Автоматизация: смысл и цели

Автоматизация – применение технических средств, освобождающих человека (частично или полностью) от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования материалов, энергии и информации. Цели автоматизации реализуются с помощью автоматизированных систем управления (АСУ), АСУ – это совокупность математических методов, технических средств (основные из них это компьютеры и др. микропроцессорные устройства), их программного обеспечения и организационных комплексов, обеспечивающих управление и контроль параметров автоматизируемых объектов в соответствии с поставленной целью их автономного функционирования. Автоматическое управление – управление техническими системами (средствами) без участия человека Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Общие вопросы автоматизации организации и управления производством решаются на уровне автоматизированных систем управления производством (АСУП) по отраслям. Технологическая подготовка производства по отраслям производится в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП), действующих в соответствии с подготовленной помощью САПР проектной документацией. Непосредственное управление технологическими процессами изготовления запланированной продукции возлагается на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). Эффективность работы предприятия (производительность труда, качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции и т. п.) предполагает возможность оперативного доступа и воздействия к информации разнородного происхождения (технологической, бизнес- процессов) из любой точки промышленной системы, т. е. из любого уровня иерархии объекта управления. Учитывая иерархичность структуры промышленной системы (предприятия), эта задача решается на основе многоуровневой автоматизированной системы управления (АСУ), представленной на рис. 1.9. Уровни АСУ Нулевой уровень (уровень I/O -input/output - ввода!вывода). Включает набор первичных преобразователей (датчиков), исполнительных механизмов и регулирующих органов, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования и предназначенных, соответственно, для ввода первичной (технологической) информации и вывода (реализации) управляющих воздействий. Первый уровень (control — непосредственное управление). Служит для непосредственного автоматического управления локальными технологическими процессами: PLC-системы - для программного управления дискретными процессами и DCS (Distributed Control System, распределенная система управления (РСУ)) - для управления непрерывными процессами с помощью промышленных контроллеров PLC . Необходимость обмена информацией между нулевым и вторым уровнями в темпе реального процесса накладывает достаточно жесткие ограничения на этот режим. Характеризуется следующими показателями: • предельно высокой реактивностью режимов реального времени; • возможностью функционирования в цеховых условиях, т. е. предельной надежностью (на уровне надежности основного оборудования); возможностью автономной работы при отказах комплексов управления верхних уровней. В PLC загружаются программы и данные из компьютеров второго уровня (SCADA-уровень), например, задания (уставки), обеспечивающие координацию и управление агрегатом по критериям оптимальности управления в целом, а на второй выводится оперативная, диагностическая и служебная информация, т. е. данные о состоянии агрегатов, технологического процесса. Второй уровень (SCADА - Supervisory Control and Data Acquisition - сбор данных и диспетчерское управление). Предназначен для отображения (визуализации) данных о производственном процессе и оперативного комплексного управления различными агрегатами при участии диспетчерского персонала. Третий уровень (MES- Manufacturing Execution System - производственная исполнительная система). Выполняет упорядоченную обработку информации о ходе изготовления продукции в цехе, а также является источником необходимой информации в реальном времени для верхнего уровня управления предприятием - планирования ресурсов предприятия (MRP и ERP-уровни) и оптимизации управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического объекта по заданиям, поступающим с верхнего уровня (см. 5.4). Четвертый уровень (MRP - Manufacturing Resource Planning и ERP Enterprise Resource Planning - планирование ресурсов предприятия). Предназначены для автоматизации планирования производства и финансовой деятельности, снабжения и продаж, анализа и прогнозирования и т. д. Задачи, на этом уровне, отличаются главным образом повышенными требованиями к ресурсам (например, для ведения единой базы данных, планирования и управления на уровне предприятия в целом, автоматизации обработки информации в основных и вспомогательных административнохозяйственных подразделениях предприятия: бухгалтерский учет, материально-техническое снабжение и т. п.). Обычно для решения задач данного уровня выбирают универсальные компьютеры, а также многопроцессорные системы повышенной производительности (см. 5.5). Обмен информацией между первым и вторым уровнями АСУ осуществляется на основе локальных промышленных сетей (Profibus, Bitbus и т. п.). Компьютеры второго уровня и выше объединяются в однородную локальную сеть предприятия (типа Industrial Ethernet) . Прямая связь объекта управления и системы управления осуществляется через уровень вводавывода. Управление производственной системой предполагает совокупность целенаправленных воздействий, призванных обеспечить ее эффективное (с точки зрения заданных критериев) функционирование, а его реализация происходит в рамках общей структуры, содержащей два базовых элемента:  объект управления (ОУ);  система управления (СУ). Связь между ОУ и СУ осуществляется на основе обратной связи (ОС). В самом общем виде процесс управления производственной системой может быть проиллюстрирован с помощью схемы. Типичное соединение ОУ и СУ. Обратите внимание на особенность схемы – замкнутый контур на основе информационной обратной связи (ОС), выделенной точечной линией, в котором непрерывно циркулирует информация о состоянии ОУ. Возмущения случайным образом воздействуют на ОУ, мешая его функционированию, а задание – осознанно устанавливается в СУ. Базовая схема взаимодействия объекта управления (ОУ) и локальной одноконтурной системы автоматического управления (САУ) с основными базовыми элементами (датчик, промышленный контроллер и исполнительный механизм). Точечная линия – обратная связь, на основе которой функционирует подавляющее число САУ. Физически реализуется промышленными локальными сетями x – входная переменная; y – выходная переменная; yзад– задающее воздействие; u – управляющее воздействие. ОУ – объект управления; Д – датчик (воспринимающее устройство, первичный преобразователь, сенсор); ИМ – исполнительный механизм (привод); РО – регулирующий орган. Современные производственные системы, обеспечивающие гибкость при автоматизированном производстве, включают:         Станки с ЧПУ, впервые появившиеся на рынке ещё в 1955 году. Массовое распространение началось лишь с применением микропроцессоров. Промышленные роботы, впервые появившиеся в 1962 году. Массовое распространение связано с развитием микроэлектроники. Роботизированный технологический комплекс (РТК), впервые появившиеся на рынке ещё в 1970-80 годы. Массовое распространение началось с применением программируемых систем управления. Гибкие производственные системы, характеризуемые сочетанием технологических единиц и роботов, управляемые ЭВМ, имеющие оборудование для перемещения обрабатываемых деталей и смены инструмента. Автоматизированные складские системы (англ. Automated Storage and Retrieval Systems, AS/RS). Предусматривают использование управляемых компьютером подъемно-транспортных устройств, которые закладывают изделия на склад и извлекают их оттуда по команде. Системы контроля качества на базе ЭВМ (англ. Computer-aided Quality Control, CAQ) — техническое приложение компьютеров и управляемых компьютерами машин для проверки качества продуктов. Система автоматизированного проектирования (англ. Computer-aided Design, CAD) используется проектировщиками при разработке новых изделий и технико-экономической документации И д.р. АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ Инженер-электромеханик по автоматизации технологических процессов и производств имеет дело с современным технологическим оборудованием машиностроительного или приборостроительного производства, которое работает автономно или объединено в группу или в комплекс. Автоматизация производства достигла высокого уровня и уже сейчас можно говорить о целых комплексах высокоавтоматизированного оборудования, цехах-автоматах, а в недалеком будущем – заводах-автоматах. Когда говорят о таком уровне технологического оборудования, имеется в виду, что оно длительное время может работать без участия человека, т.