Μετρητικά συστήματα θέσης. Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 4. Έμμεσο σύστημα μέτρησης θέσης. Άμεσο σύστημα μέτρησης θέσης

Transcript

1 Μετρητικά συστήματα θέσης Συγκρότηση εργαλειομηχανών CNC Μετρητικές διατάξεις θέσης Αισθητήρες Επενεργητές Μηχανισμοί κίνησης Κινητήρες Έλεγχος Αμεσα και έμμεσα Αναλογικά - ψηφιακά Απόλυτα βηματικά - ψευδοαπόλυτα Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 1 Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 2 Άμεσο σύστημα μέτρησης θέσης Έμμεσο σύστημα μέτρησης θέσης Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 3 Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 4 1

2 Ψευδοαπόλυτο σύστημα μέτρησης θέσης Μετρητικά συστήματα θέσης : υλοποίηση Τυπική ανάλυση 1μm Μόνωση από θόρυβο ταλαντώσεις, οπτική παρεμβολή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή Ποικιλία στην αρχή λειτουργίας Επαγωγικά Φωτοηλεκτρικά Μαγνητικά Συμβολομετρίας laser (μεγαλύτερης( ακρίβειας) Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 5 Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 6 Αρχή λειτουργίας αναλυτή (resolver( resolver) Ηλεκτρική μηχανή με 2 τυλίγματα στο στάτη σε γωνία π/2 Ο δρομέας τροφοδοτείται με τάση Vr = V sin ωt Επάγει στο στάτη τάσεις : Vs1 = c V sin ωt cos φ Vs2 = c V sin ωt sin φ όπου c ο λόγος μετασχηματισμού στάτη-δρομέα Άρα υπολογίζεται η γωνία φ arctan(vs2 / Vs1)= φ Εναλλακτικά, τροφοδοτείται ο στάτης με τάσεις με διαφορά φάσης π/2 Vs1 = V sin ωt και Vs2 = V sin (ωt - π/2) = V cos ωt Η επαγόμενη συνολική τάση στο δρομέα είναι : Vr=c Vs1 cos φ+c Vs2 cos (π/2-φ)= =Vr = c V sin (ωt - φ) Άρα, υπολογίζεται η γωνία φ από συγκριτή φάσης των Vs1 και Vr Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 7 Inductosyn διαγραμματικά Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 8 2

3 Κλίμακες Moiré Φωτοηλεκτρικές συσκευές βηματικού τύπου Είτε περιστροφικής είτε γραμμικής μορφής. Σταθερή κλίμακα με υποδιαιρέσεις - γραμμές πάχους ίσου με το πάχος του διακένου τους. Κινητή κλίμακα με αντίστοιχες υποδιαιρέσεις παράλληλη με τη σταθερή κλίμακα. Γραμμές χαραγμένες σε διαφανές υλικό (γυαλί). Κεφαλή ανάγνωσης πίσω από τις δύο κλίμακες και πηγή παράλληλου φωτός.... Το φώς ανάλογα με τη σχετική θέση των κλιμάκων έχει διαφορετική ένταση Με την συνεχή σχετική κίνηση των κλιμάκων η ένταση του φωτός μεταβάλλεται ημιτονοειδώς (κροσσοί Moiré). Η ένταση του φωτός μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα. Στην πράξη η κινητή κλίμακα περιλαμβάνει τυπικά 4 ομάδες υποδιαιρέσεων φωτοκύτταρα. Η κάθε ομάδα είναι μετατοπισμένη ως προς την προηγούμενη κατά το 1/4 βήματος υποδιαιρέσεων λ. Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC 9 Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Οπτικός αισθητήρας μέτρησης θέσης... ημιουργούνται 4 ημιτονοειδείς κυματομορφές με διαφορά φάσης π/4 αφαιρώντας αυτές ανά δύο αναιρείται η συνεχής συνιστώσα και έχουμε δύο σήματα: S1 = A0 sin φ και S2 = A0 cos φ όπου φ = 2π x / λ και x η διαδρομή του άξονα υνατότητα μετατροπής των σημάτων σε παλμούς Παλμοί 4 φορές περισσότεροι από τις γραμμές της κλίμακας. Εύκολη προσθαφαίρεση παλμών Παρακολούθηση αναστροφής κίνησης (διαφοράς φάσης) λ περιορίζεται από την ακρίβεια κατασκευής εφαρμόζεται ηλεκτρονική παρεμβολή για μείωση του Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

4 Οπτικοί δίσκοι Οπτικές δυαδικές κλίμακες Κάθε θέση μέτρησης κωδικοποιείται σε δυαδικό κώδικα (απόλυτο σύστημα) Σε μορφή δίσκου η απόλυτη δυαδική κλίμακα έχει τόσα bits όσες λωρίδες έχει ο δίσκος Κάθε λωρίδα είναι χωρισμένη σε 2 κ+1 κυκλικούς τομείς όπου κ είναι η τάξη του bit στο οποίο αντιστοιχεί η λωρίδα. Οι τομείς είναι εναλλάξ διαφανείς και μαύροι έτσι ώστε να επιτρέπουν ή να αποκλείουν τη διέλευση φωτός. Η τιμή του κάθε τομέα διαβάζεται από φωτοκύτταρο Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Για παράδειγμα για 3 κυκλικές λωρίδες : η πρώτη λωρίδα αντιστοιχεί σε ανάλυση 360/2 0+1 =180, η δεύτερη λωρίδα αντιστοιχεί σε ανάλυση 360/2 1+1 =90,, και η τρίτη λωρίδα αντιστοιχεί σε ανάλυση 360/2 2+1 =45 Επομένως αναγνωρίζονται 8 θέσεις : 45,90,135,180,225,270,315 και 360. Γενικά n λωρίδες δίνουν 2 n διαφορετικές θέσεις. Για 12 λωρίδες που είναι μία τυπική τιμή λαμβάνεται ανάλυση 360 / 2 12 = Αρχή λειτουργίας οπτικού δίσκου ΠΟΥ ΕΊΝΑΙ ΤΟ ΛΑΘΟΣ? Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

5 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΣ ανάλυσης Με βάση το μήκος της διαδρομής του άξονα και την απαιτούμενη ανάλυση μπορεί να μην είναι πρακτική η εφαρμογή απόλυτης κωδικοποίησης με ανάλογα μεγάλο αριθμό bits Παράδειγμα διαδρομή 1000 mm σε ένα μεσαίου μεγέθους κέντρο κατεργασίας με απαιτούμενη ανάλυση 1 μm απαιτεί 20 bits Αισθητήρες μέτρησης ταχύτητας Συνήθως πρόκειται για ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα όπου χρησιμοποιούνται ταχογεννήτριες. Κατασκευάζονται με στάτη μόνιμων μαγνητών και δρομέα που περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο του στάτη. Επάγεται στα τυλίγματα του δρομέα τάση ανάλογη της ταχύτητας περιστροφής πχ από λίγα mv έως λίγα V ανά rpm. Στην τάση εξόδου πάντοτε υπάρχει θόρυβος εναλλασσόμενης τάσης πλάτους έως 5% της τιμής της συνεχούς και θεμελιώδους συχνότητας ανάλογης της ταχύτητας περιστροφής. Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Ακόμη χρησιμοποιούνται και κυκλώματα αναλογικής ή ψηφιακής παραγώγισης της μετρούμενης μετατόπισης. συνήθως για χαμηλές απαιτήσεις απόδοσης η ανάλυση της ταχύτητας με ψηφιακή παραγώγιση είναι 10 φορές χειρότερη της ταχογεννήτρια (με μετατροπέα A/D) η ψηφιακή παραγώγιση υποφέρει από προβλήματα θορύβου όπως και η αναλογική. Άλλοι αισθητήρες ύναμης Βάσει ηλεκτρομηκυνσιομέτρων Βάσει πιεζοηλεκτρικού φαινομένου Έμμεσα από το ρεύμα του κινητήρα ατράκτου Θερμοκρασίας υαδικοί μηχανικοί μικροδιακόπτες, Φωτοκύτταρα πυκνωτικοί αισθητήρες απόστασης κλπ. Θέσης LVDT ανάλυση μm, μ περιορισμός διαδρομής σε λίγα mm Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

6 Επενεργητές - actuators πνευματικοί κύλινδροι για γραμμική κίνηση πεπιεσμένος αέρας και Βαλβίδες, συνήθως ηλεκτρικές αναλογικές ή βηματικές. οριακοί μηχανικοί διακόπτες αν είναι ανάγκη. υδραυλικοί κύλινδροι ακριβέστερος έλεγχος σε όλη τη διαδρομή του εμβόλου μεγαλύτερες δυνάμεις αθόρυβοι προβλήματα συντήρησης Σωληνοειδή (ρελαί( ρελαί) πηνία που έλκουν ή ελευθερώνουν τον οπλισμό τους ανάλογα με την παρουσία ή απουσία ρεύματος μικρές κινήσεις χωρίς συνεχή έλεγχο απλά ή ισχύος μανδαλούμενα ή μη Μηχανισμοί κίνησης Κοχλίας κίνησης με ανακυκλοφορούντα σφαιρίδια. Χρησιμοποιείται σε εργαλειομηχανές κοπής για την κίνηση τράπεζας ή εργαλειοφορείων Εξάλειψη αξονικής χάρης χρήση σωμάτων κύλισης - σφαιριδίων - που κυκλοφορούν στο σπείρωμα του κοχλία κίνησης πιέζονται και προς τις δύο αξονικές κατευθύνσεις με κάποιο είδος περικοχλίων μεταβλητής δύναμης σύσφιξης-πρότασης, Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Περικόχλιο ανακυκλοφορούντων σφαιριδίων Κινητήρες πρόωσης Κύριο ζητούμενο γρήγορη αλλαγή στροφών χωρίς ταλαντώσεις υψηλή ακρίβεια και επαναληψιμότητα ανεξάρτητα δυνάμεων υψηλές ταχύτητες κίνησης εν κενώ. Τύποι κινητήρες συνεχούς ρεύματος έλεγχος στροφών από την τάση οπλισμού σύγχρονοι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος έλεγχος στροφών από τη συχνότητα (inverter( inverter) βηματικοί κινητήρες Έλεγχος στροφών από τον αριθμό παλμών Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

