. Прижимная муфта, смещаемая по оси на шлицевом валу, обладает формой сдвоенного кулачка, который входит в зацепление с имеющим определенную форму сопряженным элементом на фрикционном кольце и передает вращающий момент со стороны привода на сторону, противоположную приводу. Когда выходной вал нагружается, прижимная муфта по наклонным поверхностям кулачков выскальзывает из сопряженного элемента, тем самым натягивая пружину. Возникающее усилие натяжения пружины прижимает фрикционное кольцо к коническому колесу, а именно тем сильнее, чем больше имеющийся вращающий момент.
Характеристика фрикционной передачи проходит почти линейно и – в силу существующего проскальзывания в месте трения – показывает минимальное и максимальное предельные числа оборотов (рис.19).
Рис. 19. Характеристика фрикционной передачи.
1-вращающий момент, 2-вращающий момент М, 3-число оборотов n на выходе.
Обкатные передачи
У регулируемых обкатных передаточных механизмов вращающий момент передается через шаровые либо конические тела качения.
Телами качения - например, у регулируемой планетарной передачи - могут быть конусные шкивы, вращающиеся вокруг приводного вала (рис.20). Они фиксируются усилием пружины на стороне фланца приводного вала и попутно вращающегося зажимного кольца, и сами приводятся во вращение. Во избежание выпадения из зажимного приспособления шкивы удерживаются с противоположной стороны двумя неподвижными наружными кольцами.
Рис. 20. Регулируемая планетарная передача.
1-планетарный шкив, 2-кулисный камень, 3-усилие перемещения, 4-ведомое звено, 5-привод, 6-фланец, 7-наружные кольца.
Валы вращающихся планетарных шкивов установлены в опорных башмаках выходного вала и могут смещаться в радиальном направлении. Через планетарные валы вращающий момент передается на ведомый вал.
Если, например, требуется повысить число оборотов выходного вала, то планетарные шкивы должны быть смещены внутрь в направлении оси вращения. Это осуществляется под действием осевого усилия через оба наружных кольца. Благодаря своей конической форме, планетарные шкивы выходят из наружных колец и глубже проникают во фланцевый зажим. При этом уменьшаются радиусы обката. Планетарные шкивы быстрее прокатываются на приводном фланце, повышая число оборотов ведомого вала.
Если оказываемое на наружные кольца осевое усилие уменьшается, планетарные шкивы под действием усилия пружины вновь перемещаются наружу и катаются медленнее. Число оборотов на выходе снижается. Нетрудно заметить, что характеристика регулируемой планетарной передачи идентична характеристике фрикционного передаточного механизма (рис.21).
Рис. 21. Характеристика регулируемой планетарной передачи.
1-вращающий момент, 2-вращающий момент М, 3-число оборотов n на выходе.
Генерация прямолинейных движений
Регулируемые передачи обеспечивают механическое управление числом оборотов и направлением вращения.
Для преобразования движения вращения в прямолинейное движение, как это требуется во многих технологических машинах, приходится привлекать дополнительные передаточные механизмы. В металлообрабатывающих станках с автоматическим управлением привод прямолинейного движения должен быть по возможности свободен от трения и зазора. Передача с шаровой резьбой в полной мере отвечает этим требованиям (рис.22). Между шпинделем и гайкой при наличии заложенных шариков возможно лишь трение качения. За счет затягивания разъемной гайки удается полностью исключить зазор в резьбе.
Рис. 22. Передаточный механизм с шаровой резьбой.
2.1.3. Передачи неравномерного действия
К передачам неравномерного действия можно отнести кулачковые и кривошипно-шатунные механизмы.
Кривошипно-шатунные передачи состоят из приводимого в действие кривошипа, коромысла и шатуна. Кривошип, укрепленный на столе станка, приводит в движение шатун, а с ним и коромысло. Простейшим примером кривошипно-шатунной передачи является кривошипно-балансирный механизм (рис.23).
Прочие кривошипно-шатунные механизмы обладают похожей конструкцией. Если шарнир выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, то речь идет о кривошипе с кулисой, или кривошипно-шатунной передаче. При наличии двух поступательных (кинематических) пар мы имеем дело с крестовым кривошипно-шатунным механизмом. Кривошипно-шатунные передачи используются в большинстве случаев в качестве силового передаточного механизма для преобразования движения вращения в продольное перемещение – как, например, в случае долбежных или поперечно-строгальных станков и штампов. Также и у двигателя внутреннего сгорания прямолинейное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма в движение вращения.
Рис. 23. Кривошипно-шатунная передача.
1- кривошипно-балансирный механизм, 2-кривошипно-кулисный механизм, 3-кривошип, 4-шатун, 5-балансир, 6-станина станка, 7-кривошипно-шатунный механизм, 8-крестовый кривошипно-шатунный механизм.
