СИСТЕМА ОТСЧЕТА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ РАБОЧЕГО ОРГАНА МАШИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к системам отсчета перемещений рабочих органов металлорежущих станков, подъемно-транспортных и других машин и может быть использована в качестве системы обратной связи в составе систем числового программного управления такими машинами и в системах цифровой индикации для них.
В настоящее время системы отсчета перемещений, аналогичные предлагаемой, известны. Это, в частности, системы счетно-импульсного типа, описанные, например, в статье «Г.М. Староверов и И.В. Харизоменов. Системы отсчета координат и их анализ // Позиционные системы программного управления. - М: Машиностроение, 1967». Такие системы содержат датчик импульсов (инкрементный энкодер), вход которого кинематически связан с рабочим органом машины через передаточный механизм, а выход соединяется со счетчиком импульсов. При перемещении рабочего органа датчик импульсов преобразует это перемещение в импульсы, а импульсы, поступая в счетчик, формируют на его выходах кодовые комбинации в виде двоичных или десятичных чисел, характеризующих перемещение. Подобные системы просты и удобны в эксплуатации. Последнее обусловлено тем, что они очень легко устанавливается на «ноль». Для этого рабочий орган машины устанавливают в положение, считающееся «нулевым», а затем подают импульс на шину сброса счетчика, тем самым обнуляя его. Несмотря на простоту и удобство применения, системы отсчета перемещений счетно-импульсного типа имеют существенный недостаток: в них возможно появление значительных накопленных ошибок, обусловленных тем, что при их использовании в реальных промышленных условиях не исключена потеря импульсов из-за различных помех на пути импульсов от датчика к счетчику.
Указанного недостатка лишены системы отсчета перемещений с преобразователями «угол-код» или, как их сегодня называют, с абсолютными энкодерами. Подобная система рассмотрена в книге «Г.В. Бронштейн, Е.Р. Гордон, М.С. Городецкий. Устройства цифровой индикации и числового управления с преобразователями «угол-код». - М.: НИИМАШ, 1970». Она содержит абсолютный энкодер и передаточный механизм, включающий в себя преобразователь линейного перемещения в круговое, вход которого соединен с рабочим органом машины, а выход кинематически связан с энкодером. Для установки энкодера на «ноль» в кинематическую цепь «рабочий орган - передаточный механизм - энкодер» включена электроуправляемая муфта, отключающая входной вал энкодера от передаточного механизма. Чтобы осуществить установку системы на некоторый «ноль», выбранный для данной операции, выполняемой машиной, рабочий орган машины вначале перемещают в положение, выбранное в качестве «нулевого», затем указанную выше кинематическую цепь разрывают, выключая муфту, далее входной валик энкодера поворачивают так, чтобы энкодер выдал «нулевую» комбинацию, после чего муфту снова включают.
Несмотря на такое достоинство системы как невозможность появления накопленных ошибок из-за потерь импульсов, она имеет и недостатки. Главный из них - меньшая точность отсчета перемещений. Этот недостаток вызван необходимостью разрыва кинематической цепи между рабочим органом машины и энкодером при установке системы на «ноль». После обратного включения муфты «ноль» энкодера, как правило, сбивается. Вместе с тем имеется система отсчета перемещений с абсолютным энкодером, в которой отмеченный недостаток устранен. Это система, защищенная Патентом РФ №131331 от 20.08.2013 г. «Система цифрового отсчета перемещений рабочего органа машины» авторов Я.Л. Либермана и Е.В. Коньшина. Данная система, принятая нами за прототип, содержит абсолютный энкодер и передаточный механизм, включающий в себя преобразователь линейного перемещения в круговое, вход которого соединен с рабочим органом. Ее особенностью является то, что передаточный механизм снабжен планетарным редуктором, вход которого соединен с выходами преобразователя линейного перемещения в круговое, червячным колесом, соосным и жестко соединенным с конечным центральным колесом редуктора, и червяком, взаимодействующим с червячным колесом. При этом выход планетарного редуктора соединен с входом энкодера.
При работе системы червяк, конечное центральное и червячное колеса неподвижны. Линейное перемещение рабочего органа машины преобразуется в круговое перемещение, передаваемое через планетарный редуктор энкодеру. Последний выдает кодовые комбинации, соответствующие текущим положениям рабочего органа машины.
В режиме установки «нуля» системы машина не работает, ее рабочий орган не перемещается. Движение от него на энкодер не передается. Для того, чтобы сместить «ноль» системы (установить новое начало отсчета энкодера), достаточно, вращая червяк, заставить поворачиваться червячное колесо и жестко соединенное с ним конечное центральное колесо планетарного редуктора. Выходной вал редуктора будет поворачивать вал энкодера, устанавливая его в то «нулевое» положение, которое требуется. Завершив настройку «нуля», систему можно запускать в рабочий режим. Поскольку передача «червячное колесо - червяк» самотормозящаяся, настройка «нуля» при работе системы будет сохраняться.
