Устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий Российский патент 2020 года по МПК B23Q15/18 B23Q11/10 

Изобретение относится к области высокоскоростной обработки деталей, в частности к системам управления охлаждением при обработке изделий на оборудовании с ЧПУ, обеспечивающие преобразование напряжения – ток, передаваемого от микроконтроллера на элемент Пельтье.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство охлаждения режущего инструмента [Патент РФ № 2470757, кл. В23Q 11/10, 2006 (аналог)].

Недостатком данного устройства является то, что в нём не предусмотрен режим, который формирует напряжение на выходе микроконтроллера в зависимости от рассчитываемого значения тока, которое должно быть на элементе Пельтье.

Известно устройство крепления деталей сложной формы для оборудования с ЧПУ [Патент РФ № 2470756, кл. B23Q 3/00, 2006 (прототип)].

Недостатком данного устройства является то, что в нём не предусмотрен режим, который формирует напряжение на выходе микроконтроллера в зависимости от рассчитываемого значения тока, которое должно быть на элементе Пельтье.

Технической задачей является снижение времени для принятия решения о необходимости изменения режима охлаждения изделий за счет преобразования напряжения, поступающего от микроконтроллера в ток для передачи его на элемент Пельтье.

Поставленная задача решается тем, что в устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий содержащее, микроконтроллер, потенциометр, операционный усилитель, биполярный транзистор, резистор, элемент Пельтье, источник питания, введен блок преобразования напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 приведена схема устройства преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий, на Фиг. 2 представлен график для выходной величины сила тока [патент РФ № 2586189, кл. B23Q 11/14, B23B 27/10, 2016], на фиг. 3 представлена диаграмма времени срабатывания устройства преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий.

Устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий содержит микроконтроллер 1, блок преобразования напряжения 2, содержащий три блока вычитателей 10.1, 10.2, 10.3, два блока умножителей 20.1, 20.2, два блока делителей 30.1, 30.2 и сумматор 40.1, потенциометр 3, операционный усилитель 4, биполярный транзистор 5, резистор 6, элемент Пельтье 7, источник питания 8.

Связи в устройстве преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий расположены следующим образом: выход микроконтроллера 1 подключен к входу блока преобразования напряжения 2. Выход блока преобразования напряжения 2 соединен с первым входом потенциометра 3. Второй вход потенциометра 3 заземлен, выход потенциометра 3 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 4. Инвертирующий вход операционного усилителя 4 подключен к эмиттеру биполярного транзистора 5, выход операционного усилителя 4 соединен с входом базы биполярного транзистора 5. Эмиттер биполярного транзистора 5 также подключен к выходу резистора 6, коллектор биполярного транзистора 5 подключен к первому входу элемента Пельтье 7. Второй вход элемента Пельтье 7 соединен с источником питания 8. К входу резистора 6 подключен также первый вход потенциометра 3. Входы блоков вычитатлей 10.1, 10.2, 10.3 соединены с выходом микроконтроллера 1. К входам вычитателя 10.1 подключены от микроконтроллера 1 контакты с сигналами , к входам вычитателя 10.2 подключены от микроконтроллера 1 контакты с сигналами , к входам вычитателя 10.3 подключены от микроконтроллера 1 контакты с сигналами . Выход блока вычитателя 10.1 соединен с первым входом блока умножителя 20.1, к второму входу блока умножителя 20.1 подключен сигнал с константой равной 100, выход блока умножителя 20.1 соединен с первым входом блока делителя 30.1, к второму входу блока делителя 30.1 подключен выход блока вычитателя 10.2, выход блока делителя 30.1 соединен с первым входом блока умножителя 20.2, к второму входу блока умножителя 20.2 подключен выход блока вычитателя 10.3, выход блока умножителя 20.2 соединен с первым входом блока делителя 30.2, к второму входу блока делителя 30.2 подключен сигнал с константой равной 100, выход блока делителя 30.2 соединен с первый входом блока сумматора 40.1, к второму входу блока сумматора 40.1 подключен контакт с сигналом от микроконтроллера 1 , выход блока сумматора 40.1 подключен к входу потенциометра 3.

Устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий работает следующим образом. Напряжение на выходе блока преобразования напряжения 2 рассчитывается следующим образом. На входы блоков вычитателей поступают от микроконтроллера 1 сигналы начальное значение функции принадлежности , конечное значение функции принадлежности и рассчитанное значение силы тока (фиг. 2). Значение силы тока рассчитывается согласно способу, представленному в патенте [РФ № 2586189, кл. B23Q 11/14, B23B 27/10, 2016].

В блоке вычитателя 10.1 осуществляется операция вычитания между требуемым значением силы тока и начальным значением тока по формуле (1):

(1)

Далее в блоке вычитателя 10.2 по формуле (2) вычисляется операция вычитания между конечным значением тока и начальным значением тока (DA):

(2)

По формуле (3), в блоке умножителя 20.1 рассчитывается параметр :

(3)

После нахождения величин и в блоке делителя 30.1 рассчитывается параметр по формуле (4):

(4)

Далее в блоке вычитателя 10.3 определяется разность между конечным и начальным напряжениями по формуле (5):

(5)

После проведения расчетов по формулам (4) и (5), в блоке умножителя 20.2 находится параметр по формуле (6):

(6)

Далее в блоке делителя 30.2 по формуле (7) рассчитается параметр PS2 при делении величины на 100:

(7)

После определения величины по формуле (7), в блоке сумматора 40.1 выполняется расчет выходного значения по формуле (8):

. (8)

В результате на выходе блока преобразования напряжения 2 получается напряжение , которое соответствует значению тока, рассчитанного по способу, представленному в патенте [РФ № 2586189, кл. B23Q 11/14, B23B 27/10, 2016]. Напряжение подается на потенциометр 3. Потенциометр 3 устанавливается на 50%, деля напряжение пополам, то есть на неинвертирующем входе операционного усилителя 4 будет напряжение равное . Операционный усилитель 4 выполнен по схеме повторителя напряжения, следовательно, в точке соединения резистора 6 и инвертирующего входа операционного усилителя 4 напряжение также будет равняться . Таким образом ток эмиттера будет равняться . Как известно в биполярном транзисторе 5 ток эмиттера приблизительно равен ток коллектора , следовательно, на элемент Пельтье 7 будет подаваться ток коллектора равный , и он соответствует значению, которое получено при расчете по способу, представленному в патенте [РФ № 2586189, кл. B23Q 11/14, B23B 27/10, 2016].

Пример расчета результирующего напряжения , в зависимости от требуемого значения силы тока .

Пусть.

Шаг 1. В блоке вычитателя 10.1 осуществляется операция вычитания между требуемым значением силы тока и начальным значением тока по формуле (1):

Шаг 2. В блоке вычитателя 10.2 по формуле (2) вычисляется операция вычитания между конечным значением тока и начальным значением тока (DA):

Шаг 3. По формуле (3), в блоке умножителя 20.1 рассчитывается параметр :

Шаг 4. После нахождения величин и в блоке делителя 30.1 рассчитывается параметр по формуле (4):

Шаг 5. В блоке вычитателя 10.3 определяется разность между конечным и начальным напряжениями по формуле (5):

Шаг 6. После проведения расчетов по формулам (4) и (5), в блоке умножителя 20.2 находится параметр по формуле (6):

Шаг 7. В блоке делителя 30.2 по формуле (7) рассчитается параметр PS2 при делении величины на 100:

Шаг 8. После определения величины по формуле (7), в блоке сумматора 40.1 выполняется расчет выходного значения по формуле (8):

.

Шаг 9. Определение напряжения U потенциометра

Шаг 10. Далее рассчитывается ток эмиттера по формуле , также рассчитывается ток коллектора по формуле

Рассчитанное значение ток коллектора , передаваемого на элемент Пельтье совпадает с расчетом значения требуемого тока .

Разработанное устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий было спроектировано на программируемой интегральной логической схеме Spartan 3E. Временные тесты показали, что расчет напряжения составляет 370 нс (фиг. 3)

Таким образом, предлагаемое устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий снижает время для принятия решения о необходимости изменения режима охлаждения изделий за счет преобразования напряжения, поступающего от микроконтроллера в ток для передачи его на элемент Пельтье.

Изобретение относится к области механообработки деталей и может быть использовано в системах управления охлаждением при обработке изделий на оборудовании с ЧПУ. Устройство содержит микроконтроллер, источник питания, потенциометр, операционный усилитель, резистор и элемент Пельтье. Кроме того, оно снабжено биполярным транзистором и блоком преобразования напряжения, включающим в себя три блока вычитания, два блока умножения, два блока деления и сумматор. Использование изобретения позволяет снизить время для принятия решения о необходимости изменения режима охлаждения изделия за счет преобразования напряжения, поступающего от микроконтроллера, в ток, протекающий через элемент Пельтье, с помощью которого производится охлаждение изделия, что позволяет повысить качество обработки. 3 ил.

Устройство для преобразования напряжения для управления охлаждением изделия при обработке на оборудовании с ЧПУ, содержащее микроконтроллер, потенциометр, операционный усилитель, резистор и элемент Пельтье, один из выводов которого соединен с источником питания, при этом один из выводов потенциометра заземлен, его регулирующий вывод подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а инвертирующий вход операционного усилителя соединен с одним из выводов резистора, отличающееся тем, что оно снабжено биполярным транзистором и блоком преобразования напряжения, включающим в себя три блока вычитания, два блока умножения, два блока деления и сумматор, при этом к первому входу первого блока вычитания подключен выход микроконтроллера для передачи расчетного значения силы тока I_f через элемент Пельтье, к второму входу первого блока вычитания и второму входу второго блока вычитания подключен выход микроконтроллера для передачи начального значения функции принадлежности силы тока I_min через элемент Пельтье, к первому входу второго блока вычитания подключен выход микроконтроллера для передачи конечного значения функции принадлежности силы тока I_max через элемент Пельтье, к первому входу третьего блока вычитания подключен выход микроконтроллера для передачи значения конечного напряжения U_max, а к вторым входам третьего блока вычитания и сумматора подключен выход микроконтроллера для передачи значения начального напряжения U_min, причем выход первого блока вычитания соединен с первым входом первого блока умножения с коэффициентом умножения, равным 100, выход первого блока умножения соединен с первым входом первого блока деления, к второму входу которого подключен выход второго блока вычитания, выход первого блока деления соединен с первым входом второго блока умножения, к второму входу которого подключен выход третьего блока вычитания, выход второго блока умножения соединен с первым входом второго блока деления с коэффициентом деления, равным 100, а выход второго блока деления соединен с первым входом сумматора, при этом выход сумматора подключен к другим выводам потенциометра и резистора, выход операционного усилителя подключен к базе биполярного транзистора, коллектор которого подключен к другому выводу элемента Пельтье, а эмиттер биполярного транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя.