Датчики положения для систем числового программного управления

                                            

                                               Введение

 

Датчик, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Датчики характеризуются: законом изменения выходной величины (у) в зависимости от входного воздействия (входной величины х), пределами изменений входных (x_min - x_max) и выходных величин (y_min - y_max); чувствительностью    S= D/Dx , порогом чувствительности (значением минимального воздействия, на которое реагирует датчик.) и временными параметрами (постоянными времени).

В соответствии с классификацией, принятой в Государственной системе  приборов и средств автоматизации (ГСП), датчик относятся к техническим  средствам сбора и первичной обработки контрольно-измерительной информации.

Датчик являются одними из основных элементов в устройствах  дистанционных измерений, телеизмерений и телесигнализации, регулирования и управления.

Датчик перемещения, измерительный преобразователь линейных или угловых перемещений в сигнал (электрический, механический, пневматический), удобный для регистрации, дистанционной передачи и дальнейших преобразований.

В качестве датчика перемещений  могут быть использованы ёмкостные, индуктивные, трансформаторные, резисторные, струнные, фотоэлектрические, струйные, индукционные, ферродинамические датчики, кодирующие диски. Различают датчики малых перемещений — от нескольких мкм до нескольких см и больших перемещений — от десятков см до нескольких м; для измерения больших перемещений применяют датчики пути. Наиболее высокую чувствительность при измерении малых перемещений обеспечивают фотоэлектрические, ёмкостные и некоторые типы индуктивных датчиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Датчики положения  для систем числового программного

управления.

 

Для построения систем числового  программного управления

(ЧПУ) станками, которые  в настоящее время используются  во

всех вариантах построения технологических процессов в  механической

обработке, существенным является получение данных об

истинном положении  рабочих органов станка. Числовое программное

управление координатными  перемещениями с достижением

при этом необходимой  точности обеспечивается благодаря  соответствующим

устройствам обратной связи  по положению, объединяемых

общим названием «системы дистанционного отсчета».

Для абсолютного отсчета  в таких системах автоматизации  в основном

используются круговые кодовые датчики положения. Системы

автоматизации, использующие информацию, поступающую

по одному каналу в  виде серии импульсов, число которых

пропорционально величине перемещения (в виде так называемого

унитарного  кода), базируются, главным образом, на применении

циклических датчиков.

Среди промышленных датчиков, используемых для управления

координатными перемещениями в системах ЧПУ как для абсолютного,

так и для циклического отсчета, наиболее распространены

фазовые датчики положения.

Устройством, служащим для  преобразования угла поворота

одной катушки по отношению  к другой в сдвиг фазы одного переменного

синусоидального напряжения по отношению к другому

переменному синусоидальному  напряжению такой же частоты,

является вращающийся  трансформатор.

Синусно-косинусный вращающийся  трансформатор называется

также резолъвером. В нем на статоре и роторе имеются по две

одинаковые обмотки, конструктивно расположенные взаимно

перпендикулярно. На пару статорных обмоток подаются два  синусоидальных

опорных напряжения, одинаковых, но со взаимным

сдвигом фаз на 90 градусов. Такой сдвиг фаз можно получить, например,

подавая второе из двух переменных гармонических напряжений

через электрический  конденсатор. В результате взаимодействия

векторов напряженности  магнитных полей обеих статорных  обмоток возникает вращающееся  магнитное поле, т.е. такое поле, напряженность

которого представляет собой вектор, постоянный по

абсолютной величине, но вращающийся относительно центра статора

с угловой частотой, равной частоте опорного переменного

тока. В обмотках ротора индуктируется ЭДС такой же частоты, но

сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на величину,

определяемую углом  поворота ротора относительно статора.

Характерным примером подобного  фазового датчика, применяемого

в станках с числовым программным управлением, может

служить круговой абсолютный датчик положения с измеряемым

перемещением до 10 000 мм. В таком датчике с помощью измерительной

зубчато-реечной пары приводятся во вращение бесконтактные

сельсины. Более точным, без дополнительных кинематических

погрешностей, возникающих  в зубчатой реечной передаче,

является измерение  положения рабочего органа станка с помощью

бесконтактных линейных сельсинов. Схема бесконтактного

линейного сельсина показана на рис. 1. Этот сельсин состоит

из рейки Р и измерительной  головки Г, устанавливаемых соответственно

на неподвижном и  перемещаемом узлах станка. Рейка

выполняется из стали  и имеет зубцы прямоугольного профиля с

шагом Sp. Измерительная головка представляет собой участок аналогичной

рейки с зубьями такого же прямоугольного профиля,

шаг которых отличается от Sp на величину 1/6, т.е. на половину

одной фазы.

 

Рис. 1. Схема бесконтактного линейного сельсина

 

На измерительной головке  Г имеется трехфазная обмотка, соединенная

по схеме звезды (C1—1 —Г; С2—2 —2'; С3—3 —3').

Каждая фаза охватывает третий по счету от предыдущей фазы зубец.

