Решение задачи позиционирования

1. Что такое позиционирование

Основными компонентами промышленной системы автоматизации являются контроллеры (ПЛК), модули позиционирования и панели управления.

При этом центральную роль играет модуль позиционирования. Этот модуль на протяжении многих лет совершенствовался инженерами-разработчиками мехатроники. Позиционирование означает движение и требует быстроты и точности. Чем быстрее происходят движения, тем выше производительность автоматизированной производственной линии. Поэтому необходимо сочетать высокую точность с высокой скоростью. Повышение скорости часто приводит к менее точному останову в требуемой позиции. Чтобы решить эту проблему, были разработаны специализированные модули для различных задач позиционирования.

Повышение производительности производственной установки означает увеличение выхода продукции за то же время. Тем самым можно сэкономить стоимость дополнительных установок, становящихся излишними, а также производственную площадь для этих установок и стоимость их обслуживания. Если в какой-либо установке еще никогда не возникали проблемы с позиционированием, это может быть признаком того, что эта установка эксплуатируется еще не достаточно эффективно и в ней имеется потенциал для повышения производительности. В этом случае следует рассмотреть возможность переоснащения установки системой управления, оптимизированной для соответствующих задач.

2. Варианты привода

Пневмопривод

Свойства и недостатки:

• Необходим сжатый воздух, причем этот воздух должен распределяться по высококачественной системе трубопроводов
• Ограниченный крутящий момент
• Позиционирование по нескольким точкам может быть реализовано лишь с большими затратами
• Затрудненное изменение позиций

Принцип действия пневмопривода

Двигатель с тормозом

Свойства и недостатки:

• Простая позиционирующая механика
• Плохая воспроизводимость настроек
• Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия двигателя с тормозом

Блок муфты и тормоза

Свойства и недостатки:

• Возможно частое позиционирование 
• Ограниченный срок службы диска муфты
• Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия тормоза с муфтой

Шаговый двигатель

Свойства и недостатки:

• Простая позиционирующая механика
• Проскок шагов двигателя при большой нагрузке
• Низкая мощность двигателя
• Неточное позиционирование при высокой скорости

Принцип действия шагового привода

Сервосистема постоянного тока

Свойства и недостатки

• Точноe позиционирование
• Затраты на техобслуживание щеток двигателя
• Невозможны высокие частоты вращения

Принцип действия сервопривода постоянного тока

Стандартный преобразователь частоты со стандартным двигателем

Свойства и недостатки

• Позиционирование с переменной скоростью при использовании быстрого счетчика
• Неточное позиционирование
• Низкий пусковой крутящий момент (более высокий крутящий момент возможен только при использовании специального преобразователя)

Принцип действия стандартного преобразователя частоты со стандартным приводом

Сервосистема переменного тока

Свойства и недостатки

• Точноe позиционирование
• Не требует техобслуживания
• Адреса позиций можно легко изменять
• Компактное исполнение при высокой мощности

Принцип действия сервосистемы переменного тока

3. Методы позиционирования

В принципе, имеется два способа управления деталью: регулирование частоты вращения и регулирование положения. Для сравнительно простых задач позиционирования достаточно регулировать частоту вращения с помощью преобразователя частоты и стандартного двигателя. Если предъявляются высокие требования к точности позиционирования, применима только сервосистема с улучшенной обработкой командных импульсов.

Регулирование частоты вращения

Установка с концевыми выключателями

На пути движения детали установлены два концевых выключателя. При прохождении первого выключателя скорость двигателя понижается. При прохождении второго выключателя двигатель отключается и активируется тормоз для останова детали. При такой задаче может быть применена недорогая система позиционирования без контроллера и модулей позиционирования.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±1,0...5,0 мм (это ориентировочное значение относится к низкой скорости 10...100 мм/с после прохождения первого концевого выключателя)

Схема позиционирования по концевым выключателям

Установка со счетчиком импульсов

Датчик импульсов (энкодер) для определения текущего положения встраивается в двигатель или устанавливается на вращающийся вал. Импульсы энкодера регистрируются высокоскорос-тным счетчиком. Как только счетчик достигает заданного состояния, соответствующего задан-ной позиции, деталь останавливается.

При такой системе целевую позицию можно легко изменять, так как не используются концевые выключатели.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,1...0,5 мм(Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10...100 мм/с.)

Схема позиционирования со счётом импульсов

В системах с регулированием частоты вращения, использующих преобразователь, точность целевой позиции не очень высока. В системах с концевыми выключателями нет обратной связи, т. е. контроллер не получает информацию о целевой позиции детали.

Система со счетом импульсов допускает переменную скорость движения. Целевая позиция может задаваться в виде состояния счетчика (с учетом частоты сигналов, возвращаемых от датчика импульсов двигателя).

Если деталь требуется перемещать с различными скоростями, то и в системе с концевыми выключателями, и в системе со счетчиком импульсов точность целевого положения ухудшается, что связано с замедленной реакцией на сигнал останова и инерцией вращения двигателя.

Для автоматического останова детали, приводимой в движение двигателем, всегда используйте сигнал положения от концевого выключателя или сигнал сравнительного счета. В общем случае должен также одновременно активироваться тормоз.

Из-за последействия двигателя и инерции масс деталь всегда немного "проезжает" целевую позицию. Путь, вызванный инерцией, не может быть точно определен. На следующей диаграмме он изображен в виде серой зоны.

На следующей иллюстрации показана задержка понижения скорости после сигнала останова. Область разброса задержки зависит от скорости движения детали.

Во многих случаях точность позиции остановки при останове с рабочей скорости не достаточна. Простейшим средством для повышения точности позиционирования является понижение рабочей скорости. Однако при этом понижается и производительность машины. Более эффективной мерой является понижение скорости лишь незадолго до позиции останова, как это показано на следующей диаграмме. В этом случае производительность машины остается почти прежней, а точность позиционирования улучшается.

Регулирование положения

Система с задающими импульсами

При регулировании положения с помощью задающих импульсов привод представляет собой серводвигатель переменного тока, вращающийся пропорционально количеству входных импульсов.

Количество импульсов, соответствующее пути перемещения, обрабатывается сервоусилителем. Сервоусилитель управляет серводвигателем переменного тока. В результате позиционирование происходит при высокой скорости пропорционально частоте импульсов.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,01...0,05 мм (Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10...100 мм/с.).

В этой системе с сервоусилителем и задающими импульсами вышеописанные недостатки регулирования частоты вращения в значительной степени устранены. На серводвигателе установлен энкодер, определяющий долю оборота серводвигателя (перемещение детали) на данный момент и передающий эту информацию в сервоусилитель. В результате этого сервоусилитель непрерывно и с высокой скоростью управляет движением детали в целевую позицию. В этой системе устранены такие явления как последействие двигателя и замедленная реакция на останавливающие сигналы, поэтому точность позиционирования существенно выше. Кроме того, для обычных операций позиционирования не нужны концевые выключатели и счет импульсов контроллером.

4. Позиционирование с использованием сервосистемы переменного тока

Позиционирование с помощью сервосистемы переменного тока также осуществляется различными способами. Обычно для такой системы нужен модуль позиционирования, сервоусилитель и серводвигатель. Такая конфигурация изображена на рисунке ниже.

В сервосистемах переменного тока новейшего поколения были улучшены следующие свойства:

• Современные сервосистемы стали полностью цифровыми. Путем параметрирования их можно приспосабливать к самым разнообразным механическим и электрическим особенностям системы автоматизации. Тем самым обеспечивается простой ввод в эксплуатацию;
• Малый момент инерции масс и повышенный крутящий момент двигателей позволяют работать при часто изменяющихся условиях эксплуатации, т. е. возможно разнообразное применение такой системы во множестве установок;
• Новейшие сервосистемы оснащены функцией автонастройки. Эта функция автоматически определяет момент инерции масс системы и соответственно подстраивает коэффициенты усиления. Такая корректировка возможна даже при неизвестном моменте инерции масс;
• Улучшено управление сервоусилителем на основе задающих импульсов модуля позиционирования - как в отношении точности синхронизации, так и в отношении точности частоты вращения и точности позиционирования;
• Новые системы менее восприимчивы к наводкам помех, допускают более длинную проводку и при этом требуют меньшего объема работ по монтажу проводки.

Главными преимуществами сервосистемы переменного тока являются:

Компактность и малый вес 

Компактная и легкая система экономит место в авто-матизируемой установке. 

Надежностьв эксплуатации 

Для эксплуатации в суровых окружающих условиях необходимы выносливые системы.   

Простота обращения 

Работать с сервосистемами переменного тока проще, чем с гидравлическими системами. Кроме того, их можно более гибко приспосабливать для новых требований.   

Низкая стоимость эксплуатации 

Сервосистема переменного тока экономит для пред-приятия стоимость труда инженеров на многие годы вперед.