Кулачковая передача
Кулачковые механизмы находят применение в случае выполнения неравномерных движений, имеющих место, в частности, при поперечной подаче (на глубину, на врезание) в металлообрабатывающих станках.
Если передаточные механизмы состоят из вращающегося кулачка и прямолинейно направленного выходного звена, то можно говорить о кулачковом приводе с поступательной парой. В случае кулачка со следующим далее поворотным рычагом речь идет о кулачково-балансирной передаче.
Кулачковые приводы с поступательной парой могут обеспечивать прерывистое равномерное движение, если кулачковый диск имеет форму типа архимедовой спирали (Архимед из Сиракуз, механик и математик древней Греции, 287-212 до н.э.). Форма кулачков зависит от пути, который надлежит пройти под действием передаточного механизма (рис.24).
Рис. 24. Кулачковый привод с поступательной парой.
а - синусоидальный переход, б - развернутый периметр основной окружности, в - ползун, г - вспомогательная окружность, д - лучи, е - основная окружность, ж - центры кулачков,
з - огибающая линия = конечная форма кулачка, и - кулачковый диск.
При определении формы кулачка для равномерного хода надо развернуть основную окружность кулачкового диска. Для начала движения подъема определяют на окружности и на развертке угол 0о. Затем вносят угол, при котором подъем должен достигнуть своей высшей точки – например, 240о. Промежуточное пространство между двумя углами 0о и 240о делят на любое число равных частей – допустим, на четыре. На кулачковом диске отмечаются с одинаковыми промежутками делительные лучи, начиная от 0о, против направления вращения кулачкового диска. Если представить себе фиксированное состояние кулачкового диска с перемещаемым вокруг диска ползуном, то можно перенести соответствующую длину хода из развертки на основную окружность кулачкового диска.
Для первого луча, проходящего через угол 0о, высота подъема будет равна нулю. Для второго луча соответствующее значение высоты подъема берется из развертки и наносится со стороны вспомогательного контура. То же самое выполняют с лучами 3 и 4. Найденные точки пересечения лучей соединяются затем с помощью лекала. В итоге получаем линию с отмеченными на ней центрами кулачков. Теперь циркулем можно обозначить любое число окружностей кулачков. Их внутренняя огибающая представляет собой искомую кривую для равномерного подъема ползуна, которая затем будет реализована в виде внешнего кулачкового диска. Точность этой характеристики удается еще улучшить за счет более тонкого деления. Чтобы переходы на кулачке оказались по возможности без стыков, можно закруглить (например, синусоидально) углы развернутой линии подъема.
У кулачково-балансирной передачи кривая для получения равномерного подъема строится идентичным образом (рис.25). Здесь также надо представить рычаг, движущийся вокруг кулачкового диска, причем сам диск находится в неподвижном состоянии. Лучи, на которых может находиться центр качения рычага в любой момент движения, заменяются теперь окружностями с длиной плеча рычага в качестве радиуса. Центр поворота плеча рычага перемещается по вспомогательной окружности вокруг кулачкового диска с принимаемым за радиус расстоянием между центром кулачка и центром поворота рычага.
Рис. 25. Кулачково-балансирный механизм.
а - максимальная длина хода с разделением на четыре равных части, б - огибающая линия = конечная форма кулачка, в - центры роликов, г - основная окружность, д - лучи.
Если всю длину хода и угол, за счет которого должен осуществляться подъем, разделить на равные части, можно к любому лучу отнести соответствующий подъем из развертки (см. нумерацию). Центровые профили кулачков получают, соединив лекалом найденные точки пересечения лучей и отрезков длины хода. Здесь опять можно отметить любое число окружностей роликов и получить кривую в виде огибающей этих окружностей.
Дисковые кулачки в качестве программной памяти
Дисковые кулачки являются механической программной памятью (ЗУ = запоминающим устройством для хранения информации).
На основе выбранной формы кулачка устанавливается программа перемещений ползуна или рычага. При повороте кулачка выполняется затем определенная последовательность отдельных движений (программа). Подобным образом используются кулачковые диски или поворотные делительные барабаны – для приведения в действие механических, пневматических, гидравлических или электрических управляющих элементов.
Токарные автоматы с механическим управлением оснащены дисковыми кулачками с функцией кулачкового программного датчика. При этом дисковые кулачки находятся в большинстве случаев на распределительном валу, который в процессе обработки заготовки один раз поворачивается вокруг своей оси (рис.26). Важнейшую задачу выполняет при этом кулачок передней бабки, с помощью которого выполняются движения подачи в направлении оси вращения.
Рис. 26. Механическое управление токарным станком.
1-прутковый материал, 2-зажимное приспособление, 3-неподвижная направляющая, 4-привод шпинделя, 5-передняя бабка, 6-токарный резец 1, 7-балансир, 8-кулачок передней бабки, 9-токарный резец 2, 10-дисковый кулачок, 11-привод распределительного вала, 12-кулачок балансира, 13-распределительный вал