Система управления следящим приводом портала машины термической резки
Изобретение относится к машинам термической резки, в особенности к машинам термической резки с числовым программным управлением для контурной обработки листового металла. Использование: для управления поперечным движением суппорта с резаком вдоль портала, а также в лазерных и плазменных машинах. Сущность изобретения: в цепи обратной связи по ускорению в качестве датчика ускорения используется фильтр-наблюдатель, входы которого соединены с выходами задатчика скорости, регулятора скорости, датчиков тока и скорости исполнительного двигателя, а выход соединен с входом усилителя-преобразователя, причем выход усилителя-преобразователя соединен с входом активного фильтра, выход которого соединен с третьим входом пропорционально-интегрального регулятора скорости. 3 ил.
(t9) (11) СОЮЗ С08ЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 В 23 К 7/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ. СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 2 (21) 4887462/08 .. .. термической резки с числовым программ(22) 04.12.90 ным управлением для"контурной обработки (46) 30.08.92, БюлМ32 .: листового металла. Использование: для уп(71) Научно-исследовательский институт. равления поперечным движением суппорта специального машиностроения при МГТУ срезакомвдольпортала,атакжевлазерных им, Н.Э.Баумана и плазменных машинах. Сущность изобре(72) А.И.Максимов, В.Б.Орлов, Е.Д.Смирнов . тения: в цепи обратной связи по ускорению .и И.И.Степанова в качестве датчика ускорейия используется (56) System йСЕ-400 Multi-CNQ Continuous фильтр-наблюдатель, входы которого coePath Control for advanced methods of cutting динены с выхс дами задатчика скорости, реапб machining. Проспект фирмы ESAB- гулятора скорости, датчиковтока искорости
BAN COCK. исполнительного двигатвля; а выход соедиАвторскоесвидетельство СССР нен с входом усилителя-преобразователя, М 1692781, кл. В 23 К 7/00, 1989. причем выход усилителя-преобразователя (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМ соединен с входом активного фильтра, выПРИВОДОМ llOPTARA МАШИНЫ TEPMM- ход которого соединен с третьим входом
ЧЕСКОЙ РЕЗКИ пропорционально-интегрального регулято- (57) Изобретение относится к машинам тер- ра скорости. 3 ил. мической резки, в особенности к машинам
Изобретение относится к машинам тер- предусмотрено задание функции торможемической резки, в особенности к машинам . ния, обеспечивающей на некотором конечтермической резки с числовым программ- ном участке контура до точки излома ным управлением для контурной обработки движение с замедлением, величина которолистового металла. го вычисляется в устройстве числового проИзвестнасистемауправлениямашиной граммного управленИя в зависимости от термической резки, обеспечивающая про- величины угла междудвумя участками конграммное управление двухсторонним алек- . тура. трическим приводом портала портальной Недостатком данной системы управлемашины термической резки (11. Данная сис- ния является то, что при движении с замедтема управления включает устройство чис- лением на углах контура нарушаются оптилового программного упрввления и мальные технологические условия термйчеследящий привод. Программное движение ской резки металла, ухудшается качество машины по контуру задается устройством резки, увеличивается время обработки, не числового программного управления, при - гарантируется устранение влияния собстчем для увеличения точности обработки на венных колебанийпортала(котороеособенуглах контуров в управляющей программе но сильно в широкопортальных машинах
1757811
4 для лазерной резки) на точность работы на углах.
В качестве прототипа выбрана известная система управления приводом портала машины термической резки (2), Повышение точности обработки на изломах контуров и повышение качества резки достигнуто путем алгебраического суммирования в пропорционально-интегральном регуляторе скорости сигнала дополнительной обратной связи по ускорению движения портала.
Наиболее существенными недостатками данного устройства являются: — передача сигнала с датчика ускорения, укрепленного на подвижном механизме (портале) на неподвижную электронную часть привода (регулятор скорости) приводит к усложнению конструкции машины; — непосредственно сам датчик линейных ускорений внбсит свои собственные погрешйости в измерение ускорения, что требует дополнительных средств коррекции.
Целью настоящего изобретения является повышение точности обработки на изломах контуров, а также упрощение конструкции машины путем замены датчика линейного ускорения фильтром-наблюдате- лем, который формирует сигнал, пропорциональный ускорению центральной точки портала.
Для реализации цели в цепи обратной связи по ускорению датчик ускорения движения портала, установленный в вертикальной плоскоСти, йерпендикулярной порталу и проходящей через его середину, заменен фильтром-наблюдателем, который по легко доступным измерению сигналам с датчика
Фока двигателя, с тахогенератора, с задатчика скорости, и с регулятора скорости формирует сигйал; пропорциональный ускорению центральной точки портала, При этом отпадает необходимость установки измерительных устройств на подвижной части машины, так как электронное устройство фильтра-наблюдателя может находиться в любом удобном месте.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 приведена функциональная блок-схема системы управления следящим приводом портала машины термической резки; на фиг.2 представлена структурная схема включения фильтра-наблюдателя в систему управления машины термической резки; на фиг.3 представлена структурная схема подключения активного фильтра ко входу регулятора скорости.
Система управления движением портала машины термической резки(фиг.1) включает устройство числового программного
10
30 усилителем-преобразователем 22, а выход
35 усилителя-преобразователя 22 — со входом активного фильтра 23, выход которого сое40
55 управления 1, с задатчиком скорости управляющий сигнал с которого подключен ко входу 2 и ропорционально-интегрального регулятора скорости 3 и ко входу 4 устройства фильтра-наблюдателя 5. Регулятор скорости 3 подключен ко входу усилителя мощности с регулятором тока 6 и ко входу 7 устройства фильтра-наблюдателя 5. Усилитель мощности с регулятором тока 6 соединен с исполнительным двигателем 8, а также с датчиком тока 9, который в свою очередь также соединен со входом 10 фильтра-наблюдателя 5. Исполнительный двигатель 8 кинематически связан с датчиком скорости 11, с датчиком угла поворота 12 вала двигателя и редуктором 13, Выходы датчиков скорости 11 и угла поворота 12 соединены соответственно с входом 14 регулятора скорости, с входом 15 фильтра-наблюдателя и с входом 16 устройства числового программного управления. Силовой редуктор 13 кинематически связан с левым 17 и правым 18 боковыми редукторами соответствующих кареток 19,20 портальной машины термической резки. Редукторы 17, 18 представляют собой механические передачи типа колесо-рейка или винт-гайка, осуществляющие . преобразование вращательного движения входных валов в синхронное поступательное движение боковых кареток 19 и 20 портальной машины термической резки, жестко связанных с порталом 21, Выход наблюдателя 5 соединен с динен со входом 24 регулятора скорости 3 следящего привода портала. На фиг.2 представлена структурная схема включения фильтра-наблюдателя в систему управления машины термической резки, где введены следующие обозначения:
К1 — коэффициент усиления регулятора скорости;
К вЂ” коэффициент усиления усилителя мощности с регулятором тока:
Т вЂ” постоянная времени регулятора скорости;
Вц- сопротивление цепи якоря двигателя, T> — электрическая постоянная двигателя;
К вЂ” коэффициент пропорциональности между током двигателя и скоростью вращения ротора; ! л — момент инерции ротора двигателя:
С вЂ” жесткость портала в направлении продольного движения; ф — коэффициент потери упругости портала;
1757811
11 — момент инерции портала, приведенный к валу двигателя;
Ка — коэффициент противо-ЭДС двигателя;
Кдт — коэффициент усиления датчика то- 5 ка;
Кт — коэффициент усиления обратйой . связи по току двигателя;
KTr коэффициент усиления тахогенератора; 10
Kc — коэффициент усиления обратной связи по скорости; и
e, e — ускорение центральной точки, портала и оценка этого ускоренйя; ад- скорость вращения ротора двига- "5 теля;
1- ток якорной цепи;
У1, У2,. Уз — сигналы,. поступающие в фильтр соответственно с тахогенератора, датчика тока и с регулятора тока с усилите- 20 лем мощности;
91 92. О11 о22 !21. !22 m21, 922 m23 параметры фильтра-наблюдателя. Принцип построения структуры фильтра-наблюдате- ля и определения его параметров изложен 25 в (5). На фиг,3 представлена структурная схема подключения активного фильтра-ко входу регулятора скорости, содержащая ус-. тройство числового программного управле- ния 1, пропорционально-интегральный 30 регулятор скорости 3 и активный фильтр 23 с передаточной функцией
1+Т1Р
We(P) КФ 1 +Т где Кф — коэффициент усиления активйого 35 фильтра;
T1 — постоянная времени дифференцирующего звена интегро-дифференцирующего контура;
Т2 — постоянная времени интегрирую- 40 щего звена интегро-диффeренциpующeго контура.
Активный фильтр осуществляет преобразование сигнала, пропорционального ускорению центральной точки портала, причем выход активного фильтра 23 соеди- 45 нен со входом 24 пропорционально-интегрального регулятора скорости 3, имеющего по входам 2, 14, 24 соответствующие коэффициенты усиления К2, К14, К24.
Устройство работает следующим обра- 50 зом (см. фиг.1). в соответствии с управляющей программой.
Устройство числового программного управления 1 формирует входное воздействие на пропорционально-интегральный регуля- 55 тор скорости 3 следящего по положению привода япортала 21 машины термической резки, включающего устройства числового программного управления 1, пропорционально-интегральный регулятор скорости 3, усилитель мощности с регулятором тока 6, двигатель 8, датчики тока 9, скорости вращения 11 и угла поворота 12 исполнительного двигателя 8. С выхода регулятора скорости
3 сигнал подается на выход усилителя мощности с регулятором тока 6, на выходе которого формируется напряжение питания якорных цепей исполнительного двигателя
8, В цепь исполнительного двигателя 8 включен датчик тока 9, от которого сигнал поступает на вход10устройства наблюдателя 5. Вал двигателя 8 кинематически связан с датчиком угловой скорости 11 вращения вала двигателя 8. Сигнал с выхода датчика скорости 11 подается на вход 14 регулятора . скорости 3 в виде сигнала отрицательной обратной связи. С помощью отрицательной обратной связи по скорости обеспечивается настройка следящего йривода портала как привода стабилизации скорости. Следящий привод портала, замкнутый по положению через устройство числового программного управления 1 с помощью датчика угла поворота 12 вала двигателя 8, кинематически связанного через центральный редуктор 13 и боковые редукторы 17 и 18 соответствующих боковых кареток 19 и 20 портальной машины термической резки с порталом 21, обеспечивает управление движением портала. Устройство наблюдателя 5, на входы 4, 7, 10, 15 которого подаются сйгналы соответственно с устройства числового программного управления 1, с регулятора скорости
3, с датчика тока 9, и с датчика скорости 11, формирует сигнал, пропорциональный ускорению центральной точки портала 21. После усиления сигнала с наблюдателя в усилителе-преобразователе 22 этот сигнал подвергается динамической обработке q помощь активного фильтра 23, вход которого соединен с выходом уСилителя-преобразователя 22. Активный фильтр обеспечивает необходимую коррекцию сигнала отрицательной обратной связи по ускорению центральной точки портала, в результате чего после подачи сигнала с выхода активного фильтра 23 на вход 24 регулятора скорости
3 удается значительно улучшить динамические характеристики движения портала 21, задемпфировав собственные колебания портала, что позволяет практически исключить искажение контура на излом. Демпфирование собственных колебаний портала в зависимости от частоты первого тона симметричных колебаний (при синхронном движении боковых кареток) обеспечивается настройкой параметров интегро-дифференцирующего контура активного фильтра
1757811 (Кф, Т1, Т2). ЕСли обеспечить передаточную функцию отрицательной обратной связи по ускорению через Рф), то обратную передаточную функцию системы управления сле.дящего привода портала машины термической резки с учетом связи по ускорению можно представить в следующем виде:
Ф (Р) =Ф "(Р)+ Р2F(P), « „P где % qP) = — обратная передаточная функция следящего привода портала без учета обратной связи по ускорению центральной точки портала;
Хпр(Р) — изображение по Лапласу программного воздействия устройства числового йрограммного управления 1;
X (P) — изображение по Лапласу перемещения центральной точки портала 21;
F(P) = Mly(P)K2 Кф- — коэффициент усиления фильтранаблюдателя 5. Анализ математической модели системы управления (без отрицательной обратной связи по ускорению портала) с учетом первой гармоники собственных колебаний портала в направлении его движения позволяет сделать вывод о наличии резонансного всплеска амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) следящего привода портала, передаточная функция которого может быть представлена как произведение: =%(P) =Ф(Р) 4(Р) р где Ф(Р) = — передаточная функция анд Р р следящего привода. замкнутого по положению через датчик угла 12; Фйд(Р) — изображение по Лапласу угла поворота исполнительного двигателя 8; Nl<(P) — передаточная функция портала от вала двигателя 8 до перемещения центральной точки портала 21 (с учетом динамических свойств механических передач от вала исполнительного двигателя 8 до боковых кареток). Для уменьшения влияния частотной характеристики портала на динамику системы управления следящего привода портала машины термической резки и обеспечения требуемых показателей по точности и качеству переходных процессов необходимо, чтобы в окрестностях частоты первого тока симметричных колебаний портала (в ) выполнялось условие: I F()I . » ;-b>l, . г =j Г -" и 50 женной системы управления следящим по положению приводом портала. Использование фильтра-наблюдателя для реализации обратной связи по ускорению центральной точки портала позволило обеспечить высокое качество обработки металла на изломах контуров, при этом удалось упростить конструкцию машины, так как отпала необходимость в передаче сигнала с подвижного механизма (портала) на неподвижную часть привода, Формула изобретения Система управления следящим приводом портала машины термической резки, содержащая последовательно соединенные устройство числового программного управления, регулятор скорости, усилитель мощности с регулятором тока, подключенный к двигателю, механически связанному с датчиками угла, скорости и редукторами кареток портала, выход датчика угла подключен к входу устройства числового программного управления, выход датчика скорости соединен с вторым входом регулятора скорости, а причем параметры обратной связи по ускорению центральной точки портала выбираются следующим образом: 1) коэффициент усиления обратной связи по 5 ускорению К = КфКихКу-пКф-н выбирается из е R условия К, где е — допустимая уЯ 1 ошибка системы управления следящего 10 привода портала машины термической резки при обработке круга с радиусом R npu контурной скорости Ч, откуда могут быть выбраны значения элементов RC-цепей активного фильтра и пропорционально-интег15 рального регулятора скорости; 2) частота среза (в,) логарифмической АЧХ(ЛАЧХ) отрицательной обратной связи по ускорению должан быть меньше или равна в, причем пересечение ЛАЧХ p F(p) оси нуля децибелл должно осуществляться с наклоном.+20 дб/декаду; 3) постоянная времени Т2 интегрирующего звена интегро-дифференцирующего контура определяется по формуле; Т2=К и ; 4) постоянная времени Т1 дифференцирующего звена интегро-дифференцирующего контура выбирается по условию: ю 30 Т1 где а — есть решение уравнения l9, цв) = — при и>в,. Моделирование процессов движения З5 портала машины термической резки на ЭВМ подтвердило эффективность предло1757811 9 также последовательно соединенные дат- . качества резки, в.нее введены датчик тока чик ускорения; усилитель-преобразователь двигателя, а датчик ускорения выполнен на и активный фильтр, подключенный к треть- устройстве фильтра-наблюдателя. входй коемувходурегулятораскорости, отличаю- торого подключены к выходам устройства щ а я с я тем; что целью повышения 5 числового программного управления, регуточности обработки на изломах контуров и. лятора скорости и датчика-тока. Фиа2 1757811 Актц8ный IpllllbtAp Составитель А. Максимов Техред М.Моргентал Корректор Т Палий Редактор Л. Павлова Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2959 . Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
