Устройство отсчета перемещений рабочего органа машины с ходовым винтом
DEVICE FOR COUNTING THE MOVEMENTS OF THE WORKING BODY OF A MACHINE WITH A DRIVE SCREW

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к машинам с числовым программным управлением, например к металлорежущим станкам.
Устройства отсчета перемещений рабочего органа машины с ходовым винтом известны. В простейшем случае это устройства, в которых отсчет перемещений осуществляется самим приводом машины. Привод выполняется шаговым, соединяется с ходовым винтом, а последний через установленную на нем гайку связывается с рабочим органом (И.В. Харизоменов. Электрооборудование и электроавтоматика металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1975, стр. 188, рис. 166, в). Сколько управляющих импульсов подано на привод, на такой угол повернется вал шагового двигателя и, соответственно, ходовой винт. Подобные устройства просты, но не обладают высокой точностью, поскольку не учитывают погрешности, возникающие при отработке импульсов, подаваемых на шаговый двигатель. Более точные устройства отсчета перемещений содержат привод вращения винта, гайку, охватывающую винт и соединенную с рабочим органом машины, и поворотный датчик (энкодер), вход которого соединен с винтом. Такое устройство, рассмотренное в той же книге И.В. Харизоменова, показанное на рис. 166, б (привод в нем образован преобразователем П, двигателем Д и редуктором Р) и описанное на стр.189, принято нами в качестве прототипа предложения.
Устройство - прототип работает точнее, чем устройство с шаговым приводом, не оснащенное датчиком. Однако у него все же есть существенный недостаток, ограничивающий его применение на прецизионных станках. Обусловлен он тем, что датчик-энкодер выдает информацию не о перемещении рабочего органа, а об угле поворота ходового винта. Причем дискретность выдаваемой им информации соответствует номинальной величине шага (как правило, датчик имеет равномерную шкалу) без учета того, что фактические шаги винта из-за погрешностей его изготовления отличаются от номинальных. Если номинальное значение шага , то фактическое значение шага всегда равно , где  - погрешность шага, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Причем, когда рабочий орган машины находится в одном положении, эта погрешность одна, а когда он находится в другом положении, то и она другая. Датчик же, определяющий положение рабочего органа по угловому положению винта, выдает информацию так, как будто при любом положении рабочего органа машины указанная погрешность отсутствует.
В соответствии с изложенным проблемой, возникающей при отсчете перемещений рабочего органа машины, является не всегда достаточная точность отсчета.
Указанная проблема решается за счет того, что устройство отсчета перемещений рабочего органа машины с ходовым винтом, содержащее привод вращения винта, гайку, охватывающую винт и соединенную с рабочим органом машины, и поворотный абсолютный энкодер, вход которого соединен с винтом, отличается от прототипа тем, что оно снабжено блоком программирования погрешностей шага винта, блоком вычисления погрешностей угла поворота винта, вход которого соединен с блоком программирования погрешностей шага, программируемым кодопреобразователем, программирующий вход которого соединен с выходом блока вычисления погрешностей угла, а рабочий вход - с выходом энкодера, и двухвходовым сумматором, первый вход которого соединен с выходом кодопреобразователя, а второй вход - с выходом энкодера.
На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство отсчета перемещений рабочего органа 1 машины с ходовым винтом 2, содержит привод 3 вращения винта, гайку 4, охватывающую винт 2 и соединенную с рабочим органом 1 машины, и поворотный абсолютный энкодер 5, вход которого соединен с винтом 2. Оно также снабжено блоком 6 программирования погрешностей шага винта 2, блоком 7 вычисления погрешностей угла поворота винта, вход которого соединен с блоком программирования погрешностей 6 шага, программируемым кодопреобразователем 8, программирующий вход которого соединен с выходом блока вычисления погрешностей угла 7, а рабочий вход - с выходом энкодера 5, и двухвходовым сумматором 9, первый вход которого соединен с выходом кодопреобразователя 8, а второй вход - с выходом энкодера 5.
Элементы 6 и 7 устройства выполнены на типовых логических схемах (см. Справочник по средствам автоматики/ Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика. - М.: Энергоатомиздат, 1983), блок 8 выполнен на основе программируемой логической матрицы (см. В.М. Терехов и О.И. Осипов. Системы управления электроприводов. - М.: Издат. Центр «Академия», 2005, стр.51-54), энкодер 5 - на основе кодовых дисков и встроенного преобразователя кода Грея в естественный двоичный код (см. https://megasensor.com/products/princip-raboty-absolyutnogo-enkodera/).
Перед эксплуатацией устройства энкодер 5 юстируют в соответствии с номинальными значениями шага винта 2 (его «0» совмещают с серединой дискреты отсчета номинального шага), измеряют погрешности шагов  ходового винта 2 по всей его длине и в кодированном виде значения  вводят в блок 6. Последний передает их в блок 7, который по ним вычисляет соответствующие им погрешности углового положения винта .
Вычисление  производится численным методом согласно следующим соотношениям (1) и (2):
где  - номинальный шаг винта,  - погрешность длины витка винта, соответствующая , - средний диаметр винта,  - номинальная длина одного витка, - фактическая длина одного витка, отличающаяся от  на .
Например, при  получается
Вычисленные значения  в кодированном виде поступают в программируемый кодопреобразователь 8 (на его программирующий вход) и запоминаются в нем. Программирование осуществляется так, чтобы каждому шагу винта , преобразуемому энкодером в угол  и подаваемому на вход кодопреобразователя 8, на выходе последнего отвечало двоично-кодированное , соответствующее .
В процессе работы устройства привод 1 вращает ходовой винт 2, а энкодер 5 преобразует угол поворота винта (и, следовательно, положение рабочего органа 1) в двоичный код. Этот код характеризует угол поворота  винта 2 без учета погрешности шагов  (так, как будто весь винт был изготовлен с шагами номинальной величины, без погрешностей). Указанный код поступает на второй вход сумматора 9 и на рабочий вход кодопреобразователя 8. С выхода кодопреобразователя 8 на первый вход сумматора в это время поступает двоично-кодированная величина , соответствующая . В результате на выходе сумматора 9 появляется двоично-кодированная величина . Таким образом, на выходе устройства получается информация о перемещении рабочего органа с учетом погрешностей шагов винта, перемещающего рабочий орган 1 с помощью охватывающей винт гайки 4.
Из изложенного следует, что техническим результатом предлагаемого устройства отсчета перемещений является повышение точности указанного отсчета.