|
ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Учебник состоит из двух разделов, которым предшествует гл. 1, посвященная проблемам, стоящим перед данной наукой; в I разделе (гл. 2 — 10) изложены общие методы определения кинематических и динамических характеристик механизмов, машин и систем машин, расчет механизмов с учетом упругости звеньев, трения и изнашивания кинематических пар, виброактивность и виброзащита; во 11 разделе (гл. 11 — 18) — методы проектирования схем основные видов механизмов, управление движением системы механизмов. Изложение даио иа основе графических и графоаналитических методов определения параметров механизмов, а также аналитических с использованием ЭВМ
Управление движением системы механизмов
Совокупность механизмов, соединенных между собой определенным образом и предназначенных для выполнения взаимосогласованных движений, подчиненных общим для данной совокупности закономерностям, называют системой механизмов. Система механизмов является основой практически любых современных машин. Разнообразные механизмы обеспечивают требуемое движение звеньев, связанное с преобразованием энергии, состояния, свойств или положения объектов и материалов, с управлением, контролем и регулированием движения рабочих органов машины. Системы механизмов бывают достаточно сложными.
В любой системе механизмов должны быть согласованы параметры функционирования, т. е. положения, скорости и ускорения исполнительных звеньев отдельных механизмов, управляющих и контролирующих устройств. Достижение требуемой цели путем преднамеренного управляющего воздействия на объект или систему называют управлением. Совокупность предписаний (т. е. последовательность и содержание команд), обеспечивающих заданное функционирование системы механизмов, называют программой управления или алгоритмом управления.
Система программного управления
движением механизмов
К системе программного управления относят средства, на которые возложена задача управления работой в заданном режиме функционально взаимосвязанных механизмов. Совокупность средств программного управления, участвующих в выработке по заданной программе управляющих воздействий на исполнительные органы машины и другие механизмы, включает технические средства (приводы, аппараты электроавтоматики, измерительные преобразователи, устройства контроля, адаптации и диагностики, вычислительно-логические устройства, каналы связи и т. п.) и программное обеспечение, осуществляющее организацию процесса управления и реализацию задач управления применительно к конкретной системе механизмов. Для примера на рис. 18.1 представлена принципиальная схема системы механизмов технологической машины, на которой выделены механизмы, предназначенные для обеспечения функционирования машины и выполнения совокупности действий, необходимых для обработки заготовки (материала) и получения изделия с заданными параметрами.
Система, обеспечивающая согласованность перемещений всех исполнительных органов в соответствии с заданной программой управления, называется системой управления машин. Если система управления обеспечивает требуемую согласованность
движения всех исполнительных устройств в зависимости от времени, то ее называют системой управления машины по в р е м е-н и. Если система управления обеспечивает требуемую согласованность движения всех исполнительных устройств в зависимости от их положения, то ее называют системой управления машины п о пути.
В системе автоматического управления (САУ) все управляющие воздействия осуществляются без непосредственного участия человека. При полуавтоматическом и ручном управлении управляющие воздействия выполняются или вырабатываются с участием человека-оператора.
По виду начальной (априорной) информации, включаемой в программу управления механизмами, САУ разделяют на две группы: с полной и неполной начальной информацией (рис. 18.2). В первом случае заданная программа является неизменной («жесткой») и выполняется независимо от получаемых результатов. Только в экстремальных условиях ее выполнение может быть приостановлено, если по каким-либо причинам контролируемые параметры достигли пороговых (предельно допустимых) значений.
Во втором случае с целью оптимального управления неполная начальная информация дополняется текущей информацией, вырабатываемой с помощью различных измерительных и контролирующих устройств и датчиков и используемой для корректировки программы управления. Такие САУ могут быть самоприспособляю-щимися (адаптивными), самонастраивающимися, самоорганизующимися и самообучающимися (рис. 18.2).
В самоприспособляющихся системах оптимальное управление обеспечивается за счет изменения только управляющего воздействия. Например, в системах управления металлорежущими станками самоприспособляющиеся устройства обеспечивают автоматическое приспособление режима работы станка к изменяющимся условиям обработки: снижают продольную подачу суппорта с целью уменьшения прогиба обрабатываемой заготовки, когда текущее значение силы резания превысит заданное пороговое значение.
Адаптивные системы имеют датчики, позволяющие получать информацию от внешней среды и в зависимости от этой информации осуществлять те или иные движения. Например, адаптивные роботы снабжены помимо основной программы дополнительными подпрограммами, позволяющими роботу ориентироваться в окружающей обстановке и изменять режим работы с помощью обратной связи.
В более сложных системах управления достаточно задать конечную цель работы. Используя ЭВМ и информацию о состоянии машины, такие САУ логически оценивают ситуацию и находят оптимальное решение с учетом конкретной обстановки в соответствии с разработанными алгоритмами поиска.
Компоненты устройств, входящих в систему программного управления (СПУ), по своему информационному назначению подразделяют на ранги определенных уровней, которые связаны между собой информационными каналами.
На уровне 1-го ранга СПУ формируется информация с помощью соответствующих преобразователей о положении исполнительных органов, о состоянии системы механизмов и параметрах возмущений, действующих в системе, о правильном ходе рабочих процессов и возникающих неполадках и способах их устранения. Например, на металлорежущих станках по информационным каналам 1-го ранга передается информация датчика обратной связи о положении исполнительных органов; датчиков, измеряющих температурные и силовые деформации, силовые параметры процесса резания, текущий износ инструмента, колебания в системе станок — приспособление — инструмент — заготовка, колебания припуска на заготовке, колебания твердости материала.
Уровень 2-го ранга СПУ — это совокупность исполнительных регулируемых приводов и механизмов: основных, осуществляющих программное перемещение исполнительных органов; вспомогательных, выполняющих различного рода вспомогательные команды; дополнительных, предназначенных для корректирующих и поднала-дочных перемещений.
Уровень 3-го ранга СПУ — это технические средства, входящие в состав системы программного управления, алгоритмы работы которых реализуются схемным путем или с помощью программ, вводимых в их запоминающие устройства.
Уровень 4-го ранга и выше выходит за пределы СПУ конкретного станка, а используется при управлении гибкими производственными системами (ГПС).
По характеру управляющих сигналов САУ разделяют на две группы: дискретные и непрерывные (аналоговые).
В дискретных САУ обязательно наличие устройств, в которых управляющие воздействия изменяются дискретно, т. е. скачками (импульсами) даже при плавном изменении входных величин. Примерами дискретных САУ являются системы, содержащие элементы релейного или импульсного действия. При импульсном действии скачки выходной величины происходят через заданные интервалы времени; при релейном действии — при достижении входной величиной определенных пороговых значений.
Программа в дискретных САУ реализуется в виде совокупности дискретных величин, задаваемых обычно в алфавитно-цифровой форме, зафиксированной на специальных программоносителях (перфорированных картах и лентах, магнитных дисках, лентах и картах или специальных коммутаторах).
Траекторию перемещения звена представляют в виде определенной последовательности элементарных перемещений вдоль координатных осей.
Пример системы механизмов, движение которых осуществляется с помощью дискретных управляющих сигналов, приведен на
рис. 18.3, б. Движение точки А по заданной траектории (3 — (3 осуществляется с помощью электродвигателей Ml и М2, которые могут вращаться одновременно или иметь остановки. Сложная траектория (3 — (3 обеспечивается совместной и согласованной работой двух винтовых механизмов с винтами 2 и 5, получающими вращение от электродвигателей 3 и 4 в соответствии с программой управления. Характерный вид подобной траектории показан на рис. 18.3, б при движении звена из начальной точки с координатами хан, улн до конечной точки с координатами хак, ул к. Последовательность управляющих воздействий для перемещения по осям координат в соответствии с функциональной связью между координатами опорных точек, заданных программой управления, вырабатывается с помощью специальных вычислительных устройств, например, интерполяторов в системах числового программного управления.
В аналоговых САУ значе-ния непрерывных сигналов являются непрерывными функциями времени, которые реализуются в виде изменения каких-либо физических элементов. Примерами аналоговых САУ являются системы с кулачками, распределительными валами, с устройствами изменения угла сдвига по фазе двух напряжений и т. д.
Пример системы механизмов с аналоговой системой управления приведен на рис. 18.3, а. Движение точки А по заданной траектории |3 — (3 осуществляется в результате сложения перемещений: звена 1 (например, продольное перемещение стола металлообрабатывающего станка) и звена 8 (перемещение суппорта), осуществляемых посредством цилиндрического кулачка 4 и вращающегося толкателя 3 и дискового кулачка 6, в контакте с которым находится ролик 7, закрепленный на поступательно движущемся толкателе 8. Источником движения является электродвигатель 5. В качестве программоносителя в данной системе являются профили кулачков, являющиеся аналогами относительных перемещений звеньев 1 и 8. Подобные системы управления называют незамкнутыми САУ
с одним априорным потоком информации прямого действия (без усилителей).
Во многих случаях используют смешанную систему задания алгоритма управления, в которой часть программы реализуется в аналоговой форме, а часть программы — в числовой форме. Например, смешанный способ задания алгоритма управления используется в ряде станков-автоматов для обработки заготовок.
Управление системой механизмов может быть централизованным, децентрализованным и смешанным.
При централизованном управлении обеспечивается выполнение заранее установленной программы, независимой от положения звеньев тех или иных механизмов. Такое управление осуществляется в функции времени программным управлением. Система механизмов при программном управлении функционирует достаточно надежно, но при ее проектировании предусматривают определенные предохранительные устройства, гарантирующие выключение механизмов, торможение или останов двигателей при перегрузках или аварийных ситуациях. При таком управлении команды подаются от распределительных валов, командоаппаратов или с помощью пультов.
При децентрализованном управлении движением механизмов в функции положения звеньев информация передается от упоров, путевых и конечных переключателей и выключателей или иных датчиков положения или перемещения. Надежность функционирования системы механизмов при децентрализованном управлении зависит от надежности датчиков и других элементов системы управления. Децентрализованное управление может быть также с регулированием по заданным режимам работы (например, по давлению, предельной нагрузке, скорости и т.д.).
При смешанном управлении движением системы механизмов используются отдельные элементы централизованного и децентрализованного управления, что обеспечивает большую надежность и универсальность. При смешанном управлении можно уменьшить количество предохранительных устройств, заменив их установкой датчиков, контролирующих выполнение команд или положение звеньев. Например, при работе автоматической линии при смешанном управлении невыполнение какой-либо команды о перемещении звена в определенное положение фиксируется путевым датчиком, по сигналу которого отключается командоаппарат, вал которого при нормальной работе вращается равномерно. При устранении неисправностей командоаппарат включается, что обеспечивает дальнейшее функционирование системы механизмов по системе программного управления.
При смешанном управлении осуществляется наиболее оптимальное сочетание разнообразных требований, обеспечивающих управление по времени, по положению и перемещению звеньев, по ограничиванию режимов движения звеньев и нагрузок на звенья и в кинематических парах. |
