Следящий электропривод с компенсацией люфта

 

ОП ИСАНИЕ

И306РЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик и>981929

« Р (5I ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22 05.81 (21) 3290081/18-24 с присоединеииент заявки М (28) Приоритет— (53)М. Кл.

G 05 В 11/01

3Ьоудеротеенньй комитет

СССР ио делаи изобретений и открытий

Опубликовано 15.12.82. Бюллетень М 4б

Дата опубликования описания 15.12.82 (53 ) УД К 621.3 (088.8) (72) Автор изобретения

А. Н. Козлов (71 ) Зая в и тел ь (54) СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С КОМПЕНСАЦИЕЙ

ЛЮФТА

Изобретение, относится к автоматике и преимущественно может быть использовано в машиностроении при создании точных механизмов и машин, в том числе станков с числовым программным управлением, промышленных роботов и манипуляторов, осо5 бенно тех, рабочие органы которых находятся в экстремальных условиях окружающей среды.

Одной из проблем в данной области является разработка следящих приводов, обеспечивающих при наличии люфта в механической передаче между электродвигателем и рабочим органом, наряду с высокой точностью позиционирования, .качественными переходными процессами при выходе на координату и стабильностью рабочего органа машины в координате, высокую производи|ельность эа счет сокращения времени позиционирования и длительный срок службы в экстремальных условиях. 20

Известен следящий электропривод с компенсацией люфта, содержащий последовательно соединенные задатчик регулируемой коорди1наты, первый сумматор, первый усилитель, 2 первый исполнительный двигатель, силовой редуктор и объект регулирования, выход кото рого соединен со вторым входом первого сумматора, датчик момента, вход которого соединен со вторым выходом исполнительного двигателя, а вход через формирователь сигнала управления — с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика момента, а выход через второй усилитель — со входом второго исполнительного двигателя, вал которого связан со вторым входом силового редуктора (1) .

Известен также следящий электропривод с компенсацией люфта, содержащий последовательно соединенные эадатчик регулируемой координаты, первый сумматор, первый фазовый дискриминатор, регулятор пути, второй сумматор, усилитель и исполнительный двигатель, выход которого через последовательно соединенные измерительный редуктор. и первый. датчик положения соединен с вторым входом первого сумматора, через тахогенератор — с вторым входом второго сумматора, через по9 4 окружающей среды; пониженный срок службы для случая использования в экстремальных условиях; относительно увеличенное время позиционирования.

Причина первых двух недостатков заключается в том, что неотъемлемым электрическим функциональным узлом прототипа является датчик положения рабочего органа, который, находясь совместно с самим рабочим органом в экстремальных условиях, предопределяет в зависимости от степени экстремальности или невозможность использования устройства, или. его короткий срок службы. Причина третьего недостатка заключается в том, что цикл позизиционировапия вследствие возникновения

"ложного нуля" следящего электропривода; повышенггая колебательпость из-за того, что постоянно действующей, основной обратной связью является обратная связь по положению рабочего органа, охватывающая люфт силовога редуктора; относительно узкая область применения из-за невозможности использования . в механизмах и машинах, рабочие органы которых находятся в жестких экстремальных условиях окружающей среды; пониженный срок службы для случая использования в экстремальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности является следящий электропривод с компенсацией люфта, содержащий последовательно соединенные задатчик регулируемой координаты, первый сумматор, первый переключа гель, усилитель, двигатель, силовой редуктор с люфтом и объект регулировагпгя, .выход которого через первый датчик положения соединен со вторым входом первого сумматора, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом задатчика регулируемой координаты, второй вход через второй датчик поло>кения подключен к выходу исполнительного электродвигателя, а выход через

40 второи переключатель — к второму входу усилителя, вход первого нуль-органа соединен с выходом первого сумматора, а выход — с первым входом элемента ИЛИ и с входом первого элемента IE, выход которого соединен с первым входом элемента И, вход второго нуль-органа соединен с выходом второго сумматора, а выход — с вторым входом триггера через второй элемент HE с вторым входом элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом триггера, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго переключателей (3).

Однако он обладает следующими недостатками: относительно узкая область примене- 55 ния из-за невозможности использования в механизмах и машинах, рабочие органы которых находятся в жестких экстремальньгх условиях ционирования заканчивается выходом в координату как рабочего органа, так и двигателя, поэтому ри последовательных циклах позиционирования в одну сторону требуется дополнительное время на выбор половины люфта в начале движения и вывод двигателя в координату в конце цикла.

Цель изобретения — повышение быстродей-! ствия электропривода (т.с. сокра,щенке времени позиционирования) и повьгшсние его долговечности, что влечет за собой возможность применения элекгропривода в жестких экстремальных условиях окружающей среды.

Поставленная цель досгигае ся тем, что в следящем электроприводе с компенсацией люфта, содержащем элемент сравнения, первый и, второй нуль-органы, последовательно соединенные зада чик ре|улируемой координаты, сумма гор, первый переключатель, усилитель, двигпел», выход которого через датчик положения вала двигателя соединен со вторым входом сумматора, а через силовой редуктор с люфтом — с рабочим органом объекта регулирования, и последовательно соединенные элемент НЕ, первые элементы И и ИЛИ, триггер и второй переключатель, дополнительно установлены задатчик люфта, четвертый и пятый элеменгы И, последовательно соединенные зада1 гик момента и третий переклю.атель, последовательно соединенные третий элемент И и второй элемент ИЛИ, последовательно соединенные датчик момента, блок модуля, компаратор и второй элемент И, выход когорого соединен с управляющим входом первого персклю гателя, датчик момента кинематически включен между валом двигателя и входным валом силового редуктора с люфтом, выход датчика Mîìåíòà соединен со в ходо м второ го нуль- органа и пе рв ым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом третьего переключателя, а выход — с вторым сигнальным входом первого переключателя, второй вход компаратора соединен с третьим выходом задатчика момента, а выход — с первыми входами тпез 98192 следовательно соединенные силовой редуктор, элемент типа "люфт" и второй датчик положения — с одним из входов третьего сумматора, другой вход которого подклгочен к выходу эадатчика регулируемой координаты, а вы- 5

xop — к второму входу регулятора пути и через реле — к управляющему входу переключателя, к сигнальному входу которого подкл|очен источник эталонного напряжегщя, а выход — к третьему входу регулятора пути (2).

Указанные электроприводы обладают следующими недостаткаги:. пониженная точность по5 9819 тьего и четвертого элементов И и с входом элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, выходы задатчика люфта соединены с сигнальными входами второго переключателя, выход которого соединен с третьим входом сумматора, первый выход первого нуль-органа соединен со вторыми входами первого, второго и пятого элементов И, второй выход — с вторь«м входом четвертого элемента И, третий ip выход — с вторым входом третьего элемента

И, первый выход второго нуль-органа соединен с третьим входом пятого элемента И, а второй выход — с третьим входом первого элемента И, второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу пятого элемента И, а вы. ход — к второму входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом третьего переключателя.

Функциональная схема следящего электропривода приведена на чертеже.

Схема содержит сумматор 1, элемент сравнения 2, первый переключатель 3, усилитель 4, двигатель 5, датчик 6 момента, силовой редук; тор с люфтом 7, рабочий орган объекта регулирования 8, датчик 9 положения вала двигателя, задатчик 10 регулируемой координаты, задатчик 11 люфта, задатчик 12 момента, вгорой и третий переключатели 13, 14, трипер 15, первый и второй нуль-органы 16, 17, блок Зр

18 модуля, компаратор 19, элемент НЕ 20, первый, второй, гретий, четвер1ый и пятый элементы И 21 — 25, первый и второй элемен гы ИЛИ 26, 27, Ч". — сигнал задания регулируемой коорди««а1ы, К вЂ” сигнал коррекции, 35

Ми — сигнал момента натяжения, g> — сигнал с датчика положения вала двигагсля, 8 â сигнал рассогласования по регулируемой координате, E > — сигнал рассогласова««ия по моменту, М вЂ” сигнал моменra регулирования.

