CS212605B1 - Způsob regulace polohy a zapojení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká číslicově řízených obráběcích strojů a řeěí regulaci polohy nástroje. Signál nesoucí informaci o skutečné poloze se nejprve derivuje, potom se větví na dva signály. Z nich každý se násobí jinou konstantou. Tím vznikají dva derivované signály skutečná polohy s různou vlivností. To samé se provádí se signálem žádané polohy. Od součtu signálu odchylky z derivovaného signálu žádané polohy s jednou vlivností se odečte derivovaný signál skutečné polohy s jednou vlivností a výsledek se násobí proporcionální konstantou, což je první sčítanec. Druhý sčítanec vzniká, když se od součtu signálu odchylky s derivovaným signálem žádané polohy se druhou vlivností odečte signál derivované skutečné polohy se druhou vlivností. Výsledek se integruje podle času a vzniká druhý sčítanec. Řídicí signál regulátoru je součtem obou sčítanců. Vynélezu se využije u obráběcích strojůPodstatu vynálezu vystihuje první bod definice.

Description

Vynález se týká způsobu regulace polohy nástroje u řízených číslicových strojů a zapo- ; jení k prováděni tohoto způsobu.

Dosud známé způsoby regulace polohy vycházejí z činnosti obvodů, které obsahují čidlo signálu skutečné polohy, na příklad nástroje obráběcího stroje, dále obsahují zdroj signálu žádané polohy, které se může měnit při obrábění s časem. Rozdíl signálu žádaná polohy a skutečné polohy, která se vyhodnotí v rozdílovém členu, se násobí koeficientem úměrnosti a vede se na vstup PI regulátoru. Výstup PI regulátoru napájí například zesilovač pohybového servomotoru, který pohybuje obráběcím nástrojem, na němž je upevněno čidlo skutečné polohy. Jako zpětné vazba se používá signálu rychlosti skutečné polohy násobeného druhým koeficientem úměrnosti; tento úměrný signál se odečítá ód signálu na vstupu PI regulátoru.

Na vstupu do PI regulátoru je tedy výsledný signál, který je roven rozdílu dvou signálů a který vzniká tak, že od signálu úměrného odchylce skutečné polohy od žádané polohy se odečítá zpětnovazební signál rychlosti skutečné polohy. Tím vznikne odchylka skutečné polohy nástroje od žádané polohy nástroje, která je nezbytné proto, aby nástroj při zastavení nepřeběhnul přes koncovou polohu. K doplnění regulačního obvodu se někdy přičítá na vstupu PI regulátoru ještě signál úměrný čésti rychlosti žádané polohy, to je signál tzv. rychlost vpřed (feed forward). Tím se ovšem původní odchylka při chodu konstantní rychlosti zase zmenšuje, takže se tento způsob regulace používá hlavně při rychloposuvu nástroje obráběcího stroje, kdy nástroj není v záběru s obráběným materiálem a nevadí jeho určité překmitnutí v koncová poloze. Při pracovním pohybu nástroje se signál rychlost vpřed (feed forward) vypíná, aby se nezmenšila odchylka skutečné polohy nástroje od žádané polohy nástroje vlivem rychlosti vpřed (feed forward). Při zastavení nástroje se pak zastaví signál žádané polohy na konečné hodnotě a nástroj dobíhá bez překmitu, takže konečné hodnota skutečné polohy je rovné konečné hodnotě žádané polohy.