Кроме того, на зубцах головки имеется однофазная обмотка

В, намотанная таким образом, что ее направления на соседних зубцах противоположны. Размеры окна, толщина зубца и зазор

между зубцами рейки  и головки таковы, что при перемещении

головки относительно рейки  магнитная проводимость каждого из

ее зубцов меняется по закону, приближающемуся к синусоидальному.

При подаче на обмотку  В синусоидального напряжения с  амплитудой

JS'max и перемещении  головки на величину Хв фазах Ci, С2

и Сз индуцируются гармонические  ЭДС, амплитуды которых изменяются

по косинусоидальному  закону: фаза этих напряжений

изменяется на 180° при переходе головки через нулевое положение.

Такой режим работы сельсина, когда  выходом является трехфазная

обмотка, называется трансформаторным.

При подаче опорного трехфазного напряжения в трехфазную

обмотку головки образуется бегущее магнитное поле, а в  однофазной

обмотке головки индуцируется ЭДС, фаза которой по

отношению к опорному напряжению изменяется пропорционально

перемещению X.

Такой режим работы сельсина, когда выходом является его

однофазная обмотка, называется режимом фазовращателя.

Другим распространенным типом  датчиков, используемым для

обратной связи по программируемым  координатным перемещениям

в станках с ЧПУ, являются линейные и круговые индуктосины.

Индуктосин состоит  из двух шкал, одна из которых устанавливается

на подвижном, а другая на неподвижном узлах станка.

Эти шкалы представляют собой пластины из электроизоляционного

материала, обычно из гетенакса или  текстолита, на которые

фотопечатным способом нанесены обмотки прямоугольной

формы. На одной из шкал имеется одна обмотка с шагом -5*, а на

другой размещаются  две расположенные навстречу  друг другу обмотки

с тем же шагом S, но сдвинутые по отношению друг к

другу на величину 5/4. При подаче на эти обмотки синусоидальных

напряжений, сдвинутых  по фазе относительно друг друга на

90°, образуется бегущее  магнитное поле, а в обмотке,  расположенной

на другой пластине, индуцируется ЭДС, фаза которой

оказывается пропорциональной перемещению X.

Разновидностью систем дистанционного отсчета, заслуживающей

специального рассмотрения, являются устройства цифровой

индикации (УЦИ). Как правило, они базируются на ц и к л  и ч е с ких

датчиках положения. Принцип  работы подобного УЦИ

состоит в следующем. Измеряется разность фаз между опорным

сигналом (напряжением) и  выходным сигналом датчиков младших

разрядов. Затем интервал времени, соответствующий этой разности,

преобразуется в соответствующую  дискретную величину.

Эта дискретная величина имеет вид числа, изображаемого тем

или иным кодом, который  записывается в один или два младших

разряда УЦИ. После этого  формируются показания старших  разрядов

УЦИ. Это делается путем  подсчета с помощью реверсивных

счетчиков числа совпадений фаз опорного сигнала и выходного

сигнала датчика. Обычно такое совпадение производится через  каждый

миллиметр перемещения  узла станка, тогда как доли миллиметра

регистрируются в младших  разрядах УЦИ.

Устройства подобного  типа используются как автономно  для

цифровой индикации  положения рабочих органов на станках с

ручным управлением, так  и для управления приводами в  режиме

позиционирования на станках с ЧПУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация датчиков положения

 

Датчики положения в  зависимости от вида формируемого ими  сигнала

подразделяются на аналоговые и цифровые. По методу съема электрического сигнала они могут быть контактными и бесконтактными.  В свою очередь бесконтактные датчики положения состоят из двух групп: магнитные и оптические. Классификация по типу контакта выявляет еще два вида сенсоров: резистивные и индукционные. И, наконец в зависимости от направления перемещения подвижного механического контакта датчики положения могут быть линейными и вращающимися. Полная классификация данного типа компонентов приведена на рис. 2.

 

 

Рис. 2.

 

 

 

Датчики линейных перемещений для станков  с ЧПУ

 

Датчики линейных перемещений предназначены для применения на станках и установках с регулируемыми линейными осями, таких как, например, фрезерных, токарных и шлифовальных станках, обрабатывающих центрах и горизонтально-расточных станках. Они служат для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов. Хорошие динамические свойства датчиков линейных перемещений, их высокие скорости перемещения и ускорения позволяют применять их как на осях с высокой динамикой, так и непосредственно на моторах.

Датчики линейных перемещений определяют положение  линейной оси без дополнительных механических передаточных элементов. Если определение положения производится при помощи датчика линейного перемещения, то контур регулирования охватывает механику приводов. Таким образом, датчиком линейного перемещения определяется ошибка передачи механики оси и компенсируется в управляющей электронике. Данный способ помогает исключить целый ряд источников погрешностей:

-ошибка позиционирования, вызванная нагревом шарико-винтовой пары

(далее ШВП)

-ошибка, вызванная наличием зазоров в ШВП