Управление техническими системами

В зависимости  от вида исполнительного элемента автоматический контроль разделяют на четыре основные группы:

- автоматическая сигнализация характерных или предельных значений параметров; сигнализирующее устройств (СУ) - это лампочки, звонок, сирена;

- автоматическое указание значений контролируемых параметров; указывающий прибор (ПУ) может быть стрелочным, цифровым;

- автоматическая регистрация значений контролируемого параметра; регистрирующее устройство (РУ) - это самописец;

- автоматическая  сортировка различных изделий  в зависимости от заданных значений контролируемых параметров (ПС – прибор сортирующий).

Система автоматического контроля не вмешивается в ход протекания технологического процесса.

 

2. В зависимости от вида, стоимости и требований, предъявляемых к точности изготовления деталей, контроль может быть полным, когда проверяются все изделия, и выборочным, когда проверяется часть деталей.

По принципу действия различают:

- системы пассивного контроля, представляющие собой системы автоматического контроля (САК), задача которых получить необходимые сведения об управляемом объекте или параметрах технологического процесса (система не изменяет параметров технологического процесса во время обработки, т.е. ведет себя пассивно);

- системы активного контроля, которые представляют собой системы автоматического регулирования (САР), задача их не только измерять необходимые величины, но и поддерживать их заданное значение во время технологического процесса.

В настоящее  время системы активного контроля организуют в большинстве случаев по принципу адаптивного управления, т. е. управление технологическим процессом ведут совместно с ЧПУ и САК, задача которой на основании сведений, полученных от автоматических устройств, менять программу управления, тем самым восстанавливая отклонившиеся величины.

По назначению различают следующие системы автоматического контроля: технологических параметров в процессе обработки; параметров готовых изделий (контроль качества продукции); состояния оборудования и систем управления; состояния инструмента, оснастки и т. д.; программного и информационного обеспечения (сбор сведений, обработка сведений, систематизация и т. д.).

 

3. Системы автоматического пассивного контроля различаются:

- аппаратными средствами и способами организации контроля; разновидностями и способами контактирования с измеряемыми величинами (прямое контактирование, косвенное, контактирование в рабочей позиции, в измеряемой позиции и т. д.);

- видами датчиков, применяемых для измерения величин (индуктивные, пневматические, фотоэлектрические, тензометрические, оптоэлектронные);

- способами организации измерительной системы и средствами обработки полученной информации (измерение, дискретное, измерение методом сравнения с заданным значением, измерение с преобразованием аналогового сигнала в числовой код и т. д.);

- видами индикаторов и средствами отображения информации измерений (стрелочные индикаторы, цифровые, символьные, сегментные отображения информации на ЭЛТ и т. д.);

- способами хранения и регистрации данных (регистрация на бумажных лентах в виде диаграмм, графиков, регистрация посредством печатающих устройств, регистрация с записью в ЗУ).

Системы пассивного автоматического контроля могут  иметь также различные способы организации контроля: непосредственно во время технологического процесса (постоянный или поэтапный) и полученных результатов.

На рисунке 11 показана одна из структурных схем системы пассивного автоматического контроля. Система включает в себя: дифференциальный индуктивный размерный датчик 1; электронный блок (ЭБ), имеющий электронный усилитель и преобразователь; указывающий прибор, выполненный в виде электронного цифрового индикатора (ЭЦИ) и исполнительного реле. Датчик имеет два Ш-образных сердечника (4), закрепленных с помощью плоских пружин на корпусе датчика. На сердечниках расположены две обмотки (W₁W₃), которые совместно с полуобмотками трансформатора (W₂W₄,) представляют собой уравновешенный измерительный мост, в диагонали которого подключено питающее напряжение от сети переменного тока (U_n). Измерительный шток датчика 2 подвешен посредством плоских пружин 3 к корпусу. На штоке закреплен якорь сердечника 5. Вращением микрометрического винта 8 сердечники перемещаются относительно якоря. Если размеры детали до обработки превышают пределы измерения датчика, то ограничительная гайка 6,  установленная на штоке, с помощью угольника 7 отодвигает сердечник от микрометрического винта (зона отсутствия измерений).

Принцип действия САК состоит в  следующем. При контактировании  измерительного штока с измеряемой поверхностью якорь средечника отклоняется от среднего положения, что вызывает дисбаланс моста (сигнал рассогласования) вследствие неравенства зазоров между якорем и сердечником. Напряжение рассогласования моста, усиленное и преобразованное в электронном блоке в цифровой код, индицируется на ЭЦИ в виде значения отклонения размера. При балансе моста электронный блок формирует сигнал на прекращение обработки с помощью исполнительного реле.