Nevýhodou tohoto způsobu regulace je, že po vypnutí signálu zvaného rychlost vpřed (feed forward) se už neindikuje zastaveni žádané polohy, kdy náhle klesne signál rychlost vpřed (feed forward), který je úměrný čésti derivace žádané polohy, na nulu. To by pomohlo při rychlém zastavování obráběcího nástroje v koncové poloze, zvláště, když se zastavení musí provést bez překmitu. Zde by měl být signál rychlost vpřed (feed forward) co největší. To však není při dosavadním způsobu regulace dost dobře možné, protože by se opět nepřípustně zmenšovala odchylka skutečné polohy nástroje od jeho žádané polohy při rovnoměrném pracovním pohybu, a to by opět ohrožovalo podmínky pro nepřekmitnutí nástroje při jeho zastavování.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že signál nesoucí informaci o skutečné poloze se nejprve derivuje a potom se větví na dva signály, z nichž každý se násobí jinou konstantou, takže vznikají dva derivované signály skutečné polphy s různou vllvnoští. Stejným způsobem se signál žádané polohy nejprve derivuje a potom větví na dva signály, z nichž každý se násobí jinou konstantou, takže vznikají dva derivovaná signály žádané polohy s různou vlivnoatí. Od součtu signálu odchylky s derivovaným signálem žádané polohy s jednou vlivností se odečte derivovaný signál skutečné polohy s jednou vlivností a výsledný 3ignál se násobí proporcionální konstantou, čímž vzniká první sčítanec výsledného signálu. Podobně se od součtu signálu odchylky s derivovaným signálem žádaně polohy se druhou vlivností odečte signál derivované skutečné polohy se druhou vlivností a výsledný signál se násobí integrační konstantou a integruje se podle času, čímž vzniká druhý sčítanec výsledného signálu. Výsledný řídicí signál regulátoru je součtem obou sčítanců.

Zapojení regulačního obvodu pro regulaci polohy podle vynálezu sestává z rozdílového členu, součtových členů, proporcionálního regulátoru, integrálního regulátoru, derivačních členů a děličů. První vstup zapojení je spojen přes rozdílový člen s prvým kladným vstupem druhého součtového členu a s prvým kladným vstupem prvého součtového členu. Výstup prvého součtového členu je spojen přes proporcionální regulátor s prvým vstupem třetího součtového Členu. Výstup třetího součtového členu je spojen s výstupem zapojení. Druhý vstup zapojení je spojen přes druhý derivační člen se vstupem čtvrtého děliče. Výstup čtvrtého děliče je spojen přes přepínač se druhým kladným vstupem druhého součtového členu, jehož výstup je spo jen přes integrální regulátor se druhým vstupem třetího sc ičtového členu. Třetí vstup zápoje ní je spojen přes prvý derivační člen a přes druhý dělič se záporným vstupem druhého součtového členu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že výstup druhého derivačního členu je déle spojen pře třetí dělič se druhým kladným vstupem prvého součtového členu. Záporný vstup prvého součtového členu je spojen přes první dělič s výstupem prvního derivačního členu.

Výhodou uspořádání podle vynálezu je, že umožňuje nastavit zpětnovazební signály s různými vlivnostmi tak, že ačkoliv zachovává odchylku skutečné polohy nástroje od jeho žádané polohy při jeho rovnoměrném pracovním pohybu, působí derivačně při změnách rychlosti žádané polohy, hlavně při zastavování. To mé za následek zlepěení aperiodického průběhu celé regulace polohy nástroje. Tím se příznivě ovlivni regulace polohy nástroje předevěim u obráběcích strojů a výsledkem je zvýěené přesnost a kvalita obráběných výrobků.

Způsob regulace podle vynálezu je vysvětlen na připojeném blokovém schématu. Proporcionálně integrační regulátor se rozdělí na proporcionální regulátor 4 a na integrační regulátor g. K oběma regulátorům se přivédí jak signál S₁ rychlosti skutečné polohy, tak signál rychlosti žádané polohy S₂, oba s různou vlivnosti ve formě zpětnovazebních signálů. Signál

5₁ rychlosti skutečné polohy dX ^S1 ~ ^KT ďt kde

Sj = signál rychlosti skutečné polohy

K_T - koeficient úměrnosti rychlosti signálu dX ^{= v}x J® rychlost změny skutečné polohy X podle času t.

Signál Sg rychlosti žádané polohy dW ^S2 ^{= K}T ďt kde

5₂ = signál rychlosti žédané polohy

K_T = koeficient úměrnosti rychlosti signélu d* ďt ^{= V}W ?^e rychlost změny žédané polohy W podle času t.

Tak se signál S, rychlosti ν_χ skutečné polohy X přivédí k proporcionálnímu regulátoru první vlivnosti alfa jako první zpětnovazební signál Z₁ dX ^Z1 ~ “ ^KT ďt kde

Z, = první zpětnovazební signál alfa = první vlivnost

K_T = koeficient úměrnosti rychlosti signélu dX ďt ⁼ ν_χ j® rychlost ν_χ změny skutečné polohy X podle času t.

K integračnímu regulátoru se přivádí signál S, rychlosti ν_χ skutečné polohy X se druhou vlivnosti beta jako druhý zpětnovazební signál Z₂ dX kde

Z₂ = druhý zpětnovazební signál beta = druhá vlivnost

Kg, = koeficient úměrnosti rychlosti signálu dX = rychlost ν_χ změny skuteěné polohy X podle času t.

Déle se signál S₂ rychlosti v^ žádané polohy W přivede k proporcionálnímu regulátoru se třetí vlivností gama jako třetí zpětnovazební signál Z^ dW ^Z3 = ^Y *T ďt kde

Z3 = třetí zpětnovazební signál gama = třetí vlivnost

Kg, = koeficient úměrnosti rychlosri signálu dW = v_B rychlost změny žádané polohy W podle času t. dt

A konečně signál S₂ rychlosti žádané polohy W se přivádí k integračnímu regulátoru se čtvrtou vlivností delta jako čtvrtý zpětnovazební signál Z^ dW ^Z4 ^{= δ K}T ďt kde

Z^ = čtvrtý zpětnovazební signál delta = čtvrté vlivnost

K_T * koeficient úměrnosti rychlosti signálu dW _ = rychlost změny žádané polohy W podle času ti dt

Tím lze dosáhnout toho, že odchylka W-X skutečné polohy X od žádané polohy W zůstává sice při pracovním rovnoměrném pohybu stejné jako dříve, pokud je vypínač 13 ve .vypnutém stavu a vliv čtvrtého signálu Z₊ se neuplatní; při náhlých změnách žádané rychlosti v_w zasáhne však svým předvídavým účinkem třetí zpětnovazební signál Z^ a urychlí přechod celého pohybového ústrojí na novou ustálenou rychlost. Přitom může být hodnota třetí vlivnosti gama rovné nebo meněí než hodnota první vlivnosti alfa. Použije se zde vlastně derivace signálu odchylky skutečné hodnoty X od žádané hodnoty W podle času t. Výsledný signál je možno i vyfiltrovat. Pro tento výsledný signál se v názvosloví regulace obráběcích strojů používá název rychlost vpřed (feed forward). Při ustáleném rovnoměrném pohybu je vlastně rychlost vpřed (feed forward) rovné nule. Při rychloposuvu je možno čtvrtou vlivnost delta volit různou od nuly, ale meněí než druhou vlivnost.