Система-прототип, не содержащая муфт и не требующая разрыва кинематической цепи при установке «нуля», обладает более высокой точностью, чем аналог, описанный в книге Г.В. Бронштейна и др., и настраивается проще. Тем не менее в ней, хотя и не возникают накопленные погрешности из-за потерь импульсов, а также отсутствуют муфты, все-таки есть кинематические накопленные погрешности, обусловленные применением передаточного механизма - преобразователя линейного перемещения в круговое и планетарного редуктора. В связи с этим, при разработке предлагаемой полезной модели была поставлена и решена задача дальнейшего повышения точности системы отсчета перемещений, выражающаяся в уменьшении именно кинематических накопленных погрешностей, вносимых в систему передаточным механизмом.
Технически решение задачи достигнуто за счет того, что система отсчета перемещений рабочего органа машины, содержащая абсолютный энкодер и передаточный механизм, включающий в себя преобразователь линейного перемещения в круговое, вход которого соединен с рабочим органом, планетарный редуктор, вход которого соединен с выходом преобразователя линейного перемещения в круговое, а выход со входом энкодера, червячное колесо, соосное и жестко соединенное с конечным центральным колесом редуктора, и червяк, взаимодействующий с червячным колесом, отличается от прототипа тем, что она снабжена вариатором и трензелем, выход вариатора соединен со входом трензеля, при этом вход вариатора параллельно планетарному редуктору соединен с преобразователем линейного перемещения в круговое, а выход трензеля кинематически связан с червяком.
Схема предлагаемой системы отсчета перемещений показана на фиг. 1.
Она содержит абсолютный энкодер 1 и передаточный механизм 2, вход которого соединен с рабочим органом 3 машины 4. Передаточный механизм включает в себя пару «винт - гайка» 5 (она выполняет функцию преобразователя линейного перемещения в круговое) и снабжен планетарным редуктором, состоящим из начального центрального колеса 6, соединенного с винтом пары 5, сателлитов 7 и 8, установленных в водиле 9, и конечного центрального колеса 10. Кроме того, в передаточном механизме 2 имеются червячное колесо 11, соосное с колесом 10 и жестко соединенное с ним, и червяк 12, взаимодействующий с червячным колесом 11.
Сателлиты 7 и 8 находятся в зацеплении соответственно с начальным 6 и конечным 10 центральными колесами. Выходом планетарного редуктора является вал водила 9, и он соединен со входом энкодера 1.
Наряду с перечисленным система включает в себя вариатор 13 (например, «Фрикционный вариатор», разработанный А.С. Космодамианским и др. и защищенный Патентом РФ №2526872) и трензель 14 (например, плоский реверсивный трензель, описанный в книге «Н.С. Ачеркан. Расчет и конструирование металлорежущих станков. М.: Машгиз, 1949», стр. 634, рис. 663, 664). Вход вариатора 13 параллельно планетарному редуктору соединен с винтом передачи «винт-гайка» 5, его выход соединен со входом трензеля 14, а выход трензеля через зубчатую пару колес 15 и 16 кинематически связан с червяком 12.
Перед использованием системы ее настраивают. Для этого вначале с помощью измерительной аппаратуры определяют кинематическую погрешность передаточного механизма 2 и энкодера 1 (это может быть осуществлено, в частности, с помощью «Устройства для определения погрешности преобразователя «угол-код»», разработанного Я.Л. Либерманом и А.С. Гордеевой и защищенного Патентом РФ №105787 от 20.06.2011 г.). Далее в соответствии с величиной погрешности, накапливаемой при вращении энкодера, путем регулировки устанавливают нужное передаточное отношение вариатора 13. После этого в зависимости от знака погрешности («плюс» или «минус») включают трензель 14 «вперед» или «назад». После этого система может функционировать в рабочем режиме. При ее работе из-за погрешности передаточного механизма 2 вращение энкодера 1 могло бы происходить с постепенно накапливаемой погрешностью. Однако, кинематическая цепь из вариатора 13, трензеля 14 и колес 15 и 16 будет поворачивать червяк 12 в соответствии с настройкой вариатора 13. Червяк 12 будет вращать колеса 11 и 10, и погрешность передаточного механизма будет компенсироваться за счет суммирования движений водила 9 и колеса 10. Принципиально при правильной настройке вариатора эта компенсация может быть практически полной.
Следует отметить, что, так же, как и в прототипе, система легко может устанавливаться на «ноль». Для этого достаточно трензель 14 установить в нейтральное положение, а затем на требуемый угол повернуть колеса 15 и 16.
Таким образом, достоинства прототипа в предлагаемой полезной модели сохраняются, но точность ее повышается, что составляет технический результат предложения.