В массовых видах производства применяются для контроля изделий или деталей применяют всевозможные пассивные средства контроля, работающие как автоматические сортировщики. Они не только измеряют размер или его отклонения, но и по результатам измерений дают оценку: годная деталь с допустимыми отклонениями; негодная с отклонениями, которые можно исправить; бракованная. Такие автоматические сортировщики, кроме измерительной системы, имеют исполнительные механизмы подачи детали на измеряемую позицию, ее фиксацию и механизмы, распределяющие детали по накопителям упомянутых позиций.

Большинство автоматических сортировщиков имеют следующую  функциональную структуру (Рисунок 12); бункер-накопитель (БН1) или магазин-накопитель для хранения контролируемых деталей; механизм подачи, базирования деталей на измеряемой позиции (МПД) систему автоматического контроля (САК) с индикацией и сигнализацией о браке и недопустимых отклонениях (СИУ), распределительное устройство (РУ), которое распределяет детали (Д) по бункерам-накопителям (А - бункер годных деталей, Б бункер для деталей «исправимый брак» В - бункер деталей «брак»).

 

4. С развитием микропроцессорной и микроэлектронной измерительной техники многие задачи автоматизации контроля в машиностроении решаются на новом техническом уровне с учетом новых достижений в технике.

САК параметров технологического процесса или автоматического контроля качества готовых изделий на базе развития микроэлектронной техники и средств вычислительной техники стали составной частью САУ и встраиваются непосредственно в технологические объекты или технологические комплексы.

Измерительные машины изготовляют в виде промышленных роботов автоматического контроля, которые оснащены измерительными средствами, управляющими программами. САК СЧПУ выполняют как координатно-измерительные машины (КИМ), которые могут быть автономными или могут встраиваться в технологический комплекс.

На рисунке 13 показана структурная схема координатно-измерительной системы, состоящей из измерительного стола, который свободно перемещается по трем координатам X, Y, Z. На столе с помощью приспособления устанавливается контролируемое изделие. На неподвижной части относительно стола устанавливается измерительное устройство, фиксирующее положение измеряемой поверхности в виде калибра, щупа. Перемещение измерительного стола относительно фиксируемой позиции измеряется размерными датчиками (РД), которые ведут отсчет перемещения посредством оптической измерительной шкалы (ИШ). Сигналы датчика в виде импульсов, число которых пропорционально перемещению, подаются в операционное устройство (ОУ), где преобразуются в сигналы индикации (операционное устройство в своем ЗУ может сравнивать заданное значение с измеренным и вычислять отклонение). Обработанный в операционном устройстве сигнал подается на цифровое индицирующее устройство (ЦИУ), где в цифровом коде индицируется измеряемая величина или ее отклонение.

 

Раздел 2 Измерительные преобразователи систем (датчики)

Тема 2.1 Классификация и характеристики датчиков

1. Определение и классификация датчиков
2. Виды электрических датчиков
3. Преобразующие устройства

 

1. Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т. д.

Метрологические характеристики датчиков определяют приведенные ниже основные параметры.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

у = f (х),                                                                             [2.1]

 где х - входная величина; у — выходная  величина.

Чувствительность  датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = А_у/А_х                                                                             [2.2]

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

Классификация датчиков:

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности, и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока).

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики:

- пропорциональные (сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине);

- нелинейные (сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе);

- релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно;

- циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически;

- импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть:

• электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал;
• индуктивные, у которых изменение магнитной проницаемости вызывает изменение индуктивности;
• фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический; тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления;
• гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т. д.

По назначению в системах автоматического управления датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т. д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

 

2. Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (Рисунок 14). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

 

 

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и как размерные (Рисунок 15). В датчике (Рисунок 15, а) якорь 1 перемещается.

Индуктивный дифференциальный датчик (Рисунок 15, б) состоит из двух катушек 2, 4 на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме . В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью.

 

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы. На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (Рисунок 16). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (Л ВТ), у которых указанная зависимость, линейная.

В зависимости от схемы включения  выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

Наибольшее распространение  из вращающихся трансформаторов  с электрической редукцией получили редуктосины и индуктосины.