е. автоматически, получив соответствующее задание и материалы для работы. Такое задание может быть получено от человека или от ЭВМ более высокого ранга по отношению к этому оборудованию. А исходные материалы? Это, прежде всего заготовки, из которых предстоит сделать требуемую деталь (изделие), а также инструмент, с помощью которого заготовка может быть превращена в деталь. Итак, заготовка и инструмент. В простейшем случае они могут быть доставлены к этому оборудованию (станку) человеком и им же установлены на станке (закреплены). Если же мы говорим о высокоавтоматизированном оборудовании, тем более в составе комплекса, то в этом случае и заготовки и инструмент будут доставлены на станок автоматически с помощью какого-либо транспортного устройства, переданы на станок и автоматически установлены. После окончания работы готовая деталь будет по этой же транспортной системе доставлена на склад. Мы нарисовали картину действующего в автоматическом режиме комплекса технологического оборудования по изготовлению каких-либо деталей. Давайте остановимся и подумаем. Мы говорим «автоматически» будет установлено. Оборудование действует в автоматическом режиме. Что же такое «автоматически»? 1. Понятие о системе управления технологического оборудования 1.1. От ручного управления к автоматическому Исторически, слово система произошло от греческого слова sýstema, которое означает целое, составленное из частей; соединение которое упорядоченным образом взаимодействует между собой. Каждая часть решает свою задачу и участвует в целом, как элемент, который передает информацию другим. В СУ главный процесс – это процесс передачи информации. В энциклопедии дается следующее определение системы: система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Существует множество определений термина «управление». Управление (control) – осуществление совокупности воздействий выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления [1]. Управление – это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей [2]. Управление – организация и реализация целенаправленных воздействий. Обязательно должна присутствовать цель, в соответствии с которой выбираются средства. Управление может быть ручным или автоматическим. Для управления ТО человек должен быть соответствующим образом подготовлен и перед ним должна быть поставлена цель. В соответствии с целью человек-оператор продумывает последовательность действий, которая представляет программу работы. Для воздействия на ТО должны быть определены средства 1 (рис. 1). Для контроля и измерения детали (выполнены ли заданные размеры) необходима связь 2. Способы контроля могут быть самые разные: звуковые, визуальные, с помощью измерительных средств и т.д. Понятие системы управления, с точки зрения кибернетики отличается тем, что элементы (блоки) связаны необходимостью переработки информации. Обычно на схемах, направления информационных потоков обозначаются стрелками. Автоматизация процесса – это автоматическое управление производственным процессом и его контроль без непосредственного участия человека. Для того чтобы понять функции, которые выполняет система управления, вначале рассмотрим, как осуществляется процесс управления технологическим оборудованием оператором, т.е. человеком. При этом имеет место механизация, т.е. использование машины (станка) при управлении человеком (ручное а) управление). Система «Оператор – объект управления (ОУ)» Использование принципа обратной связи ОС – определяющий основной принцип в реализации функции управления. В варианте ручного управления выделим 2-а крупных элемента ТО (технологическое оборудование) и Оп (оператора) (рис. 1). В этом случае роль человека сводится к восприятию текущей информации, ее переработке (осмыслению), и выдаче управляющих воздействий в соответствии с поставленной целью (заданием). Технологический объект управления – совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям технологического процесса производства. На рис. 1 изображена схема взаимодействия оператора и ТО при механизированном производстве. С помощью контрольно-измерительных средств (например, лимба маховика) оператор получает контрольную визуальную информацию о ходе процесса и, руководствуясь контрольным заданием, целью и программой управления, воздействует (вручную) на исполнительные средства (маховики, посредством которых осуществляется перемещение). При ручном управлении. Оператор имеет задание, которое определяет программу управления. Со стороны оператора подается управляющее воздействие. Информация, поступающая со стороны оборудования к оператору, является контрольной (это визуальная информация). Между оператором и технологическим оборудованием при этом существует прямое воздействие. Основная роль человека сводится к переработке информации и выдаче управляющих воздействий на ТО в соответствии с поставленной целью. Этот процесс складывается из нескольких этапов: Функции человека: - накопление и хранение априорной (известной) информации (процесс изучения конкретного технологического оборудования и порядка работы с ним). С точки зрения автоматизации – это самая сложная функция; - прием исходной информации, содержащей конкретное оперативное задание по управлению объектом (чертежи, технологии); - сбор текущей информации о соответствии хода технологического процесса установленному заданию и о состоянии оборудования и аварийных режимах (вибрации и т.п.); - преобразование различной информации (априорной исходной и текущей) для принятия решений и выдачи управляющих воздействий на объект; - воздействие на органы управления объектом эффекторами (рукой, ногой, голосом) для реализации принятых решений. Недостатки ручного управления: - низкая информационная производительность человека-оператора – тормоз технического прогресса; влияние субъективных факторов человека (настроение, состояние здоровья …); - неэффективность использования человека для переработки больших объемов информации при их повторяемости в каждом конкретном цикле; - невозможность управления человеком-оператором быстропротекающими технологическими процессами. Достоинства: - готовность быстро перейти с одной детали на другую (быстрая переналадка) – мобильность; - универсальность (можно осуществить обработку большой номенклатуры изделий, не выходящих за пределы возможности ТО). Для взаимодействия с внешней средой, человек использует: рецепторы, эффекторы и изоляторы. Внешними называют те органы человека, которыми он непосредственно взаимодействует с внешней средой. Рецепторы – это элементы, с помощью которых человек получает информацию о среде (глаза, уши, слизистые оболочки рта и носа, кожа). Активные органы – эффекторы, которыми человек воздействует на внешнюю среду (руки, ноги, голосовые связки, зубы и т.д.). Изоляторы – элементы, защищающие организм от недопустимых воздействий внешней среды (кожа, слизистая оболочка глаз, носа, рта, ресницы и брови). Некоторые органы одновременно относятся к двум группам. Например, кожа является изолятором и рецептором. Для усиления функций своих внешних органов наши предки стали пользоваться различными приспособлениями. Вероятно, первыми приспособлениями были подходящие по форме и размерам палки, кости крупных животных, камни, которые использовались при добывании пищи и самообороны. С помощью палки можно было усиливать действие не только эффекторов, но и рецепторов, например, нащупывать ею дно при переходе через болото. Были придуманы человеком и приспособления, усиливающие функции изоляторов, например, шкура животного использовалась в качестве одежды. Прошли тысячелетия, и число видов приспособлений стало необозримым. Возросли мощность и совершенство самих приспособлений. Некоторые из них все же и теперь являются всего-навсего усилителями функции внешних органов. Экскаватор, как и лопата, усиливает функцию человеческой руки. Сложный телескоп, как и электронный микроскоп, усиливает функцию зрения. Рупор и появившийся позже мегафон, усиливают функцию голосовых связок. Чтобы уяснить сущность автоматического управления, рассмотрим пути, которыми шел прогресс приспособлений. Один из путей (эвристический) – это путь изобретений и находок. Второй путь – вытеснение более совершенными приспособлениями менее