SU1692781A1 - Система управлени приводом портала машины термической резки - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам автоматического управлени  технологическим оборудованием, в частности машинами термической резки и может быть использовано дл  управлени  положением портала машины термической резки. Цель-, повышение точности обработки на шлемах контуров и повышение качества резки путем снижени  динамических ошибок привода портала термической резки. Система, содержаща  устройство числового программного управлени , регул тор скорости, усилитель мощности, приводной двигатель, датчики угла и угловой скорости приводного двигател , снабжена датчиком линейного ускорени  середины портала, усилителем- преобразователем и активным интегродиф- ференцирующим фильтром. Введение обратной св зи по ускорению существенно снижает динамические ошибки по положению портала на изломах вырезаемых контуров , что позвол ет уменьшить отходы, повысить скорость обработки на изломах контуров. 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к устройствам автоматического управлени  технологическим оборудованием, в частности к машинам термической резки, и может быть использовано дл  управлени  положением портала машины термической резки.

Цель изобретени  - повышение точности обработки на изломах контуров и повышение качества резки путем снижени  динамических ошибок привода портала машины термической резки,

На фиг.1 приведена функциональна  схема системы управлени  приводом портала машины термической резки; на фиг.2 - графики, характеризующие качественные процессы движени  центральной точки портала в продольном направлении при обходе

излома контура; на фиг. 3 - то же, при ступенчатом программном воздействии дл  системы управлени  без отрицательной обратной св зи по ускорению центральной точки портала; на фиг.4 и фиг.5 приведены аналогичные процессы, протекающие при наличии отрицательной обратной св зи по ускорению центральной точки портала; на фиг.6 - структурна  схема подключени  активного фильтра к входу регул тора скорости; на фиг.7 - принципиальна  схема активного фильтра, подключенного к входу регул тора скорости.

Система управлени  приводом портала машины термической резки (фиг.1) включает устройство 1 числового программного управлени  УЧПУ, управл ющий сигнал с

15

20

которого идет к входу 2 пропорционально- интегрального регул тора скорости (PC) 3, который подключен к входу усилител  мощности с регул тором тока (РТ-УМ)4, к выходу которого подключен исполнительный 5 двигатель (ИД) 5, кинематически св занный с датчиками 6 и 7 скорости вращени  и угла позорота вала двигател  и редуктором 8, причем сигналы с датчиками 6 и 7 скорости и.угла подключены соответственно к входу 10 9 PC 3 и к входу 10 УЧПУ. Силовой редуктор 8 кинематически св зан с левым 11 и правым 12 боковыми редукторами соответствующих кареток 13 и 14 портальной машины термической резки. Редукторы 11 и 12 представл ют собой механические передачи типа колесо - рейка или винт - гайка, осуществл ющие преобразование вращательного движени  входных валов в синхронное поступательное движение боковых кареток 13 и 14 портальной машины термической резки, жестко св занных с порталом 15. В центре портала 15 установлен датчик линейного ускорени  - акселерометр 16, ось чувствительности которого совпадает с направлением продольного движени  портала 15. Выход датчика 16 ускорени  соединен с усилителем-преобразователем (У-П) 17 сигнала ускорени , а выход У-П 17 - с входом активного фильтра (АФ) 18, выход которого соединен с входом 19 PC 3 след щего привода портала. Возможна реализаци  системы управлени  след щим по положению приводом портала машины термической резки, в которой центральный редуктор 8 отсутствует, а каждый из боковых редукторов 11 и 12 кинематически св зан со своим исполнительным двигателем, управл емым от своего след щего привода.

На фиг.2 и 3 представлены качественные характеристики процессов движени  портала при отсутствии отрицательной обратной св зи по ускорению центральной точки портала; на фиг.2 по контуру с учетом искажений, св занных с колебани ми пор- 45 тала при обходе излома контура без торможени , а на фиг.З - процесса движени  центральной точки портала Xn(t) при ступенчатом программном воздействии - Xnp(t) .50

На фиг.4 и 5 представлены качественные характеристики процессов дёижени  портала при наличии отрицательной обратной св зи по ускорению центральной точки портала, на фиг.4 - по.контур у с учетом 55 искажений, св занных с колебани ми портала при обходе излома контура без торможени ; на фиг.5 - процесса движени  центральной точки портала Xn(t) - при ступенчатом программном воздействии Xnp(t)

25

40

30

35

5

0

0

5 0

и переходного процесса, приведенного к перемещению портала угла поворота ИД - «ид.

На фиг.6 представлена структурна  схема подключени  активного фильтра (АФ) к входу регул тора скорости, содержаща  УЧПУ 1, пропорционально-интегральный регул тор 3 скорости и активный фильтр 18 с передаточной функцией

Л/Ф(Р)КФ- 1+Т1р

1 +Т2р где Кф - коэффициент усилени  АФ;

Ti - посто нна  времени дифференцирующего звена интегродифференцирующе- го контура;

Та - посто нна  времени интегрирующего звена интегродифференцирующег о контура.

Активный фильтр (АФ) осуществл ет преобразование сигнала, пропорционального ускорению центральной точки портала, причем выход активного фильтра 18 соединен с входом 19 пропорционально-интегрального регул тора скорости (PC) 3, 5 имеющего по входам 2, 9, 19 соответствующие коэффициенты усилени  «2, Kg, Kig.

На фиг,7 дан вариант реализации активного фильтра по структурной схеме, представленной на фиг.6, согласно которому активный фильтр 18 реализован на базе операционного усилител  АЧ, причем параметры . Кф, Ti, Та акти вного фильтра 18 определ ютс  значени ми элементов RC- цепей АФ 18:

/Кф2 -г о + г-

Кф Rjv g ; и кф-г- Сф1,Т2

а коэффициенты усилени  пропорционально-интегрально регул тора скорости 3 и его 0 посто нна  времени Трс определ ютс  значени ми RC-цепей РС.З:

0

5

K2 (R3-C3)1:K9

R2

(R4-C3)

ri.

-RT

Kig (R6-C3) ; Трс Сз (Re + Rio). Устройство работает следующим обраTV

зом.

В соответствии с управл ющей программой , наход щейс  в пам ти УЧПУ 1, УЧПУ формирует входное воздействие на пропорционально-интегральный регул тор скорости 3 след щего по положению привода портала 15 машины термической резки, включающего УЧПУ 1, пропорционально- интегральный регул тор 3 скорости, усилитель мощности с регул тором 4 тока, двигатель 5, датчики 6 и 7 скорости вращени  и угла поворота вала ИД 5. С выхода PC 3 сигнал подаетс  на вход РТ-УМ 4, на выходе которого формируетс  напр жение питани   корных цепей исполнительного двигател  5. Вал двигател  5 кинематически св зан с датчиком б угловой скорости вращени  вала двигател  5. Сигнал с выхода датчика 6 подаетс  на вход 9 PC 3 в виде сигнала отрицательной обратной св зи. С помощью отрицательной обратной св зи по скорости обеспечиваетс  настройка привода портала как привода стабилизации скорости , причем посто нна  времени Трс пропорционально-интегрального регул тора 3 скорости (фиг.4), определ ема  произведением значений последовательно включенных резисторов и конденсатора в цепи обратной св зи операционного усилител  (фиг.7), позвол ет компенсировать электромеханическую посто нную времени исполнительного двигател  5.

Привод портала (ПП), замкнутый по положению через УЧПУ 1 с помощью датчика 7 угла поворота вала двигател  5, кинематически св занного через центральный редуктор 8 и боковые редукторы 11 и 12 соответствующих боковых кареток 13 и 14 портальной машины термической резки с порталом 15, обеспечивает управление движением портала.

