Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Elektrické regulační pohony
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Elektrické regulační pohony

Technologie vysokorychlostního obrábění vede k používání vysokých rychlostí a vysokého zrychlení pohonů posuvů. Při současném pohybu souřadnic NC stroje (interpolaci) pak vznikají odchylky mezi skutečnou a programovanou dráhou, které mohou činit až několik desetin milimetru. Závěrečná část seriálu článků informuje o způsobech kompenzace těchto chyb při řízení regulačních pohonů posuvů NC obráběcích strojů.

Prstencové motory

Nejnovějším elementem regulačních pohonů jsou prstencové motory, které se ve větší míře používají teprve poslední dva roky. Jedná se vlastně o průvlekový motor a lze jej také chápat jako lineární motor "svinutý do kruhu". Pohony s prstencovými motory jsou velmi vhodné pro otočné stoly, ramena robotů a podobné aplikace. Motory jsou dodávány s točivými momenty od 1 do 16 000 Nm s vnějším průměrem od 120 do 1260 mm. Maximální otáčky jsou od 50 min-1 pro největší motory po 600 min-1 pro nejmenší motory. Stejně jako v předchozí části článku zmíněné přímé pohony jsou i pohony s prstencovými motory vynikajícím, i když nákladným prostředkem pro přesné řízení polohy rotačních souřadnic.

Řízení elektrických pohonů posuvů

U řízení elektrických pohonů posuvů ustálenou strukturu- tzv. kaskádní uspořádání regulátorů, proudová smyčka urychluje reakci na povely regulátorů a je nejrychlejší částí pohonu. Proud motorem sleduje vstupní signál až do frekvence 1000 až 2000 Hz (tzv. propustné pásmo). Nadřazená rychlostní smyčka má propustné pásmo mezi 70 a 400 Hz a její hlavní funkcí je zajištění dostatečné dynamické tuhosti pohonu. Hlavní polohová smyčka pak už může být poměrně pomalá - její propustné pásmo je zpravidla mezi 3 až 15 Hz. Hlavní výhodou tohoto uspořádání je kombinace téměř aperiodického chování pohonu (přechodový děj obsahuje minimum kmitavých složek) s velmi rychlou reakcí na změnu vnějšího zatížení a/nebo řídicího signálu.
Je třeba zdůraznit, že špička polohové odchylky (cca 20 µm) a čas potřebný pro její vyregulování (asi 0,2 sekundy) závisí především na seřízení rychlostního regulátoru. Moderní regulátory jsou dnes mikroprocesorové, takže regulace nemusí přesně odpovídat popsané struktuře. Výše uvedené vlastnosti a funkce jsou však zachovány.

Dynamické odchylky od programované dráhy

Při interpolaci vysokými rychlostmi (přes 5 m.min-1, zrychlení přes 5 m.s-2) narůstají dynamické odchylky od programované dráhy a jejich velikost je třeba udržet (pokud možno) hluboko pod hodnotou 10 µm. Nejjednodušší metodou kompenzace těchto chyb je zavedení dopředných signálů rychlosti, proudu a případně zrychlení (feedforward - na schématu regulace označeno FFW, resp. FFI).
Příklad rozdílů při regulaci s použitím dopředných signálů a bez nich je na obrázku, kde jsou dynamické odchylky při lineární interpolaci (rychlost 10 m.min-1 a zrychlení 10 m.s-2). Chyby podobného charakteru vznikají při každé změně směru, resp. křivosti interpolované dráhy. Pro vysoké rychlosti je dále typické zmenšování poloměru interpolovaných kružnic (a obecně jakýchkoliv křivek), které bez dopředných signálů činí i více než 1 mm (poloměr 10 mm, rychlost 10 m.min-1).
Minimální dynamické chyby docílíme nastavením dopředných signálů FFW, resp. FFI přesně na hodnotu žádané rychlosti, resp. zrychlení. Za těchto podmínek se výrazně mění vlastnosti pohonu, který je "tvrdší". Protože signál žádané rychlosti dodává rychlostnímu regulátoru dopředný signál, je polohová odchylka xe za pohybu nulová, a to přináší nutnost řízení rychlosti při rozjezdu a zastavení podle tzv. S-křivek. Jednodušší rozjezdové funkce (rampa nebo skok rychlosti) by způsobovaly překmity při zastavení.

Kvadrantové chyby

Zvláštní druh dynamických chyb vzniká při kruhové nebo křivkové interpolaci v bodech, kde některá z interpolujících souřadnic mění smysl pohybu. Pokud na řízené souřadnice působí tření, při změně smyslu pohybu musí servopohon změnit svůj točivý moment o hodnotu odpovídající dvojnásobku třecí síly. Tato změna neproběhne okamžitě, ale trvá asi 0,02 až 0,04 sekundy a po tuto dobu souřadnice měnící smysl pohybu stojí. Druhá osa se přitom pohybuje maximální rychlostí a výsledkem je místní zvětšení poloměru kružnice - kvadrantová chyba. Kvadrantové chyby se zpravidla kompenzují přivedením pomocného signálu na vstup rychlostního regulátoru. Tento signál, který má tvar impulzu, urychlí změnu polarity výstupu regulátoru, a tak zmenší velikost chyby. Přesné nastavení je poměrně pracné, a proto je někdy řešeno neuronovou sítí.
Seřízení pak probíhá tak, že stroj opakuje program kruhové interpolace a během určité doby (desítky minut) se neuronová síť naučí kompenzovat kvadrantové chyby. Tato metoda selhává v případech, kdy kvadrantové chyby následkem proměnných třecích odporů nemají stejnou velikost. Některé pohony proto využívají rekonstrukci zatěžujících momentů (třecí odpor je z hlediska pohonu vnější zatížení), což je složitější řešení, které ale není citlivé na změny tření.

Mikroprocesorové regulátory

Mikroprocesorové regulátory dovolují vybavit pohony řadou poměrně komplikovaných funkcí, např.:
  • automatickým seřízením pohonu (off-line). Při uvádění do chodu (ne během normální práce stroje) pohon automaticky prochází různými stavy a přitom optimalizuje své seřízení. Uvádí se, že automatické seřízení je stejně kvalitní, jako když pohon seřídí průměrný pracovník ručně;
  • automatickým seřízením (on-line), které modifikuje nastavení regulátorů při změně setrvačné zátěže (např. při naložení palety s velmi hmotným obrobkem). Tato funkce udrží dynamické chyby při interpolaci na minimální hodnotě. Pokud pohony nemají toto vybavení, dynamické chyby mohou při změně setrvačné zátěže snadno vzrůst např. až na desetinásobek;
  • vícenásobnými filtry pro potlačení vlivu mechanických rezonancí na pohon. Tento doplněk je zvláště důležitý u pohonů s vysokou dynamikou, pro které je významné i chování v oblasti frekvencí 100 až 2000 Hz;
  • diagnostickými programy umožňujícími měření frekvenčních a přechodových charakteristik bez použití osciloskopu. Naměřené průběhy jsou buď zobrazovány na obrazovce řídicího systému, nebo mohou být zaznamenány a dále zpracovány osobním počítačem.

Závěrem

Současné pohony představují velmi kvalitní prvek pro řízení pohybu v polohové vazbě a tomu také odpovídá cena, která se u pohonu střední velikosti (točivý moment 20 Nm) pohybuje v rozmezí 80 až 120 tisíc Kč za jednu souřadnici. Elektrické regulační pohony procházejí dalším, poměrně bouřlivým vývojem, který umožňují výkonné mikroprocesory tvořící jádro regulačních obvodů. Zlepšují se dynamické vlastnosti, ve vývoji jsou nelineární regulátory, resp. regulátory kompenzující nelinearity, připravuje se integrace řídicí elektroniky do motoru. Cílem některých výzkumných programů je vývoj pohonu jako univerzální inteligentní periferie průmyslových řídicích systémů.

Další články

Převody/pohony/ložiska/spojky
Výzkum/ vývoj

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky














Sledujte nás na sociálních sítích: