Dr. Zsiga Zoltá n: CNC gépek útmérő rendszerei

Átírás

1 3. Analó g útmérő k Az analóg útmérő k érzékelő je az elmozdulá ssal ará nyos, olytonos jelet ad, melyet a CNC vezérlések szá má ra minden estben digitá lis jellé kell alakítani. Az érzékelő k mű ködési elve tö bbéle leet. A lineá ris és a orgó potenciométerek az elmozdulá ssal ará nyos ellená llá s- vá ltozá s, míg a rezolverek és az induktoszinok a villamos indukció elvén mű kö dnek Potenciométerek A legegyszerű bb abszolút analó g útmérő eszkö zö k, a potenciométerek az elmozdulá ssal ará nyos ellená llá s változá st aszná ljá k el jelképzésre. Kö zvetlen mérésre lineáris potenciométerek, míg kö zvetett mérésre a orgó potenciométerek alkalmasak. Golyósorsó Szá n δ Illesztő ajtómű Z 1 Motor Z 2 x x Forgó potenciomé ter A D x max Lineá ris potenciomé ter elyzettel ará nyos digitá lis jel 19. á bra A 19. á bra a potenciométerek alkalmazá si leető ségeit mutatja. Közvetlen mérés esetén a lineá ris potenciométer csúszká ja á ltal megatá rozott eszültség az elmozdulá ssal ará nyos: x x = x max A d útegységnek megelelő elbontá soz az analóg-digitá l á talakítót (A/D) x max i = log bitszá múra kell vá lasztani. d egész A kö zvetett mérésez alkalmazató orgó potenciométer esetében asonló eladatokat kell megoldani azzal a kiegészítéssel, ogy a potenciométer maximá lis elordulá si szö gét a legnagyobb szá nelmozdulá soz kell rendelni. Ezt az illesztő ajtómű ajtóviszonyá nak megelelő megvá lasztá sá val leet elérni, amely a 19. á bra alapjá n: 15

2 j max k =, aol ϕ max a potenciométer legnagyobb elordulá si szö ge 2 p x max radiá nban kiejezve. A potenciométerek útmérésre való alkalmazá sá nak jellemző je, ogy a elbontóképesség az A/D á talakító csatornaszá má tól ügg, de megatá rozóak a potenciométer minő ségi jellemző i is (linearitá s, őmérséklet stabilitá s, érzékenység, á tmeneti ellená llá s vá ltozá s a csúszka érintkezésénél, stb.). Szerszá mgépek esetében nem aszná ljá k ö ná lló útmérő ként a potenciométereket csak esetleg má s útmérő kkel kombiná lva. Má s eszkö zö knél, pl. nyomtatók, plotterek esetében az alkalmazá suk inká bb leetséges, mert itt elő nyö s a viszonylagos olcsósá guk, s minő ségi jellemző ik a eladatnak jobban megelelnek ezolver A szerszá mgépek, robotok pozicioná ló egységeiben a leggyakrabban alkalmazott szö gelordulá st mérő analóg útmérő k a rezolverek. A villamos indukció elvén mű kö dnek, ezt mutatja a 2. á bra. Φ 2 S 2 Φ ϑ ϕ ϕ S 1 Φ 1 2. á bra A rezolver kétá zisú á llórésze kettő, egymá ssal 9 -os szö get bezá ró S 1 és S 2 tekercsbő l á ll. A mérés sorá n a orgórész tekercsében a szö gelyzettel ará nyos jellemző jű eszültség induká lódik. Legyenek az á llórész tekercsek gerjesztő eszültségei: = 1 ( wt + a) = 2 sin aol w a vivő kö rrekvencia, a pedig a gerjesztő eszültségek kö zö tti á ziseltérés. 16

3 A 2. á bra jelö léseit igyelembe véve a orgórészben induká lódó eszültség: ( cosj sinj) = k +, aol k a csatolá si tényező Figyelembe véve, ogy a gerjesztő eszültségek ω =2π körrekvenciá ja á llandó, az induká lt eszültség amplitúdója, vagy a ázisa alkalmas a mért elmozdulá s leképzésére. A gerjesztő eszültségek megelelő megvá lasztá sá val a rezolver amplitúdó -analó g (α=), illetve ázis-analó g (α=9 ) kapcsolá sban üzemeltetető Amplitúdó -analó g kapcsolású rezolverek Vá lasszuk az á llórész tekercsek gerjesztő eszültségeit az alá bbiak szerint a 2. á bra jelö léseit aszná lva: az amplitúdók legyenek 1 = cosj 2 = sinj aol a eszültség amplitúdója, φ a kívánt célelyzetet kijelö lő szö g, s ezzel a á zistekercsek gerjesztő eszültségei: = = cosj sinj Az és eszültségek azonos á ziselyzetű ek, az S 1, S 2 tekercsek a térben 9 -os szö get zárnak be egymá ssal, ezért az á llórészben egy a φ irányba mutató, rekvenciá val lü ktető á lló luxus jön létre (Ф ). A orgórész tekercsében induká lódó eszültség, a 2. á brá n vá zoltak alapjá n: = k = k ( cosj cosj+ sinj sinj) cos( j j) Beelyettesítve a J= j j ö sszeüggést a orgó részben indukált eszü ltség az alá bbi szerint írató: = k p sin J 2 A 21. á bra a enti egyenlet szerint az orgórész eszültség vá ltozá sá t mutatja a rotor szö gelordulá sa (φ ) illetve a célelyzettő l (φ ) való elmaradá s ( J ) üggvényében. Az induká lt eszültség akkor vá lik zérussá, a a rotor a célelyzet irá nyá val 9 -os szö get zá r be, vagyis p p j = j ± illetve J = ±

4 q=p/2 sinwt q -6 6 Méréstartomá ny 21. á bra A gerjesztő eszültségek célelyzetnek megelelő amplitúdójá t egy alkalmas elektronika á llítja elő. A orgórészben induká lt eszültség a méréstartomá nyon belül a kijelö lt célelyzettő l való elmaradá ssal ará nyos, teá t a rezolver ibajel képző ként mű kö dik. Ebben a kapcsolá sban a méréstartomá ny a még megelelő linearitá s mellett kö rülbelül +/-6, teá t a leképezető elmozdulá s egy rezolver alkalmazá sa esetén csupá n néá ny milliméter. Két rezolver alkalmazá sá val már nagyobb elmozdulá sok is mérető ek a megelelő pontossá ggal. Egy ilyen kö zvetett, abszolút, analó g mérési megoldá st mutat a 22. á bra. Motor Szá n δ k k d ϕ d "Durva" rezolver ϕ "Finom" rezolver cosϕ sinωt sinϕ d 22. á bra Két rezolver alkalmazá sakor az ún. durva rezolver a teljes elmozdulá si tartomá nyban mér. Az illesztő ajtómű k d ajtóviszonyá t úgy kell megatá rozni, ogy a szá n teljes elmozdulá sa sorá n a durva rezolver orgórészének szö gelordulá sa a méréstartomá nyá nak megelelő en 6 legyen, vagyis: 2p k k d = 6 d = j d p = LLebbő b 3 18

5 Jelö ljük a rezolver mérési bizonytalansá gá t, vagy analóg elbontóképességét Dj -rel. Ezzel a durva rezolverrel mérető legkisebb elmozdulá s (D): Dj D = 2 p k d A inom resolver illesztő ajtóviszonyá t a mérendő legkisebb útegység (d),és a rezolver bizonytalansá gá nak (Dj ) ismeretében kell megatá rozni. A ajtóviszony értéke: p d k Dj = 2p d 2 = Dj és k L L A inom resolverrel leképezető elmozdulá s (D ): D = 6 k A rezolverek illesztése akkor megelelő, a a inom rezolver méréstartomá nyá ra leképezető elmozdulá s nagyobb, mint a durva rezolverrel mérető legkisebb elmozdulá s, vagyis: D > D Az elmozdulá s üggvényében a ibajelek vá ltozá sá t a 23. á bra mutatja. d d Cé lelyzet Cé lelyzet szá n- elmozdulá s 23. á bra Az á bra alapjá n az abszolút mérés olyamata a kö vetkező : Az elektronika a célelyzet üggvényében megatá rozza a rezolverek gerjesztő eszültségeiez a j = j d = j célelyzeti szö geket. A mozgá s sorá n a inom rezolver több ordulatot teet, míg a durva rezolver elordulá sa +/-6 on belül marad. A célelyzet elő tt legeljebb távolsá gra a mérőrendszer á tkapcsol a inom rezolverre, amely a célig az elmozdulá st az útegységnek megelelő elbontá ssal méri. 19

6 Nagy elmozdulá sok mérése egy rezolver elaszná lá sá val ciklikusan abszolút kapcsolá sban leetséges. Ebben az esetben az á llórész tekercsek gerjesztő eszültségeinek amplitúdója nem á llandó, anem azt a vezérlés olyamatosan változtatja az elő írt mozgá si sebességnek megelelő en. Természetesen ekkor biztosítani kell, ogy a rezolver orgórész elmaradá si szö ge (J ) az eredő luxus vektor pillanatnyi elyzetétő l mindig kisebb legyen a rezolver méréstartomá nyá ná l, 6 -ná l. A 24. á bra a ciklikusa abszolút kapcsolá st mutatja. Φ 2 ω m S 2 Φ ϑ<6 ϕ S 1 Φ 1 Az á llórész tekercsek eszültsége: = cos = sin ( wmt) ( w t) m 24. á bra aol w m a rezolver orgórészének a mért mozgá s sebességébő l szá mított szö gsebessége. Az induká lt eszültség ( C ): C C = k = k ( cos( wmt) cosj+ sin( wmt) sinj) cos( w t j) m Beelyettesítve a J= wm t j ö sszeüggést a orgó részben indukált eszü ltség az alá bbi szerint írató: C = k p sin J 2 Az egyenletbő l látató, ogy a ciklikusan abszolút kapcsolá s is ibajel képző az abszolút mérésez asonlóan, csak a célpont kijelö lése a statikussal szemben itt dinamikus. Az induká lt eszültség jellege itt is a 21. á brá n bemutatottnak megelelő. 2