Возможно управление движением портала машины термической резки, при котором центральный редуктор 8 отсутствует, а каждый из боковых редукторов 11 и 12 кинематически св зан со своим исполнитель- ным двигателем ПП. При этом в соответствии с программой на перемещение портала 15 с выхода УЧПУ 1 на вход 2 PC 3 поступают сигналы, представл ющие собой алгебраическую сумму рассогласовани  между задаеваемым от программы положением портала и оценкой действительного положени  портала 15 машины термической резки, датчиком 7 угла и сигнала, пропорционального скорости изменени  задаваемого от программы положение портала, т.е.

(Xnp-Xn)+Kv .

где 1)2 - напр жение на входе 2 PC 3;

ХПр - программное положение портала 15 машины термической резки;

Хп - оценка действительного положени  портала 15, измеренного с помощью датчика 7 угла; н х

--гг2- , - скорость изменени  ХПр,

Ке - коэффициент усилени  по рассогласованию;

Kv - коэффициент усилени  по скорости .

Выбором коэффициентов усилени  Кв Kv и параметров PC 3 обеспечиваютс  требуемые динамические характеристики (быстродействие , точность, перерегулирование) 5 ПП портала 15 машины термической резки. При высоких скорост х обработки, характерных дл  технологических процессов лазерной резки, и большой ширине обработки, характерной дл  широкопор0 тальных машин термической резки, значительное вли ние на точность обработки оказывают упругоинерционные свойства портала машины термической резки. Возникающие в процессе движени  по программе

5 динамические возмущени  портала 15 привод т к возникновению собственных колебаний портала относительно вынужденных (программных) движений. Как указывалось выше, при движении портальной машины

0 термической резки движение портала 15 осуществл етс  синхронным перемещением левой 13 и правой 14 кареток портала 15 с помощью редукторов 11 и 12, кинематически св занных с центральным редуктором 8,

5 который в свою очередь кинематически св зан с валом исполнительного двигател  5. При реализации синхронного перемещени  левой и правой кареток с помощью двух идентичных ПП центральный редуктор 8 от0 сутствует, а боковые редукторы 11 и 12 кинематически св заны с валами исполнительных двигателей соответствующих СПП, реализованных по схеме, аналогичной схеме на фиг.1. Синхронное

5 перемещение кареток портала 15 вызывает симметричные колебани  портала, причем, как нами установлено, максимальна  амплитуда колебаний соответствует первому тону колебаний, а максимальное смещение

0 имеет место в середине портала 15. Установленный в середине портала датчик 16 усокрени  позвол ет измерить ускорение этой точки портала. После усилени  сигнала датчика 16 ускорени  в усилителе-преобра5 зователе 17 этот сигнал подвергаетс  динамической обработке с помощью активного фильтра 18, вход которого соединен с выходом усилител -преобразовател  17. Активный фильтр обеспечивает необходимую

O коррекцию сигнала отрицательной обратной св зи по ускорению центральной точки портала, в результате чего после подачи сигнала с выхода активного фильтра 18 на вход 19 PC 3 удаетс  значительно улучшить дина5 мические характеристики движени  портала 15, задемпфировав собственные колебани  портала, что позвол ет практически исключить искажение контура на изломе . Демпфирование собственных колебаний портала в зависимости от частоты первого тона симметричных колебаний (при синхронном движении боковых кареток ) обеспечиваетс  настройкой параметров интегродифференцирующего контура

активного фильтра (Кф, Ti, Tiz). Если обозначить передаточную функцию отрицательной обратной св зи по ускорению через F(p), то обратную передаточную функцию системы управлени  ПП машины термической резки с учетом св зи по ускорению можно представить в следующем виде:

ф-1(р)ф-1с(р)-Ьр2Р(р),

s-1 ( л Хпр(р) ,

где ФеЧР)обратна  переХп (р)

даточна  функци  ПП без учета обратной св зи по ускорению центральной точки портала;

причем F(p) Л/ф(р)К19Ку-пКдлу. где Ку-п - коэффициент усилени  усилител - преобразовател  17;

Кдлу - коэффициент усилени  датчика линейных ускорений 16.

Анализ математической модели системы управлени  (без отрицательной обратной св зи по ускорению портала) с учетом первой гармоники собственных колебаний портала в направлении его движени  позвол ет сделать вывод и наличии резонансного всплеска амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПП портала, передаточна  функци  которого может быть представлена как произведение:

(р)ф1(р)н(р),

где Ф1(Р)ДШ. лпр ( р;

передаточна 

функци  след щего привода, замкнутого по положению через датчик 7 угла;

WH(p) - передаточна  функци  портала от вала двигател  5 до перемещени  центральной точки портала (с учетом динамических свойств механических передач от вала ИД 5 до боковых кареток);

Хл(р)- изображение по Лапласу перемещени  центральной точки портала 15;

Хпр(р) - изображение по Лапласу программного воздействи  УЧПУ 1.

Дл  уменьшени  вли ни  частотной характеристики портала WH(j to) на динамику системы управлени  ПП портала машины термической резки и обеспечени  требуемых показателей по точности и качеству переходных процессов необходимо, чтобы в окрестност х частоты первого тона симметричных колебаний портала выполн лось условие:

-1

I (p) | p jwi Фс ЧР) Ip-Jfth,

0

5

0

5

0

причем параметры обратной св зи по ускорению центральной точки портала выбираютс  следующим образом:

Коэффициент усилени  обратной св зи по ускорению К Кф Kig Ky-n Кдлу выбираЈ R

етс  из услови  К -j-

где Е - допустима  ошибка системы управлени  ПП портала машины термической резки при обработке круга с радиусом R при контурной скорости V, откуда могут быть выбраны значени  элементов RC-цепей активного фильтра и пропорционально-интегрального регул тора скорости.

Частота среза ok логарифмической АЧХ отрицательной обратной св зи по ускорению должна быть меньше или равна , причем пересечение ЛАЧХ p2F(p) оси нул  децибелл должно осуществл тьс  с наклоном +20 дб/декад.

Посто нна  времени Т2 интегрирующего звена интегродифференцирующего контура определ етс  по формуле:

Т2 К«СОс.

Посто нна  времени Ti дифференцирующего звена интегродифференцирующего контура выбираетс  из услови :

- ш

где (а - есть решение уравнени 

-1 f,... i ш

5

0

5

0

5

Фс

(j«) I ЈЈ , ПрИ(,

Моделирование процессов движени  портала машины термической резки на ЭВМ подтвердило эффективность предложенной системы управлени  след щим по положению приводом портала. Реализаци  обратной св зи по ускорению портала, измеренному в его середине, позвол ет получить (при соответствующем выборе параметров активного фильтра) практически апериодический процесс на ступенчатое программное воздействие по перемещению портала (фиг.5) и уменьшить искажени  контуров на изломах, что позвол ет повысить качество обработки металла, уменьшить отходы и повысить скорость обработки на изломах контуров.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Система управлени  приводом портала машины термической резки, состо ща  из последовательно соединенных устройства числового программного управлени , регул тора скорости, усилител  мощности с регул тором тока и двигател , причем вал двигател  механически св зан с датчиком угла, датчиком скорости и редукторами кареток портала, выход датчика угла подключен к входу устройства числового програм- много управлени , а выход датчика скорости подключен к второму входу регул тора скорости,отличающа с  тем, , что, с целью повышени  точности обработки на изломах контуров и качества резки путем снижени  динамических ошибок привода портала, она снабжена последовательно соединенными датчиком ускорени  движени  портала, усилителем-преобразователем сигнала и активным интегродифференциру- ющим фильтром, причем датчик ускорени  установлен на середине портала осью чувствительности в направлении движени  портала, а выход активного фильтра подключен к третьему входу регул тора скорости .

   Обход излома  онтура

   Движение портала Фиг. 2

   18

   у

   /3

   /2

   16

   Фиг.1

   ft

   Фиг Л Переходный процесс

   Фиг.5