совершенных, по эквивалентным или по своим функциям. Третий путь назовем технологическим. Его сущность – внесение мелких изменений, постепенно улучшающих приспособление. Четвертый путь – конструктивный. Его сущность в том, что новые приспособления создаются как определенные комбинации уже известных. При этом некоторые элементы исходных приспособлений иногда совмещаются. Комбинирование может быть параллельным и последовательным. Наиболее интересен способ получения новых приспособлений, заключающийся в их последовательном соединении. Если в составе приспособления-эффектора имеется аккумулятор энергии, то, присоединив его к искуственному чувствительному органу, можно получить устройство, действующее без непосредственного участия человека. Примером подобного устройства является мышеловка-капкан. Чувствительным органом в ней является мягкий крючок, одним концом удерживающий взведенную пружину (аккумулятор энергии), а на другом конце несущий приманку. Стоит мыши потянуть приманку, и крючок освобождает пружину, захлопывающую капкан. Подобные конструкции и называют автоматами. Автоматы как приспособления, применяемые человеком, замечательны прежде всего тем, что кроме функций внешних органов человека они выполняют некоторые функции его нервной системы. Приведенные автоматы выполняют функцию активного внимания. Так внутренний элемент автомата, с помощью которого происходит описанная передача изменений, называется каналом связи, а сама передача изменений – передача информации. Соединение рецепторов и эффекторов в систему, представляющую собой автомат, приводит к тому, что в автомате образуется внутренний орган: канал связи. Исходящую из рецепторов информацию называют осведомляющей, а поступающую в эффекторы – управляющей. Информация – это отражение внешней среды или будущих действий эффекторов в сигналах. Таким образом, сигналы, передаваемые внутри автомата, во многих случаях подвергаются переработке, и вполне возможно, что в эффектор поступают уже не сигналы, которые были выработаны датчиком информации. Информация возникает внутри автомата в виде изменений состояния канала связи, создаваемых рецептором (датчиком информации, чувствительным органом автомата) в ответ на воздействие внешней среды. Указанные изменения являются сигналами, несущими информацию. Инфомация – это отражение воздействий внешней среды в сигналах, но никак не сами сигналы. Сигналы являются физическими носителями информации. Дополняя, а в дальнейшем заменяя человека, АСУ в известной мере копирует его функциональную структуру. На рис. 2 схематически показаны основные функциональные связи, устанавливаемые в системе человек – технологический объект управления. Для выполнения заданных операций управления человек должен получить ряд сведений, которые принято называть внешней информацией. Эта неизменная информация хранится в памяти оператора и включает основные характеристики технологического процесса и порядок выполнения операций управления в нормальных и аварийных режимах. Очевидно, отбор этой информации должен быть весьма тщательным, так как перегрузка памяти большим количеством цифр и ситуационных событий неизбежно приводит к частичной потере некоторых данных и нарушению порядка операций управления. За изменением технологических характеристик, представляющих собой совокупность управляющих параметров и возмущающих воздействий, человек следит с помощью органов-рецепторов, из которых наибольшую нагрузку несет зрение. Человеку приходится наблюдать за показаниями комплекса приборов, некоторые предельные параметры могут фиксироваться с помощью звуковых сигналов. Восприятие текущей информации также может нарушаться, что вынуждает ограничивать количество индикаторов. Сопоставление исходной и текущей информации и принятие решения осуществляются центральной нервной системой. После выработки управляющей информации в результате принятия решения в периферийную нервную систему поступают сигналы. Их следствием является реализация команд управления с помощью эффекторов – рук, ног, голоса. По аналогичному принципу строится функциональная структура любой АСУ, в том числе и АСУ ТП. На рис. 2 указаны рецепторы, память, мышление, эффекоры, присущие человеку-оператору, и их аналоги в АСУ ТП. Сохраняя в качестве самостоятельных блоки внешней и текущей информации, процессор и устройство связи с объектом, АСУ ТП выполняет две функции: информационную и управляющую. Информационную функцию АСУ ТП ГОСТ 19194-73 определяет как функцию, целью которой является сбор, преобразование, хранение информации о состоянии технологического объекта управления, передача ее для последующей обработки. Управляющая функция АСУ ТП имеет своей целью выработку решений и осуществление управляющих воздействий на технологический объект управления. Как видно, в исполнении задач информационной и управляющей функции принимает участие процессор, совмещающий переработку, хранение и выработку управляющей информации, передаваемой в виде управляющего воздействия технологическому объекту управления по каналам устройства связи. Рассмотрим функциональные блоки, показанные на рис. 2. В блок внешней информации управляющего устройства, содержащий внешнее и оперативное запоминающие устройства, для длительного хранения вводятся априорная информация об объекте и технологические инструкции. В эти же запоминающие устройства от общего пульта управления вводится также исходная оперативная информация о текущем задании. Текущая информация о технологическом процессе с помощью датчиков технологических параметров вводится в блок текущей информации управляющего устройства. Основными узлами управляющего устройства являются процессоры – логические и арифметические блоки, в которых априорная, исходная и текущая информация преобразуется в управляющие команды. Сложность этих устройств зависит от сложности задач, решаемых АСУ. На выходе системы установлены устройства связи с объектом, предназначенные для преобразования управляющих команд в управляющие воздействия достаточной мощности. Управляющее устройство выполняет две функции: 1. Информационная – сбор, хранение и преобразование информации о состоянии ТОУ и процессе управления, а также передачи ее для последующей обработки. 2. Управляющая – выработка упрвляющих воздействий на ТОУ. решений и осуществление При выполнении той и другой функций центральное место отводится процессору. Функции процессора: переработка, хранение и выработка управляющей информации. 1.2. Структура системы автоматического управления оборудованием 1.2.1. Общая структура СУТО Частная цель Общая цель (стратегическая) входные узлы выходные узлы Блок ввода (прием контрольноизмерительной информации) КТИ (канал текущей информации) УУ Блок обработки информации (процессор) Управляющее устройство Контрольноизмерительные устройства (датчики) ТО (станина, консоль) Блок вывода (формирование и выдача управляющих воздействий) УОИ КУВ (канал управляющих воздействий) Исполнительные приводы и механизмы Рис. 3. Структура системы автоматического управления СУ УОИ – узел обработки информации (заменяет оператора) Цель частная (тактическая, переменная) вводится каждый раз на предприятии, реализуется в зависимости от объема дополнительной информации (сведения о конкретной детали, которую надо обработать – управляющая программа). Стратегическая цель – это общая цель, которая подчинена общему назначению оборудования. Реализуется построением устройства, вводится на заводе-изготовителе в соответствии с алгоритмом обработки информации. Понятие СУ шире, чем устройство управления (УУ) СУ = УУ + исполнительные + средства контроля органы на ТО Поскольку практически в большинстве современных СУТО требуется присутствие оператора (для наблюдения за ходом процесса, изменения параметров и уставок, предупреждения аварийных ситуаций), целесообразно в обобщенную структурную схему автоматизированного производства включить оператора (рис. 4). 1.2.2. Канал текущей информации (КТИ) КТИ – совокупность входного блока и источника информации ТО. Особенностью КТИ являются маломощные сигналы передачи текущей информации, так как сигналы идут от датчиков. Задачи, решаемые КТИ: - усиление (ослабление); - приведение сигнала к заданному уровню; - необходимые промежуточные преобразования; - обеспечение помехозащищенности; - гальваническая развязка; - фильтрация; - согласование по форме представления. При передаче сигналов по каналу они могут быть искажены из-за действия помех, поэтому необходима фильтрация. Так как сигнал слабый (от датчиков) возникает необходимость его усиления. 1.2.3. Канал управляющих воздействий (КУВ) Входное воздействие – напряжение порядка 10 В, вообще: напряжения и токи в канале большие, канал мощный. Так как устройства выполняются на основе микропроцессорной техники, возникает необходимость преобразования сигнала (например, с использованием цифро-аналогового преобразователя). Схемы управляемых преобразователей построены на основе управляемых тиристоров или по схеме ШИМ (широтноимпульсная модуляция). 1. В структурно-силовой схеме есть серьезное отличие. В одном случае – питание переменным током, в другом – постоянным (значит должен быть выпрямитель). В качестве двигателя постоянного тока используются высокомоментные двигатели, а еще используются асинхронные двигатели с частотным управлением. Особенностью КУВ являются мощные сигналы передачи текущей информации и управляющих воздействий, так как сигналы идут на исполнительные устройства. Задачи, решаемые КУВ: - усиление по мощности; - согласование по уровню; - преобразование по форме представления сигнала; - индикация (лампы, светодиоды, цифровыеиндикаторы); - гальваническая развязка. 1.2.4. Управляющее устройство Управляющее устройство включает 3 блока: блок ввода; блок обработки информации; блок вывода. Блок ввода Блок обработки информации Блок вывода Блок ввода: прием контрольно-измерительной информации. Блок обработки информации: перерабатывает полученную информацию. Блок вывода: формирует и выдает управляющие воздействия на технологическое оборудование. Управляющее устройство – устройство, которое получает информацию, перерабатывает и формирует управляющее воздействие для технологического оборудования. 1.3. Структура систем автоматизированного управления оборудованием и технологическими процессами Технологическое оборудование Информация для оператора от ТО (состояние инструмента, аварийные ситуации) ОП Изменение состояния ТО (вмешательство оператора) Информация для оператора от УУ (сигнальные лампочки, цифровая индикация) КУВ Управляющее устройство КТИ Изменение установок, параметров; корректирующие воздействия Цели управления Цель управления Рис.4. Обобщенная структура системы автоматизированного управления технологическим оборудованием 6.1 Датчики путевого контроля Датчик путевого контроля (ДПК) и соответственно структурную схему блока путевого контроля (БПК) представим как на рисунке 1.1. Схема усиления и УЧПУ преобразования сигнала ДПК Датчик путевого контроля Устройство связи ДПК с рабочим органом РО Рис.1.1 Структурная схема блока путевого контроля Потенциометрические датчики В реостатных датчиках при перемещении подвижного контакта (движка) изменяется сопротивление между крайними точками реостата и движком. Реостатные датчики бывают проволочными, пленочные и жидкостные. Проволочные датчики выполняются с прямолинейным, кольцевым или спиральным каркасом. Жидкостные (электролитические) датчики могут быть с изменяющимся расстоянием между пластинами для включения по обычной или дифференциальной схемами; с изменяющейся активной поверхностью пластин за счет перемещения одного из электродов , изолирующей пластины или изменения глубины погружения подвижного электрода. Для измерения угла поворота используются электролитические датчики дифференциального типа. К недостаткам жидкостных датчиков следует отнести то, что их можно использовать только в цепях переменного тока из-за разложения электролита и поляризации электродов при постоянном токе. Кроме того, сопротивление электролита зависит от температуры. По этой причине практически применяются только датчики дифференциального типа. Импульсные датчики Принцип работы фотоэлектрического импульсного датчика В качестве ДПК в станках с ЧПУ получили применение фотоэлектрические импульсные датчики. Рассмотрим принцип работы такого датчика (рис 1.13.) 4 2 1 5 РО 3 Рис.1.13. К принципу работы фотоэлектрического импульсного датчика: 1 – осветитель, 2 – линза и диафрагма, 3 – диск с прорезями, 4 – фоточувствительный элемент, 5 – схема усиления и формирования. При перемещении РО происходит вращение кинематически связанного с РО диска с прорезями датчика. При этом осуществляется модуляция светового потока от осветителя на фоточувствительный элемент, который выдает импульсы. Выходные импульсы фоточувствительного элемента подвергаются усилению и суммированию элементом S. В последнее время в таких датчиках изменяются пары «светодиод – фотодиод» с целью повышения надежности и срока службы, поскольку срок службы осветительной лампы составляет 100 – 300 часов. Функциональная схема и временные диаграммы работы устройства для определения направления перемещения РО. a yэ1 d! d T & B1 вых 1(+) e b yэ2 T c На ревер сивный счетчик d2 & В2 вых 2 (-) Рис.1.14 Функциональная схема устройства для определения направления вращения а а d d b b e e c c (-) B2 B2 B1 B1 (+) Рис.1.15. Временная диаграмма работы устройства для определения 7.4.3. Индуктивные импульсные направления перемещения РО ДПК Индуктивные импульсные ДПК. Круговые Линейные Цена импульса Цена импульса ДПК – минимальное перемещение РО при котором формируются выходной импульс (например, 0,1 мм или 0,01 мм). Цена импульса зависит от количества прорезей (или зубцов) диска датчика, схемы формирования импульсов и коэффициента передачи кинематической связи РО с ДПК. Кодовые датчики путевого контроля Принцип работы кодовых датчиков Аналого – цифровое преобразование наиболее просто может быть осуществлено при помощи кодовых шкал. Кодовая шкала состоит из отдельных участков с различными свойствами (активные и пассивные участки). 1 Проводящие ток Прозрачные Непроводящие Непрозрачные Шкала имеет одну или несколько кодовых дорожек, по окружности она разбивается на n делений – уровни квантования . Каждому шагу квантования соответствует один элементарный (пассивный или активный) участок. Графическое изображение шкалы с нанесенными на нее активными или пассивными участками носит название кодовой маски или кодового рисунка шкалы. Разрешающая способность шкалы:   360 n  nn  L n С каждой дорожки шкалы взаимно действуют один или несколько считывающих элементов. Состояние элемента однозначно определяется качеством соответствующего участка шкалы. Если элемент взаимодействует с активным участком, то ему приписываетсяя состояние 1, если с пассивным участком – состояние 0. Совокупность состояния считывающих элементов образует кодовую комбинацию на выходе. Комбинации фиксируются не непрерывно, а в некоторые дискретные моменты времени – тактовые моменты. Один такт рассматривается как перемещение шкалы относительно считываемых элементов на один шаг квантования. Кодовые шкалы могут иметь круговое или линейное исполнение. В первом случае изготавливают в виде барабанов или дисков, во втором – в виде линеек. Датчики с круговыми шкалами служат для преобразования угла поворота в код, а с линейными шкалами для преобразования поступательного перемещения в код. Двоичная линейная шкала Важным признаком классификации кодовых формируемого ими кода. 1. десятичная шкала; 2. двоичная шкала; 3. шкала Грея; пояснение кода Грея (13 – 14 – 15) 4. двоично – десятичная шкала для кода 8421. шкал является вид Методы устранения неоднозначности. Считывание информации с кодовых масок. Погрешности изготовки и сборки кодовых шкал и считывающих элементов вызывают неоднозначность считывания информации. Различают три основных метода устранения ложных кодов: - метод однопеременного кода; - метод логического выбора; - метод дискретизации отсчета. 2 1 1 разряд 2 разряд На числовой границе при смене двух чисел кроме истинных комбинаций возможно появление ложных комбинаций: 00; 11. Каждая из них вызовет погрешность срабатывания датчика положения. Различают три основных метода устранения ложных кодов: - метод однопеременного кода; - метод логического выбора; - метод дискретизации отсчета. 1. Однопеременный код (код Грея). На числовой границе изменяют значение комбинации только в одном разряде 1 2 Код Грея 3 – 4 ------ 111 – 7 1 – 2 ------ 011 – 3 Для исключения подобных ошибок применяют какой – либо из однопеременных кодов, например, код Грея, в котором любое число образуется из предыдущего добавлением к нему или вычитанием одной единицы в каком – либо месте из разрядов. При использовании таких кодов в момент перехода метки с одной ленты на другую возможность подачи ложного сигнала исключается. Десятич 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Код Грея 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 Среди кодов, отходящих от систем счисления, большое практическое значение имеют такие коды, у которых при переходе от одного числа к другому изменение происходит только в одном разряде. Наибольшее распространение получил код Грея, часто называемый циклическим. Код Грея используется в технике аналог – кодового преобразования, где он позволяет свести к единице младшего разряда ошибку неоднозначности при считывании. Комбинации кода Грея соответствующие десятичным числам от 0 до 15 приведены далее. Правило перевода числа из кода Грея в обычную двоичную сводится к следующему: первая единица со стороны старших разрядов остается без изменения, последующие цифры (0 и 1) остаются без изменения, если число единиц им предшествующих, четно, и инвертируются, если число единиц нечетно. Выразим одно из чисел кода Грея, например, 1010 (12) в обычном двоичном коде. Первая единица слева переписывается, следующая цифра будет 1. В этом разряде кода Грея 0 и внутри только одна единица. Далее необходимо записать 0, так как в следующем разряде исходного числа стоит 1 и внутри слова имеется только одна единица. Поскольку перед последующим числом в коде Грея стоят две единицы, то она должна остаться неизменной, т.е. нулем. Таким образом числу 1010 в коде Грея соответствует число 1100. 2. Особенностью метода логического выбора является использование двух щеток для считывания информации с дорожек старшего разряда. Отсюда этот метод получил название метода двойной щетки. Старший Младший Информация сигнала считывает отстающую щетку 2//, затем опережает щетку 2/ . Сигнал на переключение подается щеткой 1 младшего разряда. В тот момент, когда щетка 1 изменяет свое состояние, происходит переключение щеток старшего разряда. Это устраняет возможность появления ложных кодов. 3. Сущность метода дискретизации отсчета заключается в том, что непрерывное считывание заменяем прерывистым, прекращается съем информации на числовой границе. Кодовый диск в этом случае имеет дополнительную дорожку дискретизации, пассивные участки которой располагаются на числовой границе основной дорожки. 2 1 3 Методы считывания информации с кодовых чисел Работоспособность, надежность и долговечность преобразователей в значительной степени зависит от метода считывания информации с первой шкалы. Различают контактное и бесконтактное считывание. Схемы совпадения кодов а 1 1 Исполнительные элементы РВ – «вперед» РС – «стоп» РН – «назад» в 1 1 В 1 С 1 1 Н 1 РВ в а Е в В=а*в С=а*в+а*в Н=а*в РС а в в РН задающее устройство ДОС ….. Р1 Р2 Р3 ….. Р15 Р/15 Р/ 3 Р/2 Р/1 РВ P/1 -E +E P1 P/2 P/3 P2 P/1 P/15 P3 P/2 РС P15 P/3 P/15 РН Принципиальная схема устройства совпадения на релейных элементах В схеме совпадения, работающего в десятичном коде и построенного на основе использования релейноконтактных аппаратов, программа запоминается посредством реле Р0, Р1, Р2…памяти. В зависимости от программы замыкающие контакты тех или иных из этих реле закрываются и во время отработки перемещения остаются закрытыми. И Релейная схема совпадения 5 4 Р5 Р4 При появлении сигнала – перемещение прекращается Р3 6 8 Р8 Р6 9 Р9 7 00 Р00 Р7 10 Р10 20 000 100 Р000 Р100 200 КП Примеры промышленных и кодовых датчиков Кодовые датчики. КП – 3 – шестиразрядный круговой преобразователь. Находит применение в позиционных СЧПУ. Предназначен для использования в измерительных устройствах систем позиционного ЧПУ или цифровой индикации действительного положения РО, в системах ЧПУ («координата С – 68» и «координата С – 70»), а также в специальных устройствах (например, для замены отсчета перемещения по лимбам или желобкам, автоматической установкой РО машины в заданное положение и т.п.). Преобразователь обеспечивает перевод угла поворота вала в элементарный сигнал, определяющую этот угол поворота в десятичном коде; при этом ведется отсчет как целых оборотов, так и долей оборота вала преобразователя. При использовании преобразователя в измерительных устройствах его вал непосредственно или через редуктор соединяется, например, с ХВ станка таким образом, чтобы одному обороту вала преобразователя соответствовало перемещение рабочего органа на 1 мм, тогда положение РО будет определяться в пределах 10 м.с. с дискретностью 0,01 мм. Путевые и конечные переключатели Путевой выключатель независимо от принципа его работы содержит следующие основные функциональные элементы (рис. 1): управляющий элемент 1, как правило, жестко связанный с подвижным рабочим органом контролируемого объекта; чувствительный элемент (преобразователь) 2, преобразующий перемещение контролируемого объекта в какую-либо физическую величину; 1 2 3 4 5 рис. 1. Функциональная схема путевого выключателя релейный элемент 3, преобразующий непрерывный сигнал, поступающий от преобразователя, в дискретный сигнал состояния выключателя (включено или выключено); исполнительный элемент 4, от которого дискретный выходной сигнал состояния выключателя поступает во внешнюю схему управления. Путевой выключатель может содержать усилительный элемент 5. Путевые выключатели могут быть разделены на две большие группы: выключатели путевые контактные и выключатели путевые бесконтактные (ВПБ). По способу воздействия на чувствительный элемент ВПБ могут быть разделены на выключатели механического и параметрического действия. В выключателях первого вида управляющий элемент непосредственно механически воздействует на первичный привод ВПБ, который бесконтактно взаимодействует с чувствительным элементом. В выключателях второго вида в зависимости от положения управляющего элемента, механически не связанного с ВПБ, изменяется какой-либо физический параметр преобразователя. При определённом значении этого параметра изменяется состояние релейного элемента. По физическому принципу действия преобразователи включают в себя следующие виды. Индуктивные выключатели, построенные на измерении индуктивности, взаимоиндуктивности, а также индукционные выключатели. В свой очередь они могут быть построены по следующим схемам: резонансной, автогенераторной, дифференциальной, мостовой, непосредственного преобразования. Магнитоиндуктивные выключатели, которые построены на следующих принципах: эффекте Холла, магниторезисторном, магнитодиодном, магнитотиристорном, герконном. Фотоэлектронные выключатели с элементами: фотодиодными, фототранзисторными, фоторезисторными, фототиристорными. По конструктивному исполнению ВПБ подразделяются на: щелевые, кольцевые (полукольцевые), плоскостные, торцевые, выключатели с механическим приводом, многоэлементные выключатели. По принципу действия контактные путевые выключатели разделяются на три группы. В простейших выключателях прямого действия время срабатывания и контактное нажатие зависят от положения и скорости управляющего упора и приводного элемента переключателя. Такие выключатели используют только при скорости перемещения узлов станка выше 0,6 м/мин. В выключателях полумгновенного действия положение управляющего упора определяет только величину контактного нажатия, а скорость срабатывания остается неизменной. Это позволяет использовать их при скоростях перемещения выше 0,3 м/мин. В самых совершенных выключателях мгновенного действия и скорость срабатывания и контактное нажатие не зависят от положения управляющего упора. Такие выключатели обеспечивают качественную коммутацию электрических цепей при очень малых скоростях – до 0,01 м/мин. Работа подвижных частей путевого выключателя прямого действия серии ВПК2000 показана на рисунке 1,а. Коммутирующее устройство выключателя состоит из пластмассового штока 1, на котором расположены два контакта мостикового типа, образующих размыкающие 2 и замыкающие 3 контактные пары. В пазу штока между двумя мостиковыми контактами находится цилиндрическая пружина 5, создающая контактное нажатие. Вторая пружина 4 установлена между штоком и корпусом путевого выключателя и предназначена для самовозврата коммутирующего устройства в начальное положение после прекращения действия, управляющего упора. Управляющий упор 6, расположенный на движущемся элементе станка, перемещает толкатель 8 с роликом 7 на величину прямого хода А в положение прямого срабатывания, при котором происходит замыкание контактов 3 выключателя (рисунок 1,б). Однако в этом положении контактное нажатие мало и требуется еще некоторый до- полнительный ход Б для того, чтобы сжать пружину 4 и обеспечить номинальное контактное нажатие (рисунок 1,в). Величина дополнительного хода должна быть не менее 3–5 мм. Сумма ходов А и Б дает полный ход приводного элемента В, который должен быть обеспечен перемещающимся упором. Рисунок 1. Работа подвижных частей путевого выключателя прямого действия серии ВПК2000 Описанный путевой выключатель имеет погрешность срабатывания Δ  1  0,05 . Эта погрешность определяется по перемещению приводного элемента и должна быть пересчитана к погрешности позиционирования Δ узла станка по 2 формуле Δ = 2 Δ 1 , где tgα – угол набегания упора. Величина угла α зависит от tgα скорости движения упора и обычно составляет 40° при скорости, меньшей 15 м/мин, и 20° при большей скорости. После прохода управляющего упора пружина 4 возвращает контактную систему в начальное положение. Ролик приводного элемента скользит по задней поверхности упора расположенной под углом сбегания β к направлению движения. Сначала выбирается провал нижней замыкающей контактной пары. После того как шток переместится на величину обратного хода Г, в положении обратного срабатывания замкнутся размыкающие контакты 2. Затем шток переместится на величину дополнительного обратного хода, и путевой выключатель возвратится в начальное положение. Разность положений прямого и обратного срабатывания, измеренная по перемещению приводного элемента, определяет дифференциал хода путевого выключателя. Для определения угла сбегания β и погрешности позиционирования при обратном ходе штока существуют те же нормы, что и при прямом ходе штока. Важно отметить, что такты работы замыкающих и размыкающих контактов смещены во времени. Размыкающие контакты размыкаются несколько раньше, а замыкаются позже, чем замыкаются и размыкаются замыкающие контакты. Такой порядок работы контактов называют прямым. Если угол α = β , то смещение управляющих команд по пути будет одинаковым. Одно и то же коммутирующее устройство в пределах серии путевых выключателей может соединяться с различными приводными элементами, образуя несколько исполнений. Наиболее употребительные приводные элементы показаны на рисунке 2. Рисунок 2. Приводные элементы контактных путевых выключателей Путевые выключатели с приводным элементом в виде толкателя (рисунок 2,а) используют для работы с толкающим, упором, направленные движения которого совпадает с направлением движения привода. Во избежание поломки выключателя ход упора не должен превышать допустимого хода толкателя. Если это условие невыполнимо, то между упором и толкателем должна быть введена упругая механическая связь. При перемещении управляющего упора под углом к направлению движения приводного элемента используют толкатель с роликом или рычаг с роликом (рисунок 2,б, в). Селективный приводной элемент выполнен в виде рычага с роликом, в котором вырезан сегмент (рисунок 2,г). При одном направлении вращения ролик поворачивается на оси и пропускает над собой управляющий упор. Рычаг при этом остается неподвижным. Если упор двигается в другом направлении, он воздействует на цилиндрическую поверхность ролика, поворачивает рычаг, и путевой выключатель срабатывает. Рисунок 3. Путевой выключатель мгновенного действия серии ВК200 В некоторых конструкциях аналогичный эффект получают за счет применения двуплечего рычага с роликом и защелкой. Когда упор двигается в прямом направлений, защелка препятствует складыванию рычага, и путевой переключатель срабатывает. При движении упора в обратном направлении рычаг складывается и свободно пропускает упор над собой. В выключателях прямого действия скорость замыкания и размыкания контактов зависит от скорости управляющего упора, а величина контактного нажатия зависит от его положения. При скорости управляющего упора, меньшей 0,6 м/мин, применение переключателей прямого действия нецелесообразно. При медленном сближении контактов, в момент их соприкосновения, когда контактное давление мало, а переходное электрическое сопротивление контактов значительно, возможно сваривание контактных поверхностей. Эта опасность увеличивается при вибрации и тряске узлов, на которых установлены переключатели прямого действия. Медленное, включение и отключение контактов может привести к появлению ложных сигналов, поступающих в схему управления. Кроме того, при медленном отключении возможно появление электрической дуги, повышающей износ контактов. Таблица 1. Технические данные конечного выключателя ВПК 2000 Номинальная сила Номинальное тока Число Ток напряжение, В продолжительного циклов, млн режима, А Переменный (50 – 60 Гц) 6 2,5  500 Постоянный 4 2,5  220 На рисунке 3 показан путевой выключатель мгновенного действия серии ВК200, в котором эти недостатки в значительной мере устранены. Путевой выключатель серии ВК200 имеет металлический корпус 4. Неподвижные контакты 12 установлены на колодках, изолированных от корпуса. Подвижные контакты 13 расположены на пластмассовом рычаге 11. Рычаг может поворачиваться на оси 10. На той же оси расположена Тобразная планка 6. Приводной элемент выключателя (рычаг 2 с роликом 1) передает движение поводку 3 с шариком 8, поджатым пружиной 9. Когда упор поворачивает рычаг 2, поводок 3, перемещаясь, нажимает на одну из собачек 7, освобождая тем самым планку 6. В результате этого под действием пружины 9 планка с осью 10 поворачивается, что приводит к быстрому перемещению подвижных контактов 13 и мгновенному срабатыванию путевого выключателя. Подвижная система возвращается в начальное положение пружиной 5. Контакты выключателя могут коммутировать ток 6 А при напряжении переменного тока до 500 В и постоянного тока до 220 В. Механическая износостойкость путевого выключателя 5 млн. циклов включенийотключений. Широкое применение в промышленности находят микровыключатели, имеющие высокую надежность, но обладающие меньшими коммутационными возможностями по сравнению с путевыми выключателями нормального исполнения. На рисунке 4,а изображена конструкция микровыключателя серии МП6000. В пластмассовом корпусе 1 расположены неподвижные контакты 8 и 9, закрепленные на металлических втулках 7 и 10. Подвижный контакт 5 рычажного типа выполнен в виде плоской пружины с двумя продольными прорезями. Пружина закреплена на втулке 2, а ее крайние части упираются в вилку 3; изгибаясь, они и образуют устройство мгновенного переключения. Приводной элемент микровыключателя состоит из толкателя 4, который проходит в отверстие в крышке корпуса 6, соединенной с корпусом штифтом 11. Нижняя часть толкателя имеет пластмассовую шайбу со сферической поверхностью. Под воздействием упора толкатель нажимает на среднюю часть плоской пружины 5, которая в положении прямого срабатывания мгновенно переходит в другое положение устойчивого равновесия, переключая контакты микровыключателя. Внешние соединения микровыключателя осуществляются через клеммы 12. Рисунок 4. Микровыключатели: а – серии МП6000; б – типа ВП61 Микровыключатели коммутируют переменный ток до 2,5 А при напряжении 380 В. Рабочий ход микровыключателя равен 0,2 мм, дополнительный ход –0,1 мм. Усилие при прямом ходе составляет (4–6) Н. На рисунке 4,б показана схема микровыключателя типа ВП61, имеющего контакты 4 мостикового типа с двойным разрывом цепи. Это позволяет при малых габаритных размерах микровыключателя коммутировать переменный ток 6 А., Микровыключатель состоит из корпуса 1, контактных стоек 2 с неподвижными контактами и пластмассового толкателя 3. Мостиковый контакт выполнен в виде хлопающей пружины, имеющей два устойчивых положения. При перемещении толкателя пружина выщелкивает и производит мгновенное переключение контактов. Возврат в начальное положение осуществляется пружиной 5. Существуют микровыключатели открытого исполнения, которые встраивают в устройство автоматики. На рисунке 5 приведен пример такого выключателя с механизмом мгновенного действия. Он состоит из пружинного рычажного контактного узла 1 с переключающими контактами, рычажного толкателя 2 с роликом и плоской ускоряющей пружины 3. При нажатии на ролик рычаг 2 поворачивается, и пружина 3 переключает подвижный контакт микровыключателя. Контактное нажатие определяется только настройкой контактного узла и практически не изменяется при дальнейшем повороте рычага 2. Микровыключатели имеют очень малый дополнительный ход приводного элемента. Это требует точного выполнения управляющего упора и неизменности расстояния между корпусом микровыключателя и осью упора. Если эти условия трудно выполнимы, то применяют промежуточные механические элементы, увеличивающие дополнительный ход микровыключателя. Это могут быть телескопические упоры с внутренней пружиной, рычаги первого или второго рода, кулачковые механизмы, направление движения которых перпендикулярно направлению движения приводного элемента микропереключателей. Рисунок 5. Микровыключатель открытого исполнения Бесконтактные путевые выключатели Повышение требований к быстродействию, точности и надежности позиционных систем дискретной автоматики определило необходимость появления бесконтактных путевых выключателей. Бесконтактные путевые выключатели можно разделить на три группы. В бесконтактных путевых выключателях первой группы отсутствует прямое механическое взаимодействие между движущимся узлом станка и приводным элементом. Коммутирующее устройство таких выключателей имеет контактное исполнение. В выключателях второй группы, наоборот, коммутирующее устройство выполнено бесконтактным, а механизм станка имеет прямой контакт с приводным устройством выключателя. Такие путевые выключатели можно назвать электрически бесконтактными. Наконец, путевые выключатели третьей группы представляют собой полностью бесконтактные устройства, в которых движение органов станка бесконтактно передается на путевой выключатель и затем также бесконтактно преобразуется в электрический сигнал. Такие путевые выключатели иногда называют статическими. Примером могут служить путевые выключатели на герконах. Высокая надежность, быстродействие, малые размеры герконов делают эти выключатели перспективными для применения в самых различных областях машиностроения. Принцип действия путевых выключателей на герконах поясним с помощью рисунка 6. Путевой выключатель состоит из прямоугольного постоянного магнита 1 (рисунок 6,а), закрепленного на подвижном узле станка, и геркона 2, установленного на неподвижной базовой детали. Ось магнита параллельна оси колбы геркона. Изменение магнитного потока, проходящего через геркон, имеет сложный характер. Вначале, когда расстояние между герконом и магнитом велико, магнитный поток в зазоре геркона замыкается по пути Φ (штриховая линия на рисунке 1 6,а). Затем этот поток шунтируется одной из пружин геркона и уменьшается до нуля, после чего направление магнитного потока изменится на противоположное, так как расположение полюсов магнита относительно пластин геркона будет изменено. Этот поток обозначен Φ . Геркон может 2 сработать трижды по пути перемещения в зонах I – III. Если подобная последовательность работы геркона недопустима, то необходимо рассчитать магнитную систему так, чтобы Φ был меньше потока срабатывания mi геркона. Добиться этого можно, изменяя конфигурацию постоянного магнита и зазор между магнитом и герконом. Рисунок 6. Путевые выключатели на герконах: а, б – плоская конструкция с подвижным магнитом и подвижным шунтом; в – щелевая конструкция с ферромагнитным экраном На рисунке 6,б приведен пример более компактного путевого выключателя, в котором постоянный магнит 1 и геркон 2 расположены в едином корпусе и неподвижно укреплены на станке. Магнитный поток постоянного магнита замыкается через пластины геркона, контакты которого оказываются в замкнутом положении. С полным элементом станка связан ферромагнитный шунт 3. Когда шунт занимает симметричное положение относительно постоянного магнита, магнитное сопротивление цепи R шунтирования становится значительно меньше магнитного μ1 сопротивления цепи геркона R μ2 , и магнитный ноток замыкается через шунт. Контакты геркона размыкаются. Обе эти конструкции относятся к плоским путевым выключателям. На рисунке 6,в в показана схема щелевого путевого выключателя, у которого постоянный магнит 1 и геркон 2 расположены в общем корпусе, по обе стороны узкой щели. В начальном положении магнитный поток замыкается через геркон, контакты которого замкнуты. В узкую щель выключателя входит ферромагнитный экран 3, укрепленный на подвижном узле станка. В положении срабатывания магнитный поток замыкается через экран, и контакты геркона размыкаются. Герконовые путевые выключатели имеют низкую точность, связанную с малым градиентом магнитного потока и значительным влиянием внешних факторов – температуры, вариации воздушного зазора, внешних магнитных полей. Бесконтактные выключатели второго типа могут иметь бесконтактное коммутирующее устройство, основанное на различных принципах. Наибольшее распространение получили индуктивные путевые выключатели (рисунок 7), основанные на изменении магнитного сопротивления цепи при перемещении приводного элемента. Рисунок 7. Индуктивный путевой выключатель Шток переключателя 1 (рисунок 7,а) связан с якорем 2 магнитной системы. Сердечник 3 с обмоткой 4 закреплен в корпусе. Возврат пока в начальное положение осуществляется пружиной 5. Иногда приводной элемент снабжают ускоряющим механизмом, способствующим более четкому срабатыванию путевого выключателя. В начальном положении якорь удален от сердечника. В этом случае эквивалентный воздушный зазор имеет большую величину. Последнее приводит к тому, что магнитное сопротивление R возрастает. В μ0 положении срабатывания, когда под действием упора шток перемещает якорь так, что полюса якоря располагаются против полюсов сердечника, воздушный зазор уменьшается и магнитное сопротивление R падает. μ Изменение магнитного сопротивления может быть преобразовало в изменение электрических параметров схемы. В дроссельной схеме (рисунок 7,6) катушку путевого выключателя SQ соединяют последовательно с катушкой исполнительного элемента, контактора или реле К. Индуктивное сопротивление катушки путевого выключателя, имеющей W витков, связано с его магнитным сопротивлением формулой: X L = ω  W2 R μ Из формулы видно, что относительное изменение индуктивного сопротивления катушки SQ будет обратно пропорционально изменению магнитного сопротивления. Если магнитное сопротивление уменьшается в 10 раз, то индуктивное сопротивление во столько же раз возрастает. Однако относительное изменение тока в цепи будет меньше, поскольку в ней последовательно включены неизменяемые активное сопротивление катушки путевого выключателя и полное сопротивление исполнительного элемента. Увеличение чувствительности схемы может быть достигнуто включением конденсатора (рисунок 7, в). Это позволяет компенсировать начальное значение индуктивного сопротивления катушки и тем самым увеличить относительное изменение тока. Существуют также трансформаторные схемы бесконтактных путевых выключателей, у которых на сердечнике 3 размещены две обмотки, связанные индуктивно. Одна из них включена в сеть, другая является выходной и подключена к исполнительному элементу. При изменении положения якоря меняются ЭДС выходной обмотки и напряжение, приложенное к исполнительному контактору или реле. Если катушка исполнительного элемента работает на постоянном токе, то в цепь путевого выключателя включают промежуточный выпрямитель. На таком же принципе могут быть построены полностью бесконтактные' индуктивные путевые выключатели, которые можно отнести к третьей группе. Отличительная особенность конструкции – шток 1 отсутствует, а якорь 2 (см. рисунок 7,а) непосредственно установлен на подвижном элементе станка. Точность работы переключателей невелика и, кроме того, существует опасность ложного срабатывания из-за случайного влияния посторонней ферромагнитной детали. В этом отношении лучшие характеристики имеют щелевые путевые выключатели, в которых подвижный якорь входит в узкую щель корпуса. Более широкое распространение получили полностью бесконтактные (статические) путевые выключатели генераторного типа. На рисунке 8 показаны конструкция и схема бесконтактного путевого выключателя серии БВК. В корпусе выключателя 1 (рисунок 8,а) по обе стороны щели расположены два броневых ферритовых сердечника 2. На одном сердечнике намотаны контурная обмотка W и обмотка положительной обратной связи к W , а на втором – обмотка отрицательной обратной связи W . пс ос Рисунок 8. Генераторный бесконтактный путевой выключатель серии БВК Транзисторный генератор помещен в нижнюю часть корпуса и залит эпоксидным компаундом. Схема генератора приведена на рисунке 8,б. Колебательный контур L  C включен в цепь коллектора транзистора VT. к к В начальном состоянии колебания в генераторе не возникают за счет сильной отрицательной обратной связи, осуществляемой катушкой W . В состоянии ос срабатывания в щель корпуса входит неферромагнитный экран 3 толщиной 1–3 мм, который резко уменьшает индуктивную связь между обмотками W к и W . В результате в контуре возникают незатухающие колебания с ос частотой несколько килогерц, а в коллекторной цепи появляется большой выходной ток. После прохода упора в состоянии обратного срабатывания отрицательная обратная связь восстанавливается, и колебания прекращаются. Для стабилизации коллекторного тока при колебаниях температуры применен нелинейный делитель напряжения на резисторах R1, R2 и терморезисторе R3. Стабилизация напряжения