Следящий электропривод с компенсацией люфта Советский патент 1982 года по МПК G05B11/01 

СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С КОМПЕНСАЦИЕЙ

(54) ЛЮФТА

Изобретение относится к автоматике и преимущественно может быть использовано в машиностроении при создании точных механизмов и машин, в том числе станков с числовым протраммным управлением, промышленных роботов и манипуляторов, особенно тех, рабочие органы которых находятся в экстремальных условиях окружающей среды. Одной из проблем в данной области является разработка следяших приводов, обеспечиваюш нх при наличии люфта в механической передаче между электродвигателем и рабочим органом, наряду с высокой точностью позиционирования, -качественными переходными про цессами при выходе на координату и стабильностью рабочего органа машины в координате высокую производительность за счет сокращения времени позидионирования и длительный срок службы в экстремальных условиях. Известен следящий электропривод с компен сацией люфта, содержащий последовательно соединенные задатчик регулируемой коорди|наты, первый сумматор, первый усилитель. 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 через второй усилитель - со входом второго исполнительного двигателя, вал которого связан со вторым входом силового редуктора 1J. Известен также следящий электропривод с компенсатщей люфта, содержащий последовательно соединенные задатчик регулир уемой координаты, первый сумматор, первый фазовый дискриминатор, pei-улятор пути, второй сумматор, усилитель и исполнительный двигатель, выход которого через последовательно соединенные измерительный редуктор и первыйдатчик положения соединен с вторым входом первого сумматора, через тахогенератор - с вторым входом второго сумматора, через по39819294

следовательно соединенные силовой редуктор,окружающей среды; пониженный срок служэлемент типа лгофт и второй датчик поло-бы для случая использования в экстремальных жения - с из входов третьего сумматора, другой вход которого подключен к выходу задатчика регулируемой координаты, а в ход - к BTOpofvw входу регулятора пути и через реле - к зшравляющему входу переклю чателя, к сигнальному входу которого подключен источник эталонного напряжения, а выход - к третьему входу регулятора пути 2. Указанные электроприводы обладают следую шлми недостаткаг ш:: пониже1шая точность позициогшрования вследствие возникновения ложного нуля следящего электропривода; повышешия колебательность из-за того, что постоянно действующей, основной обратной связью является обратная связь по положеimio рабочего органа, охватывающая люфт сило вого редуктора; относительно узкая область примене1жя из-за невозможности ис1 ользова1шя в механизмах и машинах, рабочие органы которых находятся в жестких экстремальных условиях окружающей среды; пониженный срок службы для случая использования в экстремальшлх условиях. Наиболее близким по техтшческой сущности является следящий электропривод с компенсацией люфта, содержащий последовательно соединенные задатчик регулируемой координаты первый сумматор, первый переключатель, усилитель, двигатель, силовой ред ктор с люфтом и объект регулирования, .выход которого через первый датчик положеш-1Я соединен со вторым входом первого сумматора, второй сумматор, первый вход которого соединен с ВЫ.ХОДОМ задатвдка регулируемой координаты, второй вход через второй датчик положения подключен к выходу исполнительного электродвигателя, а выход через второй переключатель - к второму входу усилителя, вход первого нуль-органа соедднен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом элемента ИЛИ и с входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом элемента И, вход второго нуль-органа соедтшен с выходом второго сумматора, а выход - с. вторым входом триггера через второй элемент НЕ с вторым входом элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛР1, выход которого соединен с первым входом триггера, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго переключателей 3 Однако он обладает следу рщнми недостатками: относительно узкая область примене1ШЯ из-за невозможности использования в механнзмах и машинах, рабочие органы которых находятся в жестких экстремальных условиях условиях; относительно увеличенное время позиционирования. Причина первых двух недостатков заключается в том, что неотт емлемым 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 невозмошюсть использования устройства, IUIH . его короткий срок службы. Причина третьего недостатка заключается в том, что хщкл позикопирования заканчивается выходом в координату как рабочего , так и двигателя, поэтому при 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 бь стродействия электропривода (т.е. сокращение времепи позиционирования) и повышение его долговечности, что влечет за собой возможность применения электропривода в жестких экстремальных условиях окружающей среды, Поставленная цель достигается тем, чго в следящем электроприводе с компенсацией люфта, содержащем элемент сравнения, первый и второй нуль-органы, последовательно соедиHCHiibie задагчик ре улируемои коордитгаты, сумматор, первый переключатель, усилитель, двигатель, выход которого через датчик положения вала двигателя соединен со вторым входом сумматора, а через силовой редуктор с люфтом - с рабочим органом обьекта регулирования, и последовательно соеданенные элемент НЕ, первые элементы И и ИЛИ, триггер и второй переключатель, дополнительно установлены задатчик люфта, четвертый и пятый элементы И, последовательно соединенные задагвдк момента и третий переключатель, последовательно соединенные третий элемент И и второй элемент ИЛИ, последовательно соединенные датчик момента, блок модуля, компаратор и второй элемент И, выход которого соединен с втравляющим входом первого переклюштеля, датчик момента кинематически включен между вгшом двига.g входным валом силового редуктора с люфтом, выход датчика момента соединен со входом второго нуль-органа и первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом третьего переключателя, а выход - с вторым сигнальным входом первого переклющтеля, второй вход компаратора соединен с третьим выходом задатчика момента, а выход - с первыми вxoдa ш тветьего 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 соеданен с третьим входом сумматора, первый выход первого нуль-органа соединен со вторыми входами первого, второго и пятого элементов И, второй выход -- с вторЬш 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 вы ход - к второму входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом тре- тьего 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 положе1шя вала двигател задатчик 10 регулируемой координаты, задатчик 11 люфта, задатчик 12 момента, второй и третий переключатели 13, 14, триггер 15, первый и второй нуль-органы 16, 17, блок 18 модуля, компаратор 19, элемент НЕ 20, первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И 21-25, первый и второй элементы ИЛИ 26, 27, If о - сигнал задания регули руемой координаты, К - сигнал коррекции, М, - сигнал момента натяжения, tfg - сигнал с датчика положения вала двигателя, ц,- сигнал рассогласования по регулируемой коор динате, дл сигнал рассогласования по моменту, Мр - сигнал момента регулирования. Электропривод состоит как бы, из двух различных функциональных частей, а именно: из позиционной следящей системы, в которую входят задатчик 10, сумматор 1, переключатель 3, усилитель 4, двигатель 5, датчик 9, редуктор 7 и рабочий ортан 8, и Из моментной системы регулирования, в которую входят, задатчик 12, элемент сравнения 2, переключатель 3, усилитель 4, двигатель 5, датчик 6, редуктор 7 и регулирующий орган 8. Переключение функциональных Частей электропривода осуществляется с помощью переклю чателя 3 по сигналу с элемента И 22. Устройство работает следующим образом. Задающими сигналами для следящего элек. тропривода являются: задания ре улируемой координаты ( Чт ), поступающий с задатчика 10 на первый вход сумматора 1, разнополярные сигналы коррекции (+ К, -К), 9 9« по величине соответствующие половине люфта и поступающие с задатчика люфта 11 через второй переключатель 13 на второй вход сумматора 1, разнополярные сигналы момента натяжения (+N1, -Мц),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 бьпь достаточным для выбора зазоров в кинематических цепях и меньше момента трогания () рабочего органа 8, сигнал момента регулирования {Мр Мд + + М, гДе ДМ 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 бьггь меньше момен трогания (). Необходимо также