Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных электрогидравлических систем автоматического управления
1.1 Состояние вопроса использования электрогидравлических систем автоматического управления (САУ) в промышленности 9
1.2 Электрогидравлические усилители и электромеханические преобразователи современных гидрофицированных САУ 20
1.3 Магнитострикционные электромеханические преобразователи гидрофицированного промышленного оборудования 33
1.4 Принципы построения электрогидравлических усилителей на основе магнитострикционных электромеханических преобразователей 41
1.5 Постановка цели и задач исследования 46
2 Математическая модель усовершенствованного магнитострищионного электрогидравлического усилителя
2.1 Магнитострикционный электрогидравлический усилитель с самокомпенсацией тепловых деформаций 47
2.2 Математическая модель магнитострикционного электромеханического преобразователя 51
2.3 Математическое описание гидравлического усилительного элемента 68
2.3.1 Управляющий каскад «сопло-заслонка» 69
2.3.2 Исполнительный каскад «следящий золотник» 75
2.4 Математическая модель магнитострикционного электрогидравлического усилителя (МЭГУ) 76
Выводы по разделу 82
3 Экспериментальное исследование магнитострикционного электрогидравлического усилителя
3.1 Методика исследований и экспериментальное оборудование 83
3.2 Экспериментальные исследования магнитострикционного преобразователя 94
3.2 Экспериментальное исследование гидравлического усилительного элемента 104
3. 4 Экспериментальные исследования МЭГУ 109
Выводы по разделу 115
4 Разработка и исследование электрогидравлической САУ промышленным оборудованием
4.1 Обоснование выбора структуры электрогидравлической САУ промышленным оборудованием 117
4.2 Определение передаточных функций динамических звеньев электрогидравлической системы автоматического управления 122
4.3 Анализ устойчивости и качества работы САУ 133
4.4 Экспериментальное исследование характеристик электрогидравлической САУ 139
Выводы по разделу 145
5 Использование электрогидравлических САУ в электроэрозионных станках
5.1 Физические и технологические особенности процесса электроэрозионной обработки (ЭЭО) 146
5.2 Определение технологических режимов процесса ЭЭО 151
5.3 Электрогидравлические САУ процессом ЭЭО 160
5.3.1 Одноконтурная электрогидравлическая система управления 160
5.3.2 Многоконтурная электрогидравлическая система управления 167
5.4 Показатели качества электрогидравлических САУ 174
Выводы по разделу 175
Выводы по работе 176
Список литературы і 177
Приложения 192
- Состояние вопроса использования электрогидравлических систем автоматического управления (САУ) в промышленности
- Магнитострикционный электрогидравлический усилитель с самокомпенсацией тепловых деформаций
- Методика исследований и экспериментальное оборудование
- Обоснование выбора структуры электрогидравлической САУ промышленным оборудованием
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ тенденций характерных для современного машиностроения показал, что одним из важнейших способов повышения качества выпускаемой продукции является повышение степени автоматизации основных и вспомогательных технологических операций. Основную роль здесь играет разработка и внедрение систем автоматического управления (САУ) промышленным оборудованием.
Обзор литературы показал, что в машиностроении широкое распространение получило гидрофицированное промышленное оборудование, для которого разработаны и используются большое количество электрогидравлических САУ.
Одними из основных элементов таких САУ являются электромеханические преобразователи, в которых управляющий электрический сигнал преобразуется в механическое перемещение на входе электрогидравлического усилителя, создающее необходимую разность давлений, для перемещения исполнительного органа. Статические и динамические характеристики электромеханического управляющего устройства и их согласование с характеристиками остальных элементов электрогидравлического усилителя оказывают существенное влияние на работу САУ в целом.