7 Σερβο-κινητήρες Κινητήρας αυτός καθαυτός με ενσωματωμένο αναλογικό στροφόμετρο και συνήθως με πέδη (φρένο). Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου του κινητήρα Μετασχηματιστής τροφοδοσίας του κινητήρα και του ελέγχου του, συμπεριλαμβανομένης διάταξης ανόρθωσης του ρεύματος. Μηχανικός συμπλέκτης με τον φυσικό άξονα κίνησης, με δυνατότητα αποσύμπλεξης για υπερβολικό φορτίο. Μετρητικό σύστημα μετατόπισης συνδεδεμένο με τον άξονα κίνησης άμεσα ή έμμεσα. Κιβώτια σταθερής ή μεταβλητής σχέσης μετάδοσης για καλύτερη εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του κινητήρα. Κινητήρες κύριας ατράκτου κύριο ζητούμενο η εξασφάλιση αρκετής ισχύος και ικανού εύρους στροφών για την εκτέλεση της κατεργασίας η κατά το δυνατόν μικρότερη μεταβολή των στροφών του κινητήρα με τη μεταβολή του φορτίου. συνεχής μεταβολή των στροφών. τύποι κινητήρες συνεχούς ρεύματος με εξωτερική διέγερση έλεγχος στροφών μέσω οπλισμού ή/και πεδίου ασύγχρονοι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος έλεγχος στροφών μέσω της συχνότητας Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Έλεγχος αξόνων Έκδοση εντολής βηματικής κίνησης αξόνων ανά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα πχ 5 msec Αντιστοιχεί σε συγκεκριμένα σημεία παρεμβολής στην καμπύλη συνισταμένη τροχιά Η ζητούμενη κίνηση εκφράζεται σε BLU βασικές μονάδες μήκους πχ 1 μm Οι εντολές δίνονται σε διακριτές χρονικές στιγμές, αλλά η απόκριση δεν είναι άμεση Σε κάθε περίπτωση ητροχιά προσεγγιεζεται εντός της ζητούμενης ανοχής Γραμμική κίνηση 1 BLU = 1 μm V= 5 mm/sec -> Vx=4 mm/sec Vy=3 mm/sec x = 4 mm/sec * 5 msec = 20 * 10-3 mm = 20 BLU y = 3 mm/sec * 5 msec = 15 * 10-3 mm = 15 BLU 20 BLU 15 BLU 5 msec 5 msec Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

8 Κυκλική κίνηση Ι Κυκλική κίνηση ΙΙ Περιφερειακή ταχύτητα πρόωσης f=5 mm/sec Εντολή κίνησης ανά 5 msec και BLU= 1 μm s=f* t=5mm/sec * 5 msec = 25 BLU x= s sinφ y= s cosφ Στρογγυλοποίηση σε ακέραιο αριθμό BLU το υπόλοιπο προστίθεται στην επόμενη εντολή Για φ=22.5 x= y= x=9,10,9,10, y=23,23,23,23, Για φ=67.5 x= y= x=23,23,23,23, y=9,10,9,10m Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Έλεγχος σερβομηχανισμού άξονα x Κλασσικός Έλεγχος Τα x από την παρεμβολή προστίθενται αλγεβρικά στον απαριθμητή x com. Ο απαριθμητής x act καταγράφει τους αντίστοιχους παλμούς από την ανάδραση. Συγκριτής θέσης (PD) δίνει το σφάλμα e x Velocity Discriminator (VD) χρησιμοποιεί το e x και δίνει το σφάλμα e v Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC

9 Προσαρμοστικός έλεγχος Πηγές αβεβαιότητας για το πρόγραμμα CNC Μεταβολές βάθους κοπής λόγω αβεβαιότητας αρχικού σχήματος πρώτης ύλης Συνεχής μεταβολή φθοράς κοπτικού εργαλείου Εμφάνιση αυτοσυντηρούμενων ταλαντώσεων Μετρούνται με αισθητήρες στη διάρκεια της κατεργασίας Αυτόματη ρύθμιση των παραμέτρων του προγράμματος CNC σύμφωνα με τις μετρήσεις και με ένα νόμο προσαρμοστικού ελέγχου Προσαρμοστικός έλεγχος για σταθερή δύναμη Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC Συγκρότηση Εργαλειομηχανών CNC