СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ПОДАЧИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

Следящий привод подачи металлорежущего станка
Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к приводам формообразующих движений металлорежущих станков.
Приводы, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, привод, описанный в книге «В.Л. Косовский и др. Программное управление станками и промышленными роботами. - М.: Высшая школа, 1986, стр. 168-169». Он состоит из двигателя постоянного тока, преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого связан с двигателем, и блока импульсно-фазового управления, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя, а вход - с задатчиком напряжения. При использовании такого привода с помощью задатчика на блок импульсно-фазового управления подается низковольтный сигнал. В ответ на него блок формирует импульсы, сдвинутые во времени по фазе на ту или иную величину. Импульсы поступают на преобразователь переменного напряжения в постоянное (он питается от источника общеизвестной конструкции) и, в зависимости от их фазы, заставляют преобразователь подавать на двигатель то или иное выпрямленное напряжение. Задавая с помощью задатчика определенный управляющий сигнал, можно получать определенную скорость вращения двигателя.
Описанный привод достаточно прост, однако он имеет серьезный недостаток. При существенных колебаниях нагрузки на него (момента сопротивления) скорость вращения выходного вала его двигателя также существенно изменяется. При больших нагрузках двигатель даже может остановиться. В результате, область применения данного привода весьма ограничена. Этого недостатка в значительной мере лишен привод-аналог, описанный, например, в работе «В.Л. Сосонкин и др. Программное управление станками. - М.: Машиностроение, 1981, стр. 119, рис. 2.11». Он в меньшей степени реагирует на колебания момента сопротивления, а потому область его применения оказывается шире, чем у предыдущего.
Второй привод-аналог содержит двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, блок импульсно-фазового управления, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя, компаратор, выход которого соединен со входом блока импульсно-фазового управления, задатчик скорости, выход которого соединен со вторым входом компаратора, и датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом компаратора.
Рассмотренный привод-аналог работает более надежно (остановка его при перегрузках менее вероятна), скорость двигателя, которую он обеспечивает, более стабильна, и в целом он более эффективен, чем описанный ранее. Однако он, все же, не свободен от недостатков. Главный из них состоит в том, что снижение (или превышение) скорости двигателя в нем обнаруживается тогда, когда оно уже произошло. Привод его компенсирует, и скорость восстанавливается, однако некоторые ее колебания остаются. Причем в ту и другую сторону - в «плюс» и в «минус» от номинала. Обусловлены они инерционностью двигателя, и чем она больше, тем больше амплитуда колебаний.
Вместе с тем существует следящий привод подачи, имеющий более высокую стабильность работы, чем последний. Этот привод защищен Патентом РФ №96511 от 10 августа 2010 года и также является аналогом предлагаемого. Он содержит двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, блок импульсно-фазового управления, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя, задатчик скорости, компаратор, выход которого соединен со входом блока импульсно-фазового управления, датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом компаратора, сумматор, первый вход которого подключен к задатчику скорости, датчик момента сопротивления на валу упомянутого двигателя, выполненный в виде динамометра, вход которого кинематически связан с двигателем, и блок индикации момента сопротивления на валу двигателя, соединенный с выходом динамометра, при этом второй вход сумматора подключен к выходу динамометра, а выход - ко второму входу компаратора.
Несмотря, однако, на то, что данный привод обеспечивает более высокую стабильность скорости, чем другие приводы-аналоги, он имеет не всегда достаточно высокое быстродействие, т.е. не всегда достаточно быстро изменяет скорость работы двигателя в ответ на изменения сигнала от задатчика скорости и сигнала от динамометра (датчика момента сопротивления). Этого недостатка из известных приводов лишен привод, защищенный Патентом №115277 и принятый нами за прототип. Он содержит двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, блок импульсно-фазового управления, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя, задатчик скорости, первый компаратор, выход которого соединен со входом блока импульсно-фазового управления, датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом первого компаратора, первый сумматор, первый вход которого подключен к задатчику скорости, а выход - ко второму входу первого компаратора, датчик момента сопротивления на валу упомянутого двигателя, выполненный в виде динамометра, вход которого кинематически связан с двигателем, и блок индикации момента сопротивления на валу упомянутого двигателя, соединенный с выходом динамометра, дополнительно снабжен вторым сумматором, вторым и третьим компараторами, первой и второй линиями задержки, при этом выход динамометра соединен с первым входом второго сумматора, со вторым входом второго компаратора и со входом первой линии задержки, выход задатчика скорости соединен со вторым входом третьего компаратора и со входом второй линии задержки, выход первой линии задержки соединен с первым входом второго компаратора, выход второй линии задержки подключен к первому входу третьего компаратора, выход второго компаратора соединен со вторым входом второго сумматора, выход третьего компаратора соединен со вторым входом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к третьему входу первого сумматора.
Однако, все же, описанный привод не всегда обеспечивает достаточно высокое быстродействие в ответ на изменения сигнала от датчика скорости.
Задачей создания предлагаемой полезной модели является дальнейшее увеличение быстродействия привода. Достигается решение этой задачи тем, что следящий привод подачи металлорежущего станка, содержащий двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, блок импульсно-фазового управления, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя, задатчик скорости, первый компаратор, выход которого соединен со входом блока импульсно-фазового управления, датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, первый сумматор, первый вход которого подключен к задатчику скорости, а выход - ко второму входу первого компаратора, датчик момента сопротивления на валу упомянутого двигателя, выполненный в виде динамометра, вход которого кинематически связан с двигателем, блок индикации момента сопротивления на валу упомянутого двигателя, соединенный с выходом динамометра, второй сумматор, второй и третий компараторы, первую и вторую линии задержки, при этом выход динамометра соединен с первым входом второго сумматора, со вторым входом второго компаратора и со входом первой линии задержки, выход задатчика скорости соединен со вторым входом третьего компаратора и со входом второй линии задержки, выход первой линии задержки соединен с первым входом второго компаратора, выход второй линии задержки подключен к первому входу третьего компаратора, выход второго компаратора соединен со вторым входом второго сумматора, выход третьего компаратора соединен со вторым входом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к третьему входу первого сумматора, дополнительно снабжен третьим сумматором, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, четвертым компаратором, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, третьей линией задержки, выход которой соединен с первым входом четвертого компаратора, а выход датчика скорости соединен со вторым входом третьего сумматора, со вторым входом четвертого компаратора и со входом третьей линии задержки.
Схема предлагаемого следящего привода подачи показана на фиг. 1. Она включает в себя двигатель постоянного тока 1, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное 2 (это может быть стандартный тиристорный преобразователь, питающийся от трехфазной сети), блок импульсно-фазового управления 3, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя 2, задатчик скорости 4, первый компаратор 5, выход которого соединен со входом блока импульсно-фазового управления 3, и датчик скорости 6, вход которого через механическую передачу 7 (а может и напрямую) кинематически связан с двигателем 1. Кроме того, привод содержит первый сумматор 8, выход которого связан со вторым входом компаратора 5, датчик момента сопротивления упомянутого двигателя, выполненный в виде динамометра 9, вход которого кинематически, через механическую передачу 10, связан с двигателем 1, и блока индикации момента сопротивления упомянутого двигателя 11, соединенного с выходом динамометра, второй сумматор 12, второй компаратор 13, третий компаратор 14, первую линию задержки 15, вторую линию задержки 16, третий сумматор 17, четвертый компаратор 18 и третью линию задержки 19. При этом первый вход сумматора 8 подключен к задатчику скорости 4, выход динамометра 9 соединен с первым входом сумматора 12, со вторым входом компаратора 13 и со входом линии задержки 15, выход задатчика скорости 4 соединен со вторым входом компаратора 14 и со входом линии задержки 16, выход линии задержки 15 соединен с первым входом компаратора 13, выход линии задержки 16 подключен к первому входу компаратора 14, выход компаратора 13 соединен со вторым входом сумматора 12, выход компаратора 14 соединен со вторым входом сумматора 8, выход сумматора 12 подключен к третьему входу сумматора 8, выход третьего сумматора 17 соединен с первым входом первого компаратора 5, выход четвертого компаратора 18 соединен с первым входом третьего сумматора 17, выход третьей линии задержки 19 соединен с первым входом четвертого компаратора 18, а выход датчика скорости 6 соединен со вторым входом третьего сумматора 17, со вторым входом четвертого компаратора 18 и со входом третьей линии задержки 19.
4
4
4
4
4
При использовании привода его запускают и разгоняют до рабочей скорости ω с помощью задатчика 4, постепенно увеличивая сигнал на выходе задатчика U, например, по линейному закону. Сигнал от задатчика 4 поступает на сумматор 8. Этот же сигнал поступает напрямую на второй вход компаратора 14 и через линию задержки 16 - на первый (вычитающий) вход этого же компаратора. Линия задержки 16 задерживает входной сигнал на некоторое время dt. В связи с этим на выходе компаратора 14 получается сигнал, равный приращению dU сигнала, поступающего от задатчика 4, за время dt. По существу, он имеет смысл первой производной  сигнала U, поступающего от задатчика, т.е. скорости его изменения. Указанный сигнал скорости  с выхода компаратора 14 поступает на сумматор 8, подобно сигналу U от задатчика 4, и добавляется к нему. Сигнал с выхода сумматора 8 поступает на вход компаратора 5 и обеспечивает получение требуемой скорости ω вращения двигателя 1 при данной нагрузке. Датчик скорости 6 при работе двигателя 1 выдает сигнал, характеризующий скорость двигателя, а динамометр 9 - сигнал, характеризующий момент сопротивления М на его валу, являющийся функцией силы резания при обработке на станке данной детали. Сигнал от динамометра 9 поступает на блок индикации момента сопротивления двигателя 11 и представляет оператору информацию о состоянии режущего инструмента. Одновременно с этим он поступает на сумматор 12. Он также поступает напрямую на второй вход компаратора 13 и через линию задержки 15 на первый (вычитающий) вход этого же компаратора. Линия задержки 15 задерживает входной сигнал на время dt и на выходе компаратора 13 при изменении М получается сигнал, равный приращению dM сигнала М за время dt. Так же, как и в случае U, в данном случае на выходе компаратора 13 получается сигнал, имеющий смысл , т.е. первой производной М или скорости изменения М. Этот сигнал складывается с М сумматором 12 и поступает на сумматор 8, затем на компаратор 5, на блок импульсно-фазового управления 3, преобразователь 2 и обеспечивает получение скорости со вращения двигателя 1 совместно с сигналами, поступающими на сумматор 8 от задатчика 4 и компаратора 14. Если скорость двигателя из-за возрастания силы резания (а значит, и момента сопротивления) снизится, то датчик скорости 6 уменьшит сигнал на выходе, и сигнал на выходе компаратора 5 возрастает, что приведет к обратному увеличению скорости ω. Если скорость двигателя 1 из-за уменьшения силы резания (момента сопротивления) возрастет, то датчик скорости 6 свой сигнал на выходе увеличит, на выходе компаратора 5 сигнал уменьшится, и скорость двигателя 1 соответственно уменьшится. Одновременно с этим, если момент сопротивления на двигателе возрастает, и двигатель 1 начинает снижать обороты, динамометр 9 добавит свой сигнал через сумматоры 12 и 8 к сигналу задатчика 4. Сюда же добавится сигнал и о скорости возрастания момента сопротивления с выхода компаратора 13 (чем больше скорость возрастания момента, тем больше этот сигнал, и наоборот). На выходе сумматора 8 сигнал, соответственно, увеличится, на выходе компаратора 5 тоже, что будет способствовать обратному возрастанию оборотов двигателя.
Сигнал от датчика скорости 6 поступает на сумматор 17. Он также поступает напрямую на второй вход компаратора 18 и через линию задержки 19 на первый (вычитающий) вход этого же компаратора. Линия задержки 19 задерживает входной сигнал на время dt и на выходе компаратора 18 при изменении со получается сигнал, равный приращению dω сигнала ω за время dt. Так же, как и в случае U и М, в данном случае на выходе компаратора 18 получается сигнал, имеющий смысл dω/dt, т.е. первой производной со или скорости изменения со. Этот сигнал складывается с со сумматором 17 и поступает на компаратор 5, на блок управления 3, преобразователь 2 и обеспечивает получение скорости ω вращения двигателя 1 совместно с сигналами, поступающими на сумматор 8 от задатчика 4, компараторов 12 и 14. Если скорость двигателя снизится, то датчик скорости 6 уменьшит сигнал на выходе, и сигнал на выходе компаратора 5 возрастает, что приведет к обратному увеличению скорости ω. Если скорость двигателя 1 возрастет, то датчик скорости 6 свой сигнал на выходе увеличит, на выходе компаратора 5 сигнал уменьшится, и скорость двигателя 1 соответственно уменьшится.
Докажем технический результат, получаемый в результате разработки предлагаемой полезной модели, следующим образом. Охарактеризуем работу привода приближенной математической моделью
ω=A·U-B·M,
где ω - угловая скорость вращения двигателя, U - уровень сигнала на выходе компаратора 5, М - момент сопротивления, обусловленный действием на двигатель сил резания, А и В - коэффициенты пропорциональности, обусловленные конструкцией двигателя. У привода-прототипа
4
6
9
где U - уровень сигнала от задатчика 4, U - уровень сигнала от датчика скорости 6, равный C·ω, где С - коэффициент пропорциональности, обусловленный конструкцией датчика 6, U - уровень сигнала от динамометра 9, равный D·M, где D - коэффициент пропорциональности, обусловленный конструкцией динамометра.
Или
Отсюда следует, что для прототипа
и далее
У предлагаемого привода
или
Отсюда следует
и далее
Величина dω/dt, как общеизвестно, характеризует быстродействие привода.
Сравним по ней быстродействие предлагаемого привода с приводом-прототипом. Продифференцировав формулу (**), соответствующую приводу-прототипу, получим
Аналогично, из формулы (***), соответствующей предлагаемому приводу, получим
Сравнивая формулы при одинаковых значениях А, В, С, D и А>В, С, D, а также при U4>>U6, U9, что имеет место при построении и эксплуатации приводов, нетрудно заметить, что γ**<γ***. При этом, как показывают расчеты, второе может превышать первое более, чем в 2-4 раза, что особенно проявляется при малых со, соответствующих рабочим подачам исполнительных органов металлорежущих станков.