P 40

Электропривод состоит как бы, из двух различных функциональных час«ей, а именно: из позиционной следящей системы, в которую входят задатчик 10, cyMл«а ор 1, переключатель 3, усилитель 4, двигатель 5, дат45 чик 9, редуктор.7 и рабочий орган 8, и из моментной системы регулирования, в которую входят. задатчик 12, элемент сравнения 2, переключатель 3, усили1ель 4, двиг атель 5, датчик 6, редуктор 7 и регулирующий орган 8.

Переключение функциональных частей электро- привода осуществляется с помощью переключателя 3 по сигналу с элемси1а И 22.

Устройство работает следующим образом.

Задающими сигналами для следящего злек.тропривода являются: сигнал задания регулируемой координаты (×3 ), поступак«ший с задатчика 10 на первый вход сумматора 1, разнополярные сигналы коррекции (+ К, -К), 29 6 по величине соответствующие половине люфта и поступающие с задатчика люфта 11 через второй переключатель 13 на второй вход сумматора 1, разнополярные сигналы момента натяжения (+Мн, -Мн), поступающие с задатчика моментов 12 через третий переключатель

14 на фторой элемент сравнения 2 и по величине соответствующие развиваемому электродвигателем 5 в режиме натяжения моменту, который должен быль достаточным для выбора зазоров в кинематических цепях и меньше момента трогания (М ) рабочего органа

8, сигнал момента регулирования (Мр = Мн +

+ М, где ЬМ = максимальная величина перерегулирования), поступающий с задатчика моментов 12 на компаратор 19 и по величине соответствующий максимально возможному значению момента в режиме натяжения, которое в тоже время должно быль меньше момента трогания (Мт ) .

Необходимо также учесть, что следящий электропривод предусматривает функционирование в трех режимах, которые автоматически переключаются в зависимости от величины и характера нагрузки и различаются алгоритма\ ми работы.

Первый режим — "холостой ход".

Исходное состояние привода: рабочий орган

8 находится в заданной координате (1 «);

3 положение вала двигателя 5 опережает положение рабочего органа 8 в сторону предшествующего движения на величину, соответствующую половине люфга, так как двигатель 5 отрабогал координату (11«. + К), поступаюшу«о на сумматор 1, зазоры в кинематике выбраны, сигнал рассогласоваиня по положению (F+), снимаемый с сумматора 1; равен нулю, первый нуль-орган 16 по первому выходу вырабагывает потенциальный сигнал "0", поступающий на второй вход второго элемента

И 22, на первом входе которого присутствует потенц«юльиый сигнал с компаратора 19, гак как момент (М), измеряемый датчиком момен|а 6, по абсол«отной величине меньше момси1a регулирования (Mp), следовательно второй элсмсиг И 22 выдает сигнал, который удерживает первый переключатель 3 в первом солоя««ии, когда его выход соединен со вторым входом, позиционная следящая система электропривода оказывается отключенной, а моме«п на я силе ма регулирования — включенной, происходи i полояииос поддержание момента натяжения кинсма«è÷«.ñêèõ цепей.

При задании иовой координаты на выходе сумматора 1 появляется сигнал рассогласования, о«личный от нуля, исчезает сигнал с первого выхода псрво«о нуль-органа 16, снимается сшиал с выхода вгоро1о элемента

И 22, первый переключатель 3 переходит во

7 9819 второе состояние, когда его выход соединен с первым входом, тем самым Отключается моментная система элекгроп1тинода и вклютается позиционная. При этом, в зависимосги от полярности сигнала рассогласования, на первом или втором выходе первого нуль-органа

16 появляется сигнал и, соответственно, через третии элемент И 23 и второй элеменг ИЛИ

27 или через четвертьш элемент M 24 и первый элемент ИЛИ 26 — на третьем или первом входе триггера 15. Если при задании новой координаты полярность сигнала рассогласования по положению оказалась такой же, как и при отработке предыдущей координаты, то состояние триггера 15, а, следовательно, и состояния второго перекгпочатсля 1о и третьего переключателя 14 не изменяется, полярносп сигнала задания коррекции (К) на третьем входе сумматора и сигнала задания момента натяжения (Мн) на втором

2О входе элемента сравнения 2 останется прежней. Сигнал рассогласования по положеьгию

Яср = Р. + К вЂ” 1,, с выхода сумматора 1, пройдя первый переключатель 3 и усилитель

4, управляет, двигателем 5, котоРый приходит во вращение в сторону уменыцения рассогласования и через датчик момента б и редуктор с люфтом 7 без раскрытия зазоров в кинематике выводи1 рабочий орган 8 в новую координату. В случае, если при за30 дании новой координаты полярность сигнала рассогласования по положению изменилась по отношению к полярности при отработке предыдущей координаты, то триггер

15 а за ним второй и третий переключатели

13 и 14 изменят свои состояния на прогивоположные, произойдет переключеппе поляр. ности зада1ощих сигналов в элек ропривоцс, Электропривод выбирает люфт в противопо-. ложную сторону, а затем, отработав рассогласование с учетом коррекции, выводит рабогий орган 8 в новую координату. На первом выходе первого нуль-органа 16 появляется сигнал, который, пройдя второй элемент И 22, попадает на управляющий вхоц первого переключателя 3 H изменяет егo cocTGIIHHc, rr зультате чего отключается поз>щис1нная следящая система электропривода и включается моментная система регулирования, При этом сигнал рассогласования по моменту (F, Мн

М) с выхода элемеь1та срсаянения 2, пройдя первый перекл1очатель 3 и усилитель 4, воздействует на двигатель 5, который подпсрживает неодходимое натяхсенис кинематики в сторону противоположную первоначйи>ной, при этом обеспечивается удержание кинематических пар в стыке без перемещения рабочего органа 8.

Второй режим — "активная нагрузка" (вергикальное перемещение груза). Этот режим свсйственцен подъемным механизмам, погрузочно-разгрузочным машинам, промышленным роботам и манипуляторам. В этом случае, присутсгвие груза в рабочем органе 8 постояш!О (В покое и при движении) Воспринимается датчиком момента 6, выходной сигнал с которого М, пройдя блок модуля 18, поступает на компаратор 19, где сравнивается с моментом регулирования М . Если М) М, выходпой сигнал с компаратора 19 исчезает, закрываются второй элемент И 22, третий элемент И 23, четвертый элемент И 24, появляется сигнал с элемента НЕ 20, подготавливающий открытие первого элемента И 21 и пятого элемента И 25. В результате чего первый переключагель 3 окажется во втором состоянии (отключена моментная система регулирования злектропривода, включена позиционная следящая система электропривода, натяг кинематически осуществляе г груз).

При этом полярность сиснала коррекщ и, поступающего на сумматор 1, определяется полярВ практических условиях эксплуатации могут появляться внепшие механические сило?9 8 вые возмуща1ощие воздействия на рабочий орган 8, выводящий его из координаты. В этом случае микроперемещения рабочес о органа 8 через натянутые кинематические цепи редуктора с люфтом 7 воспринимаются датчиком момента 6, сигнал с выхода которого увеличиваегся, если внешнее воздействие направлено в сторону противоположную натягу, или уменьшается, если внешнее воздействие направлено в сторону натяга. Эти изменения воздействуют на элемент сравнения 2, с выхода которого возникает сигнал рассогласования по моменту соответствующей полярности, проходящей через первый переключатель

3 и усилитель 4 на двигатель 5. Последний, повторяя входным взлом датчика момента б микроперемешения его выходного вала, воспринимающего через редуктор с люфтом 7 и рабочий орган 8 внешние воздействия, поддерживает момент постоянным и равным моменту натяжения (с точностью до оп ибки регулирования) . Таким образом, двигатель 5, работая в моментной системе электропривода, следит без раскрытия кинематических зазоров, обеспечивая необходимый натяг, за вынужденным перемещением рабочего органа 8.

Датчик положения вала двигателя 9, изменяя это перемещение, изменяет свой выходной сигнал. При этом, на выходе сумматора 1 появляе гся сигнал рассогласования по лоложснию определенной полярности отличный от нуля. Далее возвращение рабочего органа

8 в координату происходит по алгоритму рассматриваемому выше для случая задания иовой координаты.

9 98192 ностъю сигнала момента во время нулевого сигнала рассогласования по положению (сигнал с первого выхода первого нуль-органа 16 открывает первый элемент И 21 и пятый элемент И 25) посредством второго нульоргана 17; подключенного к выходу датнпса момента 6 и вырабатывающего по двум выходам сигналы "М ) 0" и "М < 0", которые через первый и пятый элементы И 21, 25, первый и второй элементы ИЛИ 26, 27 и 1о . триггер 15 управляют вторым переключателем 13. В случае, если при активной нагруз-. ке М < Мр, то работает алгорит-м "холостого хода", рассмотренный выше.

Третий режим "пассивная нагрузка" харак- 11 теризуется тем, что нагрузка возникает только при движении. Алгоритм работы в этом режиме полностью совпадает с алгоритмом

"холостого хода",, так как перед перемещением исчезает сигнал с первого выхода первого нульоргана 16, а, следовательно, отключаются первый, второй и пятый элементы И 21, 22 и

25 и хотя при движении возрастает нагрузка и сигнал с компаратора 19 исчезает при

М .:: Мр, это не изменяет состояния электро- г привода.

На практике чаще всего встречаются в зависимости от конструкции механизма и его назначения сочетания двух режимов работы следящего привода, или "холостой ход" и "активная нагрузка", или "холостой ход" и "пассивная нагрузка".

Преимущества данного устройства по сравнению с известными заключаются в повышении срока службы при использовании в .35 экстремальных условиях примерно на 3000 ч и уменьшении времени позиционирования иримерно на 1090 ч.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

9 10 элемент ИЕ, первые элементы И и ИЛИ, триггер и второй переключатель, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия и долговечности электропривода, в нем установлены задатчик люфта, четвертый и пятый элементы И, последовательно соединенные задатчик момента и третий переключатель, последовательно соединенные третий элемент И и второй элемент ИЛИ, последователь но соединенные датчик момента, блок модуля, компаратор и второй элемент И, выход которого соединен с управляющим входом. первого переключателя, датчик момента кинематически включен между валом двигателя- и входнъ м валом силового редуктора с люфтом, выход датчика момента соединен с входом второго нуль-органа и первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом третьего. переключателя, а выход — с вторым сигнальным входом первого переключателя, второй вход компарато. ра соединен с третьим выходом задатчика момента, а выход. — с первыми входами третьего и четвертого элементов И и с .входом элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, выходы задатчика люфта соединены с сигнальными входами второго переключателя, выход которого соединен с третьим входом сумматора, первый выход первого нуль;органа соединен с вторыми входами первого, второго и пятого элементов И, второй выход — с вторым входом четвертого элемента И, третий выход— с вторым входом третьего элемента И, первый выход второго нуль-органа соединен с третьим входом пятого элемента И, а второй выход— с третьим входом первого элемента И, второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу пятого. элемента И, а выход — к второму входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом третьего переключателя.

Следящий злектропривод с компенсацией люфта, содержащий элемент сравнения, первый и второй нуль-органы, последовательно соединенные задатчик регулируемой координаты, сумматор, первый переключатель, усилитель

I двигатель, выход которого через датчик поло жения .вала двигателя соединен с вторым входом сумматора, а через силовой редуктор с люфтом — с рабочим органом объекта регулирования, и последовательно соединенные

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по за"в ке N 2942069/18-24, кл. G 05 В 11/01, 1980, 2 Авторское свидетельство СССР N 607178, кл. G 05 В 11/01, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2914086/18-24, кл. G 05 В 11/01, 1980 (прототип).

981929

Составитель Г. Нефедова

Техред М.Гергель

Редактор О. Долинич

Корректор Г. Решетник

Тира>к 914

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж -35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9708/65

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4