7 A kö zvetett, ciklikusan abszolút, amplitúdó -analó g mérés vázlatá t a 25. á bra mutatja. Szá n δ cosω m t Motor ϕ rezolver k c sinωt sinω m t C 25. á bra Az C orgórész eszültség a pillanatnyi célelyzettő l való elmaradá ssal ará nyos ibajel. A vezérlés alapjel képző egysége generá lja olyamatosan az elmozdulá s parancsot, melybő l a mérő rendszer á llítja elő a olyamatosan változó amplitúdójú gerjesztő eszültségeket, melynek ω m kö rrekvenciá ja a szá nsebesség üggvénye: 2p w m = v sz k C, aol v sz a szá n mozgá si sebessége, k C pedig a rezolver illesztő ajtómű nek az inkrement illesztés alapjá n megatá rozott ajtóviszonya: k C Dj = 2 p d A ciklikusan abszolút amplitúdó-analóg kapcsolá sú rezolver méréstartomá nyá ra leképezető szá nelmozdulá s: D C =. 6 k C A rendszer akkor mű ködik elyesen, a a szá nmozgató pozícioná ló rendszer követési ibá ja a legnagyobb sebességnél sem nagyobb, mint a méréstartomá nyra leképezető elmozdulá s, Δ C. 21

8 Fázis-analó g kapcsolású rezolverek A rezolverek másik jellegzetes kapcsolá si módja az ún. ázis-analó g kapcsolá s. Ekkor az á llórész tekercsek gerjesztő eszültségeinek á zisszö ge 9, teá t: = = coswt ezzel az á llórészben egy ω szö gsebességgel orgó, amplitúdójú gerjesztésvektor keletkezik (26. á bra). Φ 2 ω S 2 Φ S 1 Φ á bra A orgórészben induká lódó eszültség amplitúdója á llandó, csak a ázisa ügg a orgórész szö gelyzetétő l. = k = k ( sinwt cosj+ coswt sinj) sin( wt + j) Ebben a kapcsolá sban a rezolver méréstartomá nya +/-18. A 27. á bra a eszültség és ázis viszonyokat mutatja. Az tekercs gerjesztő eszültségéez képesti áziselyzete a rotor eszültségnek a φ szö ggel ará nyos, vagyis a mecanikai szö g villamos szö gként képző dik le. Egy rezolverrel egy egyszerű ázisanalóg kapcsolá sban is korlá tozott a mérető elmozdulá s nagysá ga (csak néány mm). Tö bb rezolvert alkalmazva, asonlóan, mint az amplitúdó-analóg kapcsolá sná l (lá sd 22. á bra), abszolút analó g rendszert leet létreozni. 22

9 wt 27. á bra Egy rezolverrel és megelelő elektroniká val itt is létreozató a ciklikusan abszolút, analó g mérőrendszer, amit szoká s a növekményes mérő rendszerek közé sorolni, mert a dinamikus célelyzet kijelö lés növekményes jeleldolgozá si eljá rá son alapul (szá mlá lá s). Vá ltoztassuk az á llórész eszültségek á zisá t olyamatosan, vagyis legyenek az á llórész eszültségek rendre: = sin( wt + j ( t) ) = cos( wt + j ( t) ) ( t) = w t j m aol ω m a szá n mozgá si sebességébő l szá mítató. A orgórészben induká lt eszültség: c = k sin Ezt a jelet ö sszeasonlítva az EF = ( wt + j ( t) j( t) ) reerencia jellel a két jel á ziskülö nbsége a pillanatnyi elyzeti ibajellel ará nyos: J ( t) = j ( t) j( t) A eszültség és á zis viszonyokat a 28. á bra mutatja, míg a 29. á brá n a mérő rendszer egyszerű sített elépítési vá zlata lá tató: 23

10 e wt q wt 28. á bra Szá n δ Motor ϕ rezolver k c sin(ωt+φ (t)) Cé lelyzettel ará nyos á zis C Fá zis összeasonlító sinω t eerencia á zis elyzeti ibá val ará nyos ibajel 29. á bra A rezolverek orgórészében induká lódott eszültséget á ltalá ban egy beépített orgó transzormá tor segítségével csatoljá k ki a csúszógyű rű k alkalmazá sá nak elkerülése érdekében. A transzormá tor primér tekercse a orgórésszel együtt orog, a szekunder tekercs pedig az á llórészbe kerül beépítésre. A 3. á bra ennek vá zlatá t mutatja. A 31. á brá n egy megvalósítá s lá tató, aol jól megigyelető a orgó transzormá tor beépítése is. Egy rezolver ényképét a 32. á bra mutatja. 24

11 3. á bra 31. á bra 32. á bra 25