УСТРОЙСТВО АВТОКОРРЕКЦИИ НУЛЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ В КОНТУРЕ УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ С ЧПУ
DEVICE FOR SELF-CORRECTION OF ZERO OF OPERATIONAL AMPLIFIER IN CIRCUIT OF EQUIPMENT CONTROL WITH NUMERICAL CONTROL

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технике прецизионного усиления сигналов датчиков в контуре управления оборудованием с ЧПУ.
Известно устройство усиления постоянного тока с компенсацией дрейфа нуля периодической автокоррекции смещения выходного напряжения операционного усилителя (ОУ) путем запоминания его значения на конденсаторе в цепи инвертирующего входа ОУ при замыкании неинвертирующего входа на общую шину [1].
Недостатком таких устройств является существенная остаточная погрешность компенсации, равная напряжению смещения операционного усилителя, саморазряд накопительного конденсатора и вызванная этим необходимость повышения частоты автокоррекции, что является нежелательным в системах оборудования с ЧПУ.
Технической задачей изобретения является обеспечение высокой точности обработанных поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ за счет повышения точности компенсации смещения и дрейфа нуля на выходе первого операционного усилителя и увеличение интервала между тактами автокоррекции.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее резистор, операционный усилитель вводятся система удаления пыли и стружки, деталь, резец, резцедержатель, датчик силы резания, два операционных усилителя, коммутатор, контроллер, компьютер, резисторы R, R1, R2, R3, R4, компаратор, ключи S1, S2, S3, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), источник постоянного напряжения (ИПН) -15 В, позволяющие устранить режим самовозбуждения первого операционного усилителя.
1
2
R
Резец устанавливается в резцедержателе, на котором крепится датчик силы резания, выход которого соединен с первым выводом резистора R1. Второй вывод резистора R1 подключен к первому выходу ключа S1, а вход ключа S1 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй выход ключа S1 заземлен. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с входом ключа S2. Первый выход ключа S2 соединен с первым выводом резистора R, второй вывод которого соединен с выходом контроллера, а вход контроллера подсоединен к выходу компьютера. Второй выход ключа S2 соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом резистора R4. Второй вывод резистора R4 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, к которому также подсоединен первый вывод резистора R3. Второй вывод резистора R3 соединен с выходом источника постоянного напряжения (+15 В). Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с выходом АЦП I, а неинвертирующий вход соединен с выходом АЦП I и заземлен. Входы АЦП RE, ST, С и выход RD соединены с компьютером. Входы АЦП DI и V и выход GA заземлены, а на вход АЦП U подсоединен источник постоянного напряжения -15 В. Выход первого операционного усилителя подключен к входу ключа S3. Первый выход ключа S3 соединен с входом коммутатора, а выход коммутатора соединен с системой удаления пыли и стружки. Второй выход ключа S3 соединен с входом компаратора. Второй вход компаратора заземлен. Выход компаратора соединен с входом АЦП CI. Резистор R2 одним выводом подсоединен к первому выходу ключа S1, а вторым выводом - к первому выводу ключа S3.
Использование этих связей в устройстве позволит обеспечить высокую точность обработанных поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ за счет повышения точности компенсации смещения и дрейфа нуля на выходе первого операционного усилителя и увеличение интервала между тактами автокоррекции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства автокоррекции нуля операционного усилителя в контуре управления системы удаления пыли и стружки оборудования с ЧПУ.
Устройство автокоррекции нуля операционного усилителя в контуре управления системы удаления пыли и стружки оборудования с ЧПУ содержит: деталь 1, резец 2, резцедержатель 3, датчик силы резания 4, резисторы 5, 6, 14, 15, 17, коммутатор 7, первый операционный усилитель 8, компьютер 9, систему удаления пыли и стружки 10, компаратор 11, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 12, источник постоянного напряжения (ИПН) 13, второй операционный усилитель 16, контроллер 18, ключи 19, 20, 21.
1
2
R
Связи в устройстве автокоррекции нуля операционного усилителя в контуре управления системы удаления пыли и стружки оборудования с ЧПУ расположены в следующем порядке: резец 2 устанавливается в резцедержателе 3, на котором крепится датчик силы резания 4, выход которого соединен с первым выводом резистора R1 - 5. Второй вывод резистора R1 подсоединен к первому выходу ключа S1 - 19, а вход ключа S1 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 8. Второй выход ключа S1 заземлен. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с входом ключа S2 - 20. Первый выход ключа S2 соединен с первым выводом резистора R - 17, второй вывод которого соединен с выходом контроллера 18, а вход контроллера подключен к выходу компьютера 9. Второй выход ключа S2 соединен с выходами второго операционного усилителя 16 и первого вывода резистора R4 - 15. Второй вывод резистора R4 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, к которому также подключен первый вывод резистора R3 - 14. Второй вывод резистора R3 соединен с выходом источника постоянного напряжения (+15 В) 13. Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с выходом АЦП I - 12, а неинвертирующий вход соединен с выходом АЦП I и заземлен. Входы АЦП RE, ST, С и выход RD соединены с компьютером. Входы АЦП DI и V и выход GA заземлены, а на вход АЦП U подсоединен источник постоянного напряжения -15 В. Выход первого операционного усилителя подсоединен к входу ключа S3 - 21. Первый выход ключа S3 соединен с входом коммутатора 7, а выход коммутатора соединен с системой удаления пыли и стружки 10. Второй выход ключа S3 соединен с входом компаратора 11. Второй вход компаратора заземлен. Выход компаратора соединен с входом АЦП CI. Резистор R2 одним выводом подсоединен к первому выходу ключа S1, а вторым выводом - к первому выводу ключа S3.
Устройство автокоррекции нуля операционного усилителя в контуре управления системы удаления пыли и стружки оборудования с ЧПУ работает следующим образом. При прохождении резца 2, установленного в резцедержателе 3, по поверхности детали 1 через некоторый интервал времени появляется пыль и стружка, которую необходимо удалять из зоны резания, иначе это может привести к ухудшению качества обработанных поверхностей деталей. При появлении стружки значение силы резания резко увеличивается. Датчик силы резания 4, установленный на резцедержателе 3, постоянно фиксирует это значение. Импульсы выходного сигнала переменного напряжения от датчика силы резания 4 поступают на первый операционный усилитель 8, который одновременно сравнивает полученный сигнал с эталонным значением напряжения, которое определяется для различных механических операций на оборудовании с ЧПУ при помощи компьютера 9. Полученное значение преобразуется в электрический сигнал эталонного напряжения и с помощью контроллера 18 передается на резистор 17. При этом ключи 19, 20, 21, управляемые компьютером 9, находятся в положении 1. Первый операционный усилитель 8 настраивается таким образом, чтобы генерировать импульсы на выходе, только тогда, когда сигнал выходного напряжения, поступившего от датчика силы резания 4, больше величины эталонного значения напряжения на резисторе 17. Когда первый операционный усилитель 8 начинает генерировать выходные импульсы, коммутатор 7 включает подачу напряжения на систему удаления пыли и стружки 10. Происходит отсос стружки из зоны резания. Как только значение силы резания, определяемое датчиком силы резания 4, становится равным эталонному значению напряжения на резисторе 17, коммутатор 7 прекращает подачу напряжения на систему удаления пыли и стружки 10.
вх
вых
При работе устройства из-за дрейфа нуля, обусловленного некоторой разбалансировкой во входном каскаде первого операционного усилителя 8, в любой момент времени может появиться погрешность преобразования, тогда первый операционный усилитель 8 переходит в режим самовозбуждения - при неизменном входном напряжении U=0 на его выходе будет существовать ненулевое выходное напряжения U. Это недопустимо при работе самого устройства, так как система удаления пыли и стружки 10 может включиться в любой момент времени.
кор
кор
кор
кор
см
1max
Для предотвращения режима самовозбуждения от компьютера 9 на ключи 19, 20, 21 поступает сигнал переключить их в положение 2. Ключ S1 заземляется, то есть на инвертирующий вход первого операционного усилителя 8 поступает сигнал, равный нулю. Ключ S2 20 подключается к выходу второго операционного усилителя 16, и через него на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 8 будет поступать сигнал коррекции U. Ключ S3 подключается к компаратору 11. Интегральная схема АЦП 12 содержит N-разрядный регистр последовательного приближения (РПП) и N-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП 12 вырабатывает напряжение коррекции U, минимизирующее напряжение смещения на выходе усилителя в отсутствие сигнала на его входе. Коды от 000…00 до 011…11 соответствуют отрицательной полярности напряжения U, а коды от 100…00 до 111…111 - положительной полярности, причем на границе между кодами 011…11 и 100…00 напряжение U должно переходить через нулевой уровень. С этой целью во входную цепь второго операционного усилителя 16 вводится ток смещения I, равный половине максимального значения выходного тока ЦАП I.
1
1max
см.вых
вых
кор
кв
Запуск АЦП 12 осуществляют подачей сигнала на ключ S1 19, который замыкает корректирующую цепь, и подачей на стартовый вход ST положительного импульса, служащего началом поразрядного уравновешивания. По этой команде РПП записывает в старший разряд логическую «1», и на выходе ЦАП устанавливается выходной ток I, равный 0,5 I. Если при этом на выходе операционного усилителя 8 U>0, то компаратор напряжения 11 выдает в РПП команду записать «1» в старшем разряде и подать логическую «1» в соседний младший разряд ЦАП. Если же U<0, то компаратор 11 выдает в РПП команду установить в старшем разряде логический «0» и в соседний младший разряд ЦАП подать логическую «1». Далее таким же образом проверяется, нужна ли единица в соседнем младшем разряде регистра. И так уравновешивание продолжается до тех пор, пока не будут опрошены все разряды регистра, включая самый младший. Работа АЦП 12 синхронизируется тактовыми импульсами на входе С. На последнем такте сравнения приращение напряжения U равно одному кванту ΔU.
вых
кор
кор
После N тактов сравнения U с нулевым значением в запоминающем регистре формируется N-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом напряжения коррекции U на выходе второго операционного усилителя 16. Одновременно этот код подается с выхода АЦП 12 RD в компьютер 9, который передает сигнал на ключ S1 19, размыкая его, прекращая процесс коррекции. Диапазон значений напряжения U задается сопротивлением четвертого резистора 15.
кв
Величина кванта ΔU вычисляется по следующей формуле:
где N - разрядность АЦП.
кор
Тогда величина, определяющая остаточное смещение нуля на выходе первого операционного усилителя, - напряжение коррекции U установится на уровне
u.ос
см
где К - коэффициент усиления обратной связи первого операционного усилителя; U - напряжение смещения первого операционного усилителя.
При этом коэффициент усиления обратной связи первого операционного усилителя определяется номиналами резисторов R1 и R2
кор
В предлагаемом устройстве напряжение U хранится в памяти АЦП 12 и не изменяется в паузе между импульсами коррекции нуля. Поэтому нет ограничений на длительность периода коррекции.
1max
Например, при I=1 мА и R4=100 Ом величина одного кванта при разрядности АЦП N=12 составляет
кор
см
Напряжение U может принимать значения от -50 мВ до +50 мВ, и при R1=39 кОм, R2=1 кОм,  U=5 мВ найдется
Таким образом, предлагаемое устройство автокоррекции нуля операционного усилителя в контуре управления системы удаления пыли и стружки оборудования с ЧПУ позволяет исключить режим самовозбуждения первого операционного усилителя за счет автокоррекции нуля и тем самым повысить точность обрабатываемых поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ.
Литература
1. Заявка на патент РФ №94023700/09, кл. H03F 3/38, публикация заявки 1996 (аналог).