учесть, что следящий электропривод предусматривает функционирование в трех режимах, которые автоматически переключаются в зависимости от величины и характера нагрузки и различаются алгоритма ш работы. Первый режим - холостой ход. Исходное состояние привода: рабочий орган 8 находится в заданной координате ( t/ ), положение вала двигателя 5 опережает положение рабочего органа 8 в сторону предществующего движения на величину, соответствующую половине люфга, так как двигатель 5 отработал координату (-i + К), поступающую на сумматор I, зазоры в кинематике выбраны, сигнал рассогласования по положению (fu)), снимаемый с сумматора Г, равен нулю, первый нуль-орган 16 по первому выходу вырабатывает потенциальный сигнал О, поступающий на второй вход второго элемента И 22, на первом входе которого присутствует потенщ1альный сигнал с компаратора 19, так как момент (М), измеряемый датчиком момента 6, по абсолютной величине меньще момента регулирования (Мр), следовательно второй элемент И 22 вьщает сигнал, который удер:)кивает первый переключатель 3 в первом состоянии, когда его выход соединен со вторым входом, позиционная следящая система электропривода оказывается отключенной, а моментная система регулирования - включе1шой, происходи I постоянное поддерж-ание момента натяжения кинематических цепей. При задании новой координаты на выходе умматора 1 появляется сигнщ рассогласоваия, отличный от нуля, исчезает сигнал с ервого выхода псрвото нуль-органа 16, сниается сигнал с выхода вгорого элемента И 22, первый переключатель 3 переходит во второе состояние, ко1-да его вьтход соединен с первым входом, тем самым отключается моментная система Э ектропр тода и включае ся пози11Л01тиая. При этом, в зависимости от полярности сигнала рассогласования, н.а первом шш втором выходе первого нуль-органа 16 появляется сигнал и, соответственно, через третий элемент И 23 и второй элемент ИЛИ 27 или через четвертый элемент И 24 и первый элемент ИЛИ 26 - на третьем или первом входе триггера 15. Если при задании но вой координаты полярность сигнала рассогласова шя по положению оказалась такой же, как и при отработке предыдущей координаты то состоя1ше триггера 15, а, следовательно, и состояния второго переключателя 13 и третье го переключателя 14 не изменяется, полярность сигнала задания коррекции (К) на третьем входе сумматора 1 и сигнала задания момента натяжения (Мд) на втором входе элемента сравнения 2 останется прежней. Сигнал рассогласования по положеггию 2ш - -jj + К Vo с выхода сумматора 1, пройдя первый переключатель 3 и усилитель 4, управляет,- двигателем 5, который прихо- ; дит во враще шс в сторону уменьшения рассогласования и через датшк 6 и редуктор с люфтом 7 без раскрытия зазоров в кинематике выводит opiaH 8 в новую коордд нату. В случае, если при задании новой координаты полярность сигнала рассогласования по положению изменилась по отношению к полярности при отработке нредыд щей координаты, то триггер 15 а за ним второй и третий иереклющтели 13 и 14 изменят свои состод|шя на протквоположньзе, произойдет переключение полярности задающих сигналов в электроприводе. Электропривод выбирает люфт в противопог ложную сторону, а затем, отработав рассогласование с учетом коррекщш, выводит рабошй орган 8 в новую коорданату. На первом выходе первого нуль-органа 16 появляется си нал, который, пройдя второй элемент И 22, попадает на управляющий вход первого переключателя 3 и изменяет eio состояние, в результате чего отключается позиггионная следящая система электропр1{вода н включается мо ментная система регулирования. При этом сиг нал рассогласования по моменту ( М М) с выхода элемента сравнения 2, пройдя первый переключатель 3 и усилитель 4, воздействует на двигатель 5, который поддерживает неодходимое натяжение кинематики ц сторону противоположную нервоначйльиой j гфи этом обеспечивае-тся удержание кинематических пар в стьтке без переме.летгая рабочего органа В практических условиях эксплуатации моlyT появляться внептие механические силовые возмущающие воздействия на рабочий орган 8, выводящий его из координаты. В этом случае микроперемещения рабочею органа 8 через натянутые кинематические цепи редукГора с люфтом 7 воспринимаются датчиком момента 6, сигнал с выхода которого увеличивается, если внещнее 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 валом датчика момента 6 микроперемешения его выходного вала, воспршшмающего через редуктор с люфтом 7 и рабоч1{й орган 8 внещ1ше воздействия, поддерлшвает момент постоянным и равным моменту натяжения (с точностью до оншбки регулирования). Таким образом, двигатель 5, работая в .