Существующие конструкции электромагнитных электромеханических преобразователей, используемых в САУ, обладают рядом известных недостатков, ограничивающих возможность повышения точности позиционирования исполнительного элемента и его быстродействия. Это, прежде всего, наличие специальных уравновешивающих элементов для обеспечения устойчивости подвижного элемента в промежуточных положениях, чувствительность преобразователя к перепадам давления в контурах САУ, возможность залипання якоря в одном из крайних положений.
Указанных недостатков лишены магнитострикционные электромеханические преобразователи (МЭМП), которые обладают более высокой точностью позиционирования (є=±1 мкм) и быстродействием (длительность переходного про-цесса tu =(4...10)-10- с). Однако эти устройства чувствительны к температурным воздействиям, имеющим место при работе промышленного оборудования, и обладают малым диапазоном перемещений, из-за чего до настоящего времени они не нашли широкого применения в гидрофицированных системах управления. Известные конструкции МЭМП имеют дрейф рабочей точки более 30% от всего диапазона перемещений.
В связи с этим разработка конструкции МЭМП с самокомпенсацией температурных деформаций и реализация на ее основе более совершенных магни-тострикционных электрогидравлических усилителей (МЭГУ) для повышения качества САУ промышленным оборудованием, является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение качества электрогидравлических систем автоматического управления промышленным оборудованием путем применения электрогидравлических усилителей, построенных на основе магнитострикцион-ных электромеханических преобразователей.
На основании проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
1. Разработать и исследовать МЭМП с температурной самокомпенсацией деформаций и расширенным диапазоном преобразования.
2. Разработать и исследовать электрогидравлический усилитель, в управляющем каскаде которого использован П-образный МЭМП с самокомпенсацией температурных деформаций.
3. Разработать структуру одноконтурной электрогидравлической САУ на базе МЭГУ с П-образным МЭМП.
4. Разработать структуру многоконтурной электрогидравлической САУ с дополнительным корректирующим контуром, содержащим МЭМП.
5. Разработать математические модели, методики расчета и анализа электрогидравлических САУ, построенных на базе МЭГУ, методики настройки САУ и рекомендации для практического использования полученных результатов Методы исследований. Результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием теории автоматического управления, теории электромагнитного поля и теории сплошных сред, метода конечных элементов. Расчеты проводились в программе конечно-элементного анализа ANSYS 8.0 и математическом пакете MATLAB 6.5. Экспериментальные исследования проводились на оригинальном стенде с микропроцессорным управлением от платы ввода/вывода PCI-MIO-16Е4 фирмы National Instruments. Регистрация и обработка экспериментальных данных осуществлялись при помощи программного обеспечения разработанного автором в среде Lab View 7.1.
Работа состоит из пяти разделов, основных результатов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений.
Автор выражает благодарность доктору технических наук Демину Станиславу Борисовичу, кандидату технических наук Регеде Владимиру Викторовичу, доктору технических наук Трилисскому Владимиру Овсеевичу, а также всему коллективу кафедры «Металлообрабатывающие станки и комплексы» за внимание и помощь при подготовке диссертационной работы.
Состояние вопроса использования электрогидравлических систем автоматического управления (САУ) в промышленности
Развитие современного машиностроения идет по пути расширения номенклатуры выпускаемых изделий и повышения производительности. Этот процесс сопровождается значительным усложнением вновь создаваемого технологического оборудования. Так, по данным [1], за последние 25-30 лет сложность машин как объекта производства возросла в 4-6 раз. Одновременно с этим наблюдается ужесточение требований к полям допусков обрабатываемых деталей. Причем сужение поля допуска на деталь в 2 раза вызывает увеличение себестоимости обработки более чем в 4 раза [2-3].
Весьма острым становится вопрос о повышении коэффициента использования материала обрабатываемой детали. В этой связи большое значение приобретает выпуск максимально экономичных заготовок для чего необходимо увеличивать объем производства поковок, фасонных профилей изготовленных на автоматизированном оборудовании с использованием прогрессивных методов обработки материалов.