Uplatnit tyto vlastnosti umožňuje nastavení jednotlivých vlivností a jejich vzájemný poměr. Uvedený způsob regulace je možno provádět na regulačním obvodu, který je zapojen takto: První vstup 16 zapojení je spojen se vstupem 101 rozdílového členu £. Výstup 102 rozdílového členu £ je spojen s prvým kladným vstupem 301 druhého součtového členu Jas prvým kladným vstupem 201 prvého součtového členu 2. Výstup 204 prvého součtového členu 2 je spojen se vstupem 401 proporcionálního regulátoru £. Výstup 402 proporcionálního regulátoru £ je spojen s prvým vstupem 601 třetího součtového členu g. Výstup 603 třetího součtového členu 6 je spojen s výstupem £2 zapojení. Druhý vstup 17 zapojení je spojen ae vstupem 801 druhého derivačního členu g. Výstup 802 druhého derivačního členu 8 je spojen se vstupem 1101 třetího děliče 11. Výstup 1102 třetího děliče J£ je spojen se druhým kladným vstupem 202 prvého součtového členu 2. Výstup 802 druhého derivačního členu 8 je déle epojen se vstupem 1201 čtvrtého děliče 12. Výstup 1202 čtvrtého děliče 12 je epojen přes vypínač £J se druhým kladným vstupem 302 druhého součtového členu J. Výstup 304 druhého součtového členu J je spojen se vstupem 501 integrálního regulátoru £. Výstup £Q2 integrálního regulátoru £ je spojen se druhým vstupem 602 třetího součtového členu £. Třetí vstup 18 zapojení je spojen se vstupem 701 prvého derivačního členu £.

Výstup 702 prvého derivačního členu 2 je spojen jednak přes prvý dělič 2 se záporným vstupem 203 prvého součtového členu 2 a jednak se vstupem 1001 druhého děliče 10. Výstup 1002 druhého děliče 10 je spojen se záporným vstupem 303 druhého součtového členu χ. Výstup 802 dx-uhého derivačního členu 8 je déle spojen přes třetí dělič 1 1 se druhým kladným vstupem 202 prvého spučtového členu 2, jehož zéporný vstup 202 je spojen přes první dělič 2 s výstupem 702 prvního deřivačního členu 2·

Na první vstup ič zapojení přichází signál odchylky W-X skutečné polohy X regulovaného prvku od žádané polohy W regulovaného prvku. Tento signál se v rozdílovém členu 1 násobí koeficientem K_D rozdílového členu 1. Za rozdílovým členem i se signál rozděluje na dvě stejné části a vede se na první kladný vstup 201 prvního součtového členu 2 a na první kladný vstup 301 druhého součtového členu 2· Ze druhého vstupu JJ. zapojení přichází signál W žádané polohy. Ve druhém derivačním členu g se tento signál derivuje a násobí koeficientem Kp pohybu při konstantní rychlosti, čímž vzniká signál Kj, v^ rychlosti žádané polohy.

Tento signál se dělí na dvě stejné čésti. Jedna jeho část se vede přes třetí dělič 11 se třetí vlivnoetí gama na kladný vstup 202 prvního součtového členu 2. Druhá část se vede přes čtvrtý dělič J_2 se čtvrtou vlivností delta, a přes vypínač 1.3 na druhý kladný vstup

302 druhého součtového členu 2· ^v obou součtových členech 2 a 2 se signál v_w rychlosti změny žádané hodnoty přičítá k signélu odchylky přicházejícímu z rozdílového členu i. Na třetí vstup 18 zapojení přichází signál skutečné polohy X regulovaného členu. V prvním derivačním členu 7 se tento signál derivuje podle času a násobí se koeficientem K_T, čímž vzniká signál K^, ν_χ rychlosti skutečné polohy. Potom se dělí na dvě stejné čésti, z nichž jedna se přivádí přes první dělič 2 a první vlivnoetí alfa na zéporný vstup 203 prvního součtového členu 2. Druhá jeho část se vede přes druhý dělič 10 se druhou vlivností beta na zéporný vstup

303 druhého součtového členu 2· ^v prvním součtovém členu 2 se tento signál odečítá od součtu signélu v_w rychlosti změny žádané hodnoty a signélu odchylky W-X a přivádí se přes proporcionální regulátor X, ve kterém se násobí koeficientem zesílení K_g proporcionálního regulátoru X; tak vzniká proporcionální a derivační složka výsledného signélu přicházející na první vstup 60£ součtového členu 6.

Podobně se ve druhém součtovém členu 2 odečítá od Boučtu signélu odchylky W-X a signálu rychlosti žádané hodnoty v_w signál ν_χ rychlosti skutečné polohy a výsledek se přivádí do integračního regulátoru 2, ve kterém se integruje a déle se vede nu druhý vstup 602 třetího součtového clenu 6. Ve třetím součtovém členu 6 se signály z obou jeho vstupů sečtou a na jeho výstupu 603 je výsledný regulační signál, který je též na výstupu 19 zapojení. Výsledný regulační signál na výstupu 19 zapojení obsahuje px-oporcionélní, derivační i integrační složku a může již budit koncový zesilovač,

Při zapnutí rychloposuvu se sepne vypínač 13 a součet věech tři signálů na vstupech druhého součtového členu 2 se ustélí na nule působením integračního regulátoru 2> který tak dlouho opravuje výslednou dráhu, pokud nemá na svém vstupu 501 nulový součtový signál. Při vypnuti vypínače 13 přestane působit čtvrtá vlivnost delta, to znamená, že její působení na regulaci je rovno nule. Protože ostatní vlivností, to je první vlivnost alfa, druhé vlivnost beta a třetí vlivnost gama, jsou nenulové, působí v signálu derivace odchylky podle času při změnách rychlosti tak, že tlumí kmity pohybujícího se aervomechanismu až do aperiodického stavu. To je zvláště důležité v regulačních obvodech pro regulaci polohy nástroje číslicově řízeného obráběcího stroje, kde nástroj nesmí překmitnout přes svoji koncovou polohu.

Vynálezu so využije zvláště při regulaci polohy nástroje u číslicově řízených obráběcích strojů.

Claims (2)

1. Způsob regulace polohy, vyznačující se tím, že signál nesoucí informaci o skutečná poloze ae nejprve derivuje a potom se větví na dva signály, z nichž každý se násobí jinou konstantou, takže vznikají dva derivované signály skutečná polohy s různou vlivnostl, a stej ným způsobem se signál žádané polohy nejprve derivuje a potom větví na dva signály, z nichž každý se násobí jinou konstantou, takže vznikají dva derivované signály žádané polohy β různou vlivností, načež se od součtu signálu odchylky s derivovaným signálem žádané hodnoty s jednou vlivností odečte derivovaný signál skutečné polohy s jednou vlivnostl a výsledný signál se násobí proporcionální konstantou, čímž vzniká první sčítanec výsledného signálu, a podobně se od součtu signálu odchylky s derivovaným signálem žádané polohy se druhou vlivnostl odečte signál derivované skutečné polohy se druhou vlivností a výsledný signál se násobí integrační konstantou a derivuje se podle času, čímž vzniká druhý sčítanec výsledného signélu, přičemž výsledný řídicí signál regulátoru je součtem obou sčítanců.

2. Zapojení obvodu pro regulaci polohy k provádění způsobu podle bodu 1, která sestává z rozdílového členu, součtových členů, proporcionálního regulátoru, integrálního regulátoru, derivačnich členů a děličů, u něhož je první vstup zapojení spojen přes rozdílový člen s prvým kladným vstupem druhého součtového členu a s prvým kladným vstupem prvého součtového členu, jehož výstup je spojen přes proporcionální regulátor s prvým vstupem třetího součtového členu, jehož výstup je spojen s výstupem zapojení, jehož druhý vstup je spojen přes druhý derivační člen se vstupem čtvrtého děliče, jehož výstup je spojen přes vypínač se druhým kladným vstupem druhého součtového členu, jehož výstup je spojen přes integrální regulátor se druhým vstupem třetího součtového členu, přičemž třetí vstup zapojení je spojen přes prvý derivační člen a přes druhý dělič se záporným vstupem druhého součtového členu, vyznačující se tím, že výstup (802) druhého derivačního členu (8) je déle spojen přes třetí dělič (11) se druhým kladným vstupem (202) prvého součtového členu (2), jehož zéporný vstup (203) je spojen přes první dělič (9) s výstupem (702) prvního derivačního členu (7).