моментной системе электропривода, следит без раскрытия кинематических зазоров, обеспечивая необходимый натяг, за вынужденным перемещением рабочего органа 8. Даттак положения вала двигателя 9, изменяя это перемещение, изменяет свой выходной сигнал. При этом, на выходе сумматора 1 появляется сигн;ш рассогласования по положению оиределенлой полярности отличный от нуля. Далее возвращение рабочего органа 8 в координату происходит по алгоритму рассматриваемому выше для сдутая задания новой координаты. Второй режим -- активная нагрузка (вертикальное перемещение груза). Этот режим свойственнен подъемным механизмам, погру:юш1о-разгрузочным машинам, промышленным роботам и магшпуляторам. В этом случае, присутствие груза в рабочем органе 8 постоянно (в покое и при движении) воспринимается датадком момента 6, выходной сигнал с которого М, пройдя блок модзля 18, посту,,. компаратор 19, где сравнивается с моментом регулирования Мр. Если М Мр, выходной 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 открьггие первого элемента И 21 и пятого элемента И 25. В результате чего первый переюпочатель 3 окажется во втором состоянии (отключена моментная система регулирования электропривода, включена позиционная система электропривода. ,. кинематически осуществляет груз). При этом полярность сигнала коррекщш, поступающего на сумматор 1, определяется полярностью сигнала момента во время нулевого сигнала рассогласования по положению (сигнал с первого выхода первого нуль-органа 16 открьшает первый элемент И 21 и пятый элемент И 25) посредством второго нульоргана 17, подключенного к выходу датчика момента 6 и вырабатывающего по двум выходам сигналы М О и М О, ко-торы через первый и пятый элементы И 21, 25, первый и второй элементы ИЛИ 26, 27 и триггер 15 управляют вторым переключателем 13. В случае, если при активной нагруэке М Мр, то ра,ботает алгоритм холостого хода, рассмотренный выше. Третий режим пассивная нагрузка характеризуется тем, что нагрузка возникает только при движении. Алгоритм работы в этом режиме полностью совпадает с алгоритмом холостого хода , так как перед перемещени исчезает сигнал с первого выхйда первого нульоргана 16, а, следовательно, отключаются пер вый, 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 электропривода.. На практике чаще всего встречаются в зав симости от конструкции механизма и его назначения сочетания двух режимов работы сле щего привода, или холостой ход и активная нагрузка, или холостой ход и пассивная нагрузка. Преимущества данного устройства по сравнению с известными заключаются в повыщении срока службы при использовании в экстремальных условиях примерно на 3000 ч и уменьшении времени Позиш1онирования при мерно на 1090 ч. Ф О р мула и 3 о бретения Следящий электропривод с компенсащ1ей люфта, содержащий элемент сравнения, первый и второй нуль-органы, последовательно соединенные задатчик регулируемой координаты, сумматор, первый переключатель усилитель двигатель, выход которого через датчик положения .вала двигателя соединен с вторым вхо дом 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, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и долговечности электропривода, в нем установлены эадатчик люфта, четвертый и пятый элементы И, последовательно соединенные задатчик момента и третий переключат тель, 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 кинематичес1СИ включен между валом двигателя и входным 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 компаратора 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, вь1ходы задатчика люфта соединены с сигналь- ными 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 вторюй 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. Источники информации, принят 1е во внимание при экспертизе . , 1.Авторское свидетельство СССР по заявке №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 № 2914086/18-24, кл. G 05 В 11/01, 1980 (прототип).