В сложившихся условиях основной тенденцией развития современного машиностроения становится повышение степени автоматизации основных и вспомогательных технологических операций. Одним из способов решения этой задачи является применение электрогидравлических систем автоматического управления, которые обладают следующими преимуществами по сравнению с электромеханическими приводами: - малой инерционностью подвижных элементов ; - низкими массогабаритными показателями (в 3-10 раз меньше по сравнению с электроприводом [4-6]); - высоким быстродействием и значительными развиваемыми усилиями; - долговечностью работы привода за счет самосмазываемости узлов.
Наличие электрических устройств управления такими приводами облегчает их интеграцию с ЭВМ и расширяет область применения по сравнению с не-электрифицированными гидравлическими системами управления.
Опыт эксплуатации электрогидравлических САУ в промышленности подтверждает эффективность их применения. Так, например, использование системы стабилизации скорости шлифования более чем в 1,5 раза увеличивает удельную производительность круга, и на 15 - 20% повышает качество обработанной поверхности [7]. Использование САУ запрессовкой цилиндрических деталей на фирме "BRAUN & SHARP" (США) позволила снизить время запрессовки на 25,7% (10 сек) [8]. Оснащение фрезерных станков следящими приводами позволило снизить трудоемкость обработки в 8 - 10 и более раз [9].
По типу закона управления используемые САУ подразделяются на следящие, адаптивные и программные. По способу регулирования расхода электро-гидравлические системы управления можно разделить на две группы: с дроссельным и объемным регулированием расхода рабочей жидкости. При дроссельном способе управления выходная координата привода изменяется за счет дросселирования (изменения размеров рабочей щели) регулятора расхода рабочей жидкости. При объемном регулировании изменяется подача насоса (или гидромотора) в зависимости от рабочего объема, который изменяется с помощью управляющих устройств.
В качестве регуляторов расхода рабочей жидкости в САУ используют гидроусилители, распределители и автономные задатчики перемещений (распределители с шаговыми двигателями). Последние преобразуют вращательное движение вала двигателя в поворот или поступательное движение регулирующего элемента (например, золотника). По конструкции автономные задатчики перемещений отличаются от обычных распределителей, что позволяет выделить их в отдельную группу. Здесь и далее, на классификационных схемах выделение цветом отдельных блоков обозначает, что они относятся к области исследований автора.
Анализ работ [4,6,23-25] позволяет сделать вывод, что модернизация приводов станков с ЧПУ в современном машиностроении в основном осуществляется за счет электрогидравлических следящих систем управления. Наибольшее распространение в таких САУ, по-видимому, получило дроссельное регулирование скорости исполнительного органа. Проанализируем достоинства и недостатки типовых электрогидравлических систем управления.
Схема типового линейного электрогидравлического привода 5Г69-14 с шаговым двигателем показана на рисунке 1.2 [26]. Система управления работает следующим образом. Электрический сигнал управления поступает на обмотку шагового двигателя и вызывает поворот его вала на некоторый угол ф. Через зубчатую передачу 2j /z2 это вращательное движение передается червяку z3, который вызывает движение х золотника в осевом направлении. Золотниковый элемент регулирует расход рабочей жидкости, поступающей в полости исполнителыюго гидроцилиндра и перемещение штока у с присоединенным к нему объектом регулирования.
Основным недостатком электрогидравлических приводов с шаговыми двигателями является наличие зазоров в зубчатых и червячных передачах, что снижает точность перемещения золотника и существенно влияет на точность позиционирования рабочего органа. По данным [23] современные электрогидравли ческие САУ должны обеспечивать точность позиционирования исполнительного органа " 0,005мм и быстродействие ґп 0,04 с, что трудно реализуемо при помощи приводов построенных пор схеме, показанной на рисунке 1.2.
В этой связи, большой интерес представляет использование высокоточных и быстродействующих электрогидравлических САУ в которых регулирование расхода рабочей жидкости осуществляется при помощи одно- и многокаскадных электрогидравлических усилителей.
Система управления работает следующим образом. Сигнал рассогласования /вх, полученный как разность эталонного напряжения U3T и сигнала обратной связи Uoc, поступает на электронный усилитель ЭУ, который усиливает его до некоторого значения /ВЬ1Х на обмотках электромеханического преобразователя ЭМП. В электромеханическом преобразователе электрический сигнал преобразуется в механическое перемещение h якоря ЭМП, положение которого определяет расход О жидкости протекающей через гидравлический усилительный элемент ГУЭ, а значит и перемещение у штока исполнительного элемента ГЦ и объекта регулирования OP. Возмущающие воздействия Р(1) вызывают отклонение объекта регулирования ОР от заданного положения, что приводит к появлению сигнала ошибки на входе в систему и коррекции отслеживаемой величины.
К преимуществам электрогидравлических САУ, построенных в соответствии с данной структурной схемой, относят высокое быстродействие и точность позиционирования. Проанализируем достоинства и недостатки типовых систем управления с электрогидравлическими усилителями.
На рисунке 1.4 показана схема следящей САУ с однокаскадным электрогидравлическим усилителем «сопло-заслонка», используемой в электроэрозионном станке 4Б721 [26]. В этом приводе электромеханический преобразователь ЭМП перемещает на величину ДА сферическую заслонку, которая регулирует расход масла втекающего и вытекающего из верхней полости гидроцилиндра площадью R .
При закрытом положении заслонки рабочая жидкость под давлением от насоса Н поступает через дроссели Др и РД в полость гидроцилиндра / j, и вытекает из полости площадью F2 через обратный клапан КО. В результате шток движется вниз. Когда заслонка открыта жидкость из полости F\ истекает, а в полость F2 нагнетается, в результате чего шток движется вверх.
Магнитострикционный электрогидравлический усилитель с самокомпенсацией тепловых деформаций
Устройство выполнено по дифференциальной схеме и работает следующим образом. Рабочая жидкость под давлением питания рп подается через постоянные дроссели в камеры двух неподвижных соосных сопл. Расход жидкости через сопла и, следовательно, смещение х следящего золотника регулируются перемещением h заслонки, установленной на конце П-образного магнитострикционного элемента, жестко присоединенного к корпусу. Поверх магнитострикционного элемента установлены две управляющие обмотки, включенные таким образом, что, когда на обмотку 1 подается сигнал управления, в обмотке 2 он отсутствует, и наоборот.
Когда заслонка находится в среднем положении (рисунок 2.2 а), гидравлические сопротивления сопел уравниваются. При подаче сигнала управления на обмотку 2 последняя создает продольное магнитное поле, которое воздействует на магнитострикционныи элемент и вызывает смещение заслонки влево на величину А/2 (рисунок 2.2 б).
Заслонка, позиционируемая П-образным магнитострикционным элементом, находится в среднем положении между соплами, даже при отсутствии сигнала управления. Следовательно, после включения МЭМП в работу не требуется выводить магнитострикционный элемент в среднее положение, что является обязательным для известных конструкций МЭМП. Диапазон перемещений у предлагаемого МЭМП в 2 раза больше, чем у I-образного преобразователя с такой же длиной плеча. П-образная форма магнитострикционного исполнительного элемента позволяет уменьшить влияние температурной погрешности. Действительно, если участки магнитострикционного элемента под действием температуры окружающей среды изменят свои размеры на величину A/r, то фактическое перемещение заслонки будет равно (рисунок 2.2 г) h = M + (А/7- + А/,) - (Д/г + Д/2) = А/ + (А/, - Д/2) .
Таким образом, предлагаемая конструкция магнитострикционного преобразователя позволяет компенсировать температурные деформации исполнительного элемента, а следовательно, сохранить стабильность положения рабочей точки в процессе функционирования МЭГУ.
Диапазон магнитострикционных деформаций при длине обмоток П-образного элемента в 2 раза больше, а длина обмоток в 2 раза меньше чем у I-образного магнитострикционного МЭМП. Действительно, для того чтобы обеспечить диапазон перемещений заслонки от 0 до 2А/ при помощи 1-образного МИЭ, пришлось бы в 2 раза увеличить длину исполнительного элемента. Предложенная конструкция не требует выведения преобразователя на середину диапазона перемещений, т.к. вследствие П-образной формы МИЭ заслонка нахо-дится в среднем положении даже при отсутствии управляющего сигнала.
Для обоснования работоспособности и эффективности предлагаемой конструкции необходимо разработать математическую модель МЭГУ, которая позволит получить аналитические выражения, однозначно описывающие поведение устройства при различных внешних управляющих и возмущающих воздействиях.
Структурная схема магнитострикционного электрогидравлического усилителя показана на рисунке 2.3 [92]. Устройство представляет собой последовательное включение двух динамических звеньев: магнитострикционного преобразователя МЭМП и гидравлического усилительного элемента, который имеет два каскада усиления: 1-й каскад «сопло-заслонка», 2-й каскад «следящий золотник».
Уравнение h = /Шупр J является статической характеристикой магнитост рикционного преобразователя и отражает зависимость между управляющим сигналом /у и деформацией МИЭ на величину h. Выражение Ар = /(/z) устанавливает взаимосвязь между первым и вторым каскадом гидравлического усиления, увязывая перемещение заслонки между соплами на величину h и перепад Ар давления по торцам дросселирующего золотника 2 каскада ГУЭ. Соотношение х = /(Ар) позволяет определить перемещение золотниках вследствие перепада давлений Ар.
Математическая модель магнитострикционного электромеханического преобразователя Известные автору попытки создания математической модели МЭМП заключаются в использовании аналитических методов расчета электромагнитных полей [93], базирующимися на теории электромагнитного поля. Попытки аналитически описать состояние МЭМП предпринимались в работах [94-95]. Однако сложность и взаимозависимость происходящих в МЭМП процессов до сих пор не позволяет получить аналитическое выражение для магнитострикционной деформации.
где Ji - намагниченность насыщения магнитострикционного элемента.
Однако, при такой математической формулировке не учитывается распределение напряженности магнитного поля вдоль оси МИЭ, наличие в материале исполнительного элемента остаточных напряжений, изменение температуры МИЭ. Вместе с тем, эти факторы могут существенно изменять значение X как в сторону увеличения, так в сторону уменьшения. Более точно магнитострикци-онный преобразователь можно математически описать при помощи двух уравнений для прямого и обратного магнитострикционного эффекта [77,95].
Обзор работ [68-77] показал, что аналитические методы позволяют проводить расчеты МЭМП лишь в некоторых частных случаях, а полученные результаты являются громоздкими и малоприменимыми. Фактически, и отечественные и зарубежные исследователи пользуются для определения характеристик МЭМП различными полуэмпирическими формулами, как например [76]. В этой связи разработка математической модели МЭМП представляет собой весьма актуальную задачу.
В этой связи все больший интерес представляет использование метода конечных элементов [96-98] для моделирования МИЭ в управляющем магнитном поле. При составлении конечно-элементной математической модели примем следующие допущения: 1. Изменение температуры окружающей среды не оказывает существенного влияния на величину магнитострикционной деформации. В работе [76] показа 55 но, что для железоникелевых сплавав изменение магнитострикции на 1 С не превышает 1,5-Ю-8. Поскольку температура магнитострикционного элемента не превышает 60 С, то для П-образного преобразователя изменение магнитост рикционной деформации 60-Ю-8, что почти в 100 раз меньше чем сама магнито-стрикционная деформация. Это допущение позволяет исключить из структурной схемы МЭМП (рисунок 1.19) термоупругий преобразователь и считать А/мт 0 . При этом следует помнить, что величина тепловой деформации МИЭ А/т » А/0 если не принимать специальных мер для ее компенсации. 2. Деформации МИЭ, обусловленные внешними нагрузками, являются упругими и не оказывают существенного влияния на величину магнитострикцион-ной деформации.
Методика исследований и экспериментальное оборудование
При выборе экспериментального оборудования следует учитывать, что точность измерительных приборов должна соответствовать требуемой достоверности получаемых результатов. Поэтому на практике принимают достаточной точность приборов в 3-10 раз выше требуемой точности результата [108].
Для измерения деформаций магнитострикционного элемента использовался растровый датчик Р206 с дискретностью измерения перемещений 0,1 мкм и общим диапазоном измерения 3 мм. Измерение положения золотникового элемента осуществлялось при помощи индуктивного датчика 4WS2EM, который используется для тех же целей в электрогидравлических усилителях фирмы Rexroth. Точность измерений датчика ±0,001 мм при диапазоне перемещений золотника ±0,5 мм. Контроль давления осуществлялся при помощи манометров и тензометрических датчиков давления серии ЛХ, имеющих погрешность ±0,8% от диапазона измеряемого давления.
Экспериментальная установка позволяет исследовать статические и динамические характеристики МЭМП, получать расходные характеристики ГУЭ, а также характеристики двухкаскадного МЭГУ. Исследования проводились следующим образом. По заданной программе через электронные усилители ЭУ1 и ЭУ2 обмоткам МЭМП сообщались сигналы управления U , смещающие заслонку влево или вправо на величину h. Измерение статических или динамических характеристики МЭГУ осуществлялось с помощью соответствующих датчиков. Для обработки экспериментальных данных и управления магнитострик-ционным преобразователем использовался персональный компьютер, оснащенный платой ввода/вывода. Для реализации поставленной задачи была выбрана плата PCI-MIO-16E4 фирмы National Instruments.
Плата РСІ-МЮ-16Е4 имеет два 12-битных аналоговых выхода ±10 В, восемь цифровых линий ЦАП, два 24-битных счетчика/таймера, шестнадцать аналоговых входов, с ограничением по напряжению ±10 В. Для программирования работы платы использовалась среда программирования LabView 7.1 [110-113].
Закон движения заслонки может задаваться пользователем либо в обычном текстовом файле, либо интерактивно, с лицевой панели программы. В первом случае необходимо указать путь к текстовому файлу, во втором достаточно просто запустить плату в работу и начать поворачивать виртуальный регулятор перемещения заслонки. К исходным данным, вводимым пользователем относятся: шаг дискретизации измерений (частота выборок), тип эксперимента (статический / динамический). Начальное окно программы разработанной автором для экспериментального определения статических и динамических характеристик МЭГУ показано на рисунке 3.3. Листинг программы приведен в приложении Г.
Для того, чтобы ЭВМ могла «определить» какую из управляющих обмоток необходимо включить в данный момент, в программе выполняется проверка нескольких условий. Алгоритм работы платы ввода/вывода при проведении эксперимента показан на рисунке 3.4 [114]. С
Алгоритм работы экспериментальной установки для снятия характеристик МЭМП и МЭГУ Первым проверяется условие равенства значения управляющего сигнала нулю. Если это условие истинно, в данный момент времени заслонка должна быть неподвижна, а обе обмотки обесточены. В этом случае на них подается нулевой управляющий сигнал. Если условие ложно, выполняется проверка положительности значения управляющего сигнала. При U 0 сигнал управления подается на обмотку 1, в противном случае на обмотку 2. Следует отметить, что из-за четности эффекта магнитострикции, изменение полярности управляющего сигнала не изменяет знак магнитострикционной деформации.
Методика исследования МЭГУ заключалась в определении характеристик отдельных элементов МЭГУ, а потом и всего устройства в целом. При проведении экспериментов использовалась одна и та же установка, сконструированная по модульному принципу.
Для реализации различных законов управления, созданных микропроцессором платы ввода/вывода, необходимо иметь два структурно одинаковых ЭУ, с независимым управлением от ЭВМ. Электронный усилитель должен обеспечивать выходное значение напряжения до 30 В и тока до 10 А. Схема электронного усилителя, разработанного автором [115] и удовлетворяющего указанным требованиям показана на рисунке 3.5.
Усилитель состоит из семи основных блоков: модуля управляющего напряжения CVB1M0, модуля управления регулятором, усилителя напряжения, регулятора напряжения. Для питания этих блоков использовались: стабилизатор напряжения ICPS3M0, а также основной и вспомогательный выпрямители.
Напряжение на управляющую обмотку МЭМП поступает через регулятор напряжения, выполненный на шести параллельно включенных полевых транзисторах VT1-VT6. Для выравнивания токов, протекающих через эти транзисторы, в их истоках включены резисторы R7-R11. Резисторы R2-R6, помещенные в затворы транзисторов VT1-VT6, необходимы для подавления паразитного самовозбуждения.
Силовой выпрямитель состоит из диодного мостика на 10А и 50В. Он предназначен для питания обмоток МЭМП постоянным напряжением до ЗОВ. Для управления полевыми транзисторами регулятора требуется подавать им на затвор напряжение, превышающее напряжение на истоке. Поэтому необходим отдельный источник питания для управления транзисторами. Функцию такого источника питания выполняет вспомогательный выпрямитель на диодах VD3— VD6 и конденсаторах СЗ, С4. Этот выпрямитель питается от вторичной обмотки 36-хвольтового трансформатора. При положительном полу периоде сигнала напряжение на конденсаторе СЗ складывается с напряжением обмотки и через диод VD4 заряжает конденсатор СІ.От питающей сети напряжение на регулятор подается через трансформатор ТІ, понижающий его до 36 В и через основной выпрямитель.
Управляющее напряжение номиналом 0..5 В поступает на точку CNT модуля управления регулятором напряжения и попадает на инвертирующий вход половины операционного усилителя DA1.1. Переменный резистор R6 служит для точной подстройки коэффициента передачи источника питания по управляющему сигналу.
Инвертированное напряжение не более -5 В поступает на резистор R9, а затем на инвертирующий вход 6 второй половины операционного усилителя DA1.2. На этот же вывод 6 поступает выходное напряжение источника питания. Коэффициент передачи данного стабилизирующего узла определяется отношением резисторов R10 и R9, что позволяет получить на выходе данного модуля напряжение от 0 до 30 В (усилитель напряжения). Если выходное напряжение возрастает, то на 6 выводе микросхемы DA1.2 напряжение становится положительным, а на выводе 7 отрицательным, в результате чего открывается транзистор VT8 усилителя напряжения, что вызывает открытие транзисторов регулятора напряжения в обмотке МЭМП и позволяет осуществлять управление положением МИЭ.
Обоснование выбора структуры электрогидравлической САУ промышленным оборудованием
В настоящее время в электрогидравлических системах управления промышленным оборудованием набольшее распространение получило дроссельное регулирование расхода рабочей жидкости при помощи элементов «сопло-заслонка» или следящих золотников. При этом возможны два способа включения дросселирующего устройства: последовательно гидродвигателю (на входе и выходе) и параллельно.
Электрогидравлические приводы с параллельным включением регулируемых дросселей получили наибольшее распространение, т.к. позволяют добиться более высоких динамических характеристик [4].Схемы таких САУ показаны на рисунке 4.1 а и б. Электрогидравлический привод, в котором используется од-нокаскадный электрогидравлический усилитель «сопло-заслонка» (рисунок 4.1 а), работает следующим образом. Электрический сигнал управления поступает на обмотки ЭМП и вызывает смещение заслонки влево или вправо относительно среднего положения. Вследствие этого меняется расход рабочей жидкости, поступающей в полости гидроцилиндра.
Область применения таких систем управления заметно ограничивает низкое КПД дросселя «сопло-заслонка» (менее 12%), постоянный непроизводительный расход рабочей жидкости и высокие требования к чистоте ее фильтрации. Вследствие этого однокаскадные ЭГУ «сопло-заслонка», как правило, используются при давлении питания рп 3 МПа. Основная область применения среди станочного оборудования - электроэрозионные, кругло- и плоскошлифовальные станки.
Распределительные золотники, используемые для регулирования потока рабочей жидкости, позволяют добиться более высокой жесткости и симметричности характеристик электрогидравлической САУ. Известно много признаков,
по которым классифицируют золотниковые распределительные устройства, но наиболее важным является число рабочих щелей. В соответствии с этим признаком золотниковые дросселирующие распределители делятся на одно-, двух- и четырехщелевые.
В электрогидравлических САУ приводами промышленного оборудования, где не предъявляются высокие требования к чувствительности системы управления и точности позиционирования рабочего органа, целесообразно применять однощелевые (однокромочные) золотники [121,122]. Однако, приводы с гидроусилителями такого типа обладают малой чувствительностью, невысокой жесткостью и симметричностью характеристик. Последнее обуславливает неодинаковые величины рассогласования при разных направлениях движения исполнительного органа, что не всегда допустимо. В связи с этим при разработке САУ прецизионным промышленным оборудованием стремятся использовать четы-рехкромочные золотники [19] или плоские золотниковые элементы с упругим подвесом [31], которые обеспечивают наибольшую стабильность характеристик привода.
Принципиальная схема электрогидравлической системы управления, построенной на базе однокаскадного электрогидравлического усилителя с четы-рехщелевым золотником показана на рисунке 4.1 б []. Электромеханический преобразователь ЭМП сообщает дросселирующему золотнику ДЗ возвратно поступательно движение за счет чего меняется пропускная площадь рабочих щелей, а значит, осуществляется регулирование расхода жидкости. Использование следящего золотника позволяет работать с давлениями до 25 МПа, что существенно превосходит возможности дросселя «сопло-заслонка».
Привод содержит два каскада усиления. Управляющий каскад выполнен в виде регулируемого дросселя «сопло-заслонка», а исполнительный реализован при помощи следящего золотника. Вследствие наличия зоны нечувствительности, обусловленной трением золотника, исполнительный каскад обладает заметно меньшим быстродействием, чем управляющий. Гидроцилиндр
Обзор работ [4-10] показывает, что согласование динамических характеристик электромеханической и гидравлической частей ЭГСАУ до сих пор представляет собой сложную и актуальную задачу, успешеное решение которой позволяет добиться оптимальных динамических показателей качества привода. Так, по данным [14], уменьшение сопрягаемых частот ЭМП и ГУЭ в 2 раза приводит к уменьшению постоянной времени ЭГУ в 2,6 раза.
При обосновании структуры электрогидравлической САУ особое внимание также следует уделять виду исполнительного гидроцилиндра. Практика показывает, что этот элемент гидрофицированной системы обладает наибольшей инерционностью. Отношение постоянной времени гидроцилиндра к постоянной времени управляющего электромеханического преобразователя может достигать Тгц/Тэмп 10 и более. Столь значительная инерционность исполнительного привода может свести на нет преимущества использования в системе управления более быстродействующего электромеханического преобразователя.
В связи с этим повышение качества электрогидравлических САУ путем применения МЭМП возможно лишь в случае, когда динамические характеристики исполнительного гидродвигателя сопоставимы с параметрами магнито-стрикционного преобразователя. Можно утверждать, что чем меньше гидравлических устройств между магнитострикционным преобразователем и исполнительным органом, тем эффективнее становится применение МЭМП. Наилучшим решением представляется использование магнитострикционного преобразователя непосредственно для управления объектом регулирования. Однако техническую реализацию этого способа затрудняет малый диапазон магнитострикцион-ных деформаций.