питания осуществляется стабилитроном V1. Диод V2, включенный в цепь эмиттера создает нелинейную стабилизирующую связь, которая дополнительно стабилизирует ток коллектора. Промышленностью выпускаются модификации генераторного Путевого выключателя не в щелевом, а в плоском исполнении. Погрешность выключателей типа БВК порядка 0,8 мм; дифференциальный ход, определяющий разность положения прямого и обратного срабатываний, равен 3 мм. Мощность, потребляемая путевым выключателем, не превышает 0,5 Вт. Таблица 2 Технические данные конечного выключателя БВК-201 Номинальное Максимальная сила Погрешност Ток напряжение, В тока нагрузки, мА ь, мм Постоянный 24 83 (  0,5 мм) Технические данные конечных выключателей ВКВ Напряжение Типоисполнение Максимальный Диаметр корпуса, питания пост. выключателя ток нагрузки, А мм тока, В ВКВ-12М-1-X4 0,2 12 12–24 ВКВ-8М-1-X4 0,1 8 Частота срабатывания, Гц 1000 800 Максимальное расстояние воздействия, мм 4 2 Дифференциал хода (не более), мм 0,3 Рисунок. Внешний вид датчика ВКВ-8М-1-Х4 Имеется также большое число оптических приборов для определения приближения. Они состоят из базового чувствительного элемента и схемы его сопряжения с измерительной системой. В рассматриваемых приборах реализуются два способа определения приближения: прямой (непосредственный) или сканирование и отражение (рисунок 9). Отражающие приборы могут быть ретро-рефлективными (рисунок 9,а), когда источник света и чувствительный элемент размещаются вместе, а излучаемый свет отражается обратно и проходит вдоль того же пути, что и падающий. В зеркальном приборе (рисунок 9,б) луч от источника и отраженный луч света находятся под некоторым углом друг к другу и отражаются от поверхности тела как от зеркала. В диффузных приборах используется прохождение света через матовую поверхность тела (рисунок 9,в). Рисунок 9. Принципы действия оптических приборов для определения приближения Сейчас уже имеются оптоэлектрические переключатели со скоростью реакции примерно 0,5 мс, интервалом срабатывания около 30 мкм и дистанцией срабатывания в несколько десятков миллиметров. Принципиальная схема показана на рисунке 10 Рисунок 10. Принципиальная схема оптоэлектрического переключателя Конструктивно фотодатчик представляет собой корпус 1 определенной конфигурации, и котором размещены оптоэлектронная пара 3, 4, плата 2 с электронной схемой обработки сигнала и жгут для присоединения датчика к электрической схеме модуля (рисунок 11). Паз в корпусе датчика служит для взаимодействия с контролируемым объектом или флажком рабочего органа исполнительного механизма. Для контроля крупногабаритных объектов (до 100 мм) предусмотрена модификация фотодатчика с вынесенной оптоэлектронной парой. Рисунок 11. Конструкция фотодатчика Фотодатчики комплектуются электронными схемами обработки сигнала двух типов: с регулировкой порот чувствительности датчика и индикацией его состояния и без регулировки. Схема включения пары светодиод HL – фототранзистор VT1 дана на рисунке 12, а. В этой схеме использованы излучающий диод АЛ107А и фототранзистор ФТ-2К. На принципиальной электрической схеме фотодатчика с регулированием порога чувствительности функцию порогового устройства выполняет микросхема интегрального таймера ДА1 (рисунок 12, б). Для регулирования чувствительности датчика служит подстроечный резистор R2. Светодиод HL1 является индикатором выходного сигнала датчика. Фильтрующие емкости Cl, C2 обеспечивают защиту от радиопомех. Токозадающий резистор R1 игрист роль ограничителя. Рисунок 12. Схема включения оптронной пары (а) и принципиальная схема фотодатчика (б) Общая характеристика и классификация приводов технологического оборудования 1.На первое место выходят приводы координатных перемещений. Станочные приводы можно разделить на : 1. Основные  Приводы главного движения  Приводы подач 2. Вспомогательные Вспомогательные приводы относительно простые . Чаще всего в них используется асинхронный двигатель. Работают по принципу : включеновыключено. Под приводом понимается устройство, состоящее из исполнительного двигателя. Преобразовательного устройства для управления этим двигателем . механической передачи рабочего органа и устройства управления с элементами защиты. Приводы бывают: 1.Гидравлический. Привод применяется в основном в специальных станках , а также в приводе главного движения , в различных манипуляторах.  Свойство несжимаемости обеспечивает неплохие параметры привода , обладает хорошими динамическими характеристиками. Первые следящие приводы были гидравлические.  Наличие автономной гидростанции , а она является существенным источником шума . Необходимость системы трубопроводов , которая ухудшает эстетический вид. Высокая стоимость гидравлических исполнительных элементов так как они требуют высокой точности изготовления. Наличие специалиста по квалификации гидравлика. Наличие специальных средств энергоносителей. Наличие специальных средств защиты от утечек ( сальники , прокладки ) . 2.Пневмопривод. Применяется в основном в робототехнических устройствах , в станочных почти не используется , а используется как вспомогательный . В простых роботах пневмопривод применяется ограниченно в основном – электропривод.  Центральная пневмосеть может быть использована как источник энергии.  Сжимаемость воздуха , поэтому мала точность . Необходимость наличия трубопровода. 3.Электропривод . Электроприводом называется машинное устройство , осуществляющее преобразование электрической энергии в механическую и обеспечивающее электрическое управление преобразованной механической энергией. Применяется в простых роботах. Рис. Структурная схема электропривода. ЭД - электродвигатель ЭЭ - электрическая энергия МЭ - механическая энергия ИО – исполнительный орган МПУ – механическое передаточное устройство ИЭЭ – источник механической энергии ПУ – преобразовательное устройство УУ – управляющее устройство СУ – система управления МД – механическое движение Электропривод (ЭП) состоит из двух основных частей: 1. Силовой части , включающей электродвигатель и устройство для передачи механической энергии рабочему органу; 2. Система управления содержащая командные органы, устройства для формирования свойств электропривода и защитные средства. Основная функция электропривода- приводить в движение рабочий механизм. За счёт получаемой энергии исполнительный орган совершает требуемое механическое движение, обеспечивая тем самым выполнение производственных и технологических операций: перемещение грузов, обработку деталей. Достоинства электропривода. 1) Современный электропривод обладает очень высокими динамическими характеристиками , которые не уступают характеристикам гидропривода . Динамика может быть охарактеризована как полоса пропускания : 150-200 Гц . 2) Возможность изготовления электродвигателей на самые разнообразные мощности и скорости движения. Диапазон мощностей современного электродвигателя колеблется от сотых долей ватта до десятков тысяч киловатт, а пределы частоты вращения - от долей оборота вала в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту; 3) Возможность создания электроприводов для работы в самых разнообразных условиях (при низких и высоких температурах, космос и тд. Разнообразие конструктивных исполнений электродвигателей позволяет осуществлять рациональное сочленение электропривода с рабочей машиной. 4) Возможность с помощью простых средств реализовать разнообразные и сложные виды движения исполнительных органов рабочих машин, а также изменять направление движения и его параметры – скорость , ускорение. 5) Легкость автоматизации производственных и технологических процессов. Простота включения электропривода в общую автоматизированную систему управления производством. 6) Высокий КПД электропривода, надежность в эксплуатации, благоприятными условиями для обслуживающего персонала, экологичность. Классификация электроприводов 1. По принципам регулирования скорости движения.  нерегулируемые ( ИО приводится в движение с постоянной скоростью )  регулируемые ( путём воздействия на ЭП скорость ИО изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса)  позиционные (ЭП обеспечивает регулирование положения ИО рабочей машины)  программно – управляемые (ЭП обеспечивает перемещение ИО в соответствии с заданной программой )  следящие ( с помощью электропривода воспроизведение перемещения ИО в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом )  адаптивные ( электропривод автоматически обеспечивает оптимальный режим движения исполнительного органа при изменении условия его работы )