2.5 Виконавчі механізми
Виконавчі пристрої
Для здійснення впливу системи автоматичного керування на об’єкт керування призначені виконавчі пристрої або механізми. Якщо датчики перетворюють фізичні величини, що характеризують об’єкт керування, в електричний сигнал, то виконавчі пристрої здійснюють обернену дію, перетворюють сигнал системи керування у фізичну величину, що змінює перебіг технологічного процесу в потрібному напрямі. У сучасних автоматичних системах керування основні операції обробки інформації виконує комп'ютер або мікропроцесор, тому виконавчі пристрої мають здійснювати перетворення цифрового вихідного сигналу комп'ютера у фізичну величину. Наприклад, у станках з числовим програмним управлінням (ЧПУ) вихідний цифровий сигнал з керівного мікропроцесора перетворюється у переміщення робочого органу станка (різця, фрези тощо) і переміщення деталі, що обробляється на цьому станку. У хімічних процесах цифровий сигнал перетворюється у переміщення робочих органів, що регулюють надходження вхідних реагентів, температуру в реакторі тощо.
У складі виконавчого пристрою можна виділити дві частини: малопотужну частину, яка складається з перетворювача і підсилювача і потужну частину, що складається з потужного перетворювача і вихідного виконавчого механізму. В деяких виконавчих механізмах окремі частини можуть бути відсутніми.
Виконавчі механізми
Електричні
Гідравлічні
Пневматичні
Електромагніти
Електромехінічні муфти
Крокові двигуни
Електродвигуни
Постійного струму
Змінного струму
Поступального руху
Обертального руху
Мембранні
Поршньові
Шестерінчасті
Плунжерні
Турбінні
Лопастні
По джерелах енергії виконавчі механізми підрозділяють на наступні три основних типи: електричні — перетворюючі електричну енергію в механічну Гідравлічні, у яких застосовується рідина, наприклад мінеральне масло, і тиск рідини перетвориться в механічну енергію; пневматичні, у яких енергія стисненого газу перетвориться в механічну енергію.
Крім того, є виконавчі механізми, що використовують комбінації названих.
Управління виконавчими механізмами здійснюється від ЕОМ через підсилювачі потужності електричних сигналів. Крім того, безпосередньо до виконавчого пристрою може підводитись енергія від додаткового джерела.
Виконавчі механізми характеризуються такими параметрами, як: точність, робочий діапазон, швидкодія, потужність, габарити тощо. Виконавчі механізми поділяються на двопозиційні (бінарні) й аналогові.
Двопозиційні (бінарні) виконавчі механізми
У системах автоматичного керування досить поширені бінарні виконавчі механізми. За родом фізичної величини двопозиційні виконавчі пристрої поділяються на електричні, механічні, гідравлічні, пневматичні тощо.
Електричні двопозиційні виконавчі пристрої це: вимикачі, перемикачі, комутатори, контактори, реле тощо.
Потужність вихідних сигналів комп'ютера дуже мала (<100 мВт), тому безпосередньо подавати такий сигнал на виконавчі пристрої не можна. їх необхідно спочатку підсилити. Для цього використовуються керовані вимикачі.
Електромагнітні реле
До винайдення і застосування на практиці напівпровідникових приладів як керований вимикач застосовувалися електромагнітні реле, які продовжують широко використовуватися і в наш час. Електромагнітне реле (рис) складається з електромагніта, по обмотці якого протікає струм керування, і контактів, що механічно переміщуються під дією магнітного поля, створеного електромагнітом, замикаючи чи розмикаючи електричне коло виконавчого пристрою.
Таким чином, за допомогою електромагнітного реле можна керувати значними струмами, використовуючи незначні.
Широкого застосування набули малогабаритні без'якірні електромагнітні реле постійного струму з магнітокерованими герметизованими контактами, так звані геркони. Геркон (рис.) складається зі скляного балона, всередині якого створено технічний вакуум і розміщено пружні феромагнітні елементи з електричними контактами.
Напівпровідникові вимикачі. Для керування деякими пристроями, наприклад, для керування виконавчими двигунами на основі широтно-імпульсної модуляції, необхідно забезпечити перемикання струмів в електричних колах з швидкодією у кілька мікросекунд. Електромагнітні реле неспроможні забезпечити таку швидкодію, тому застосовують напівпровідникові прилади: біполярні і польові транзистори та тиристори.
Тяговий електромагніт. Тяговий електромагніт складається з обмотки, магнітопроводу і рухомого штока, який є частиною магнітопроводу. Якщо по обмотці пропустити електричний струм, то на шток діятиме сила, спрямована так, щоб зазор зменшувався. Тяговий електромагніт — це виконавчий пристрій для перетворення електричного сигналу в механічне переміщення штока.
Клапани. У багатьох технологічних процесах, наприклад у хімічній промисловості, потрібно керувати подачею рідин і газів. Для цього на трубопроводах подачі встановлені клапани, які діють таким чином: якщо встановити клапан у закрите положення, то подача рідини або газу припиняється, а якщо у відкрите — то відновлюється. Для переміщення клапана застосовуються електричний, гідравлічний або пневматичний приводи.
Електропривід
Електропривід — це сукупність виконавчого електричного двигуна і електронної системи керування цим двигуном. Електропривід призначений для приведення в рух робочих органів верстатів, маніпуляторів роботів і робототехнічних комплексів. В електроприводі електрична енергія перетворюється у механічну енергію.
Таким чином, з одного боку виконавчий двигун електроприводу є об'єктом керування з боку електронної системи, а з іншого боку — електропривід у цілому є виконавчим пристроєм у системі автоматичного керування більш високого ступеня ієрархії, наприклад, верстата з числовим програмним керуванням.
Як виконавчі двигуни в електроприводах використовуються двигуни постійного і змінного струму.
Електродвигун постійного струму
1– станина, 2,9 – полюси, 3 – обмотки збудження,
4 – якір, 5 – колектор, 6 – щітки,
7,10 – підшипники, 8 – корпус
Електродвигуни постійного струму.
Принцип дії двигунів постійного струму заснований на взаємодії провідника, по якому проходить струм, із зовнішнім постійним магнітним полем.
Магнітне поле у двигунах постійного струму створюється нерухомим статором. Обертовою частиною двигуна є якір, що представляє собою сердечник з обмоткою й колектором.
На малюнку представлена конструкція електродвигуна постійного струму.
Двигуни постійного струму, використовувані в якості виконавчих, мають ряд переваг: малі габарити, високу вихідну потужність. Крім того, вони допускають зміну частоти обертання вала двигуна в широкому діапазоні. Управління ними від ЕОМ здійснюється різними способами з використанням підсилювачів потужності.
Електродвигуни змінного струму. Електричні машини змінного струму підрозділяють на асинхронні й синхронні. Асинхронні двигуни є найпоширенішими; їхня частка становить 80% від загального обсягу випуску.
Принцип дії асинхронного двигуна полягає в наведенні ЭДС, а отже, і струмів у замкнутих провідниках обмотки ротора при обертанні електромагнітного поля статора. Ці струми, у свою чергу взаємодіючи з полем статора, створюють електромагнітну: силу, що забезпечує обертання ротора.
Виконавчі асинхронні двигуни змінного струму з короткозамкненим ротором володіють рядом переваг: механічною міцністю; простотою обслуговування завдяки відсутності тертьових деталей (за винятком підшипників); нескладним управлінням, простотою ізоляції ланцюгів, можливістю роботи на струмах різної частоти.
Крокові двигуни. У крокові (імпульсних) двигунах відбувається перетворення електричних імпульсів напруги в дискретні або лінійні переміщення ротора з фіксацією його в заданих положеннях. Найпростішим є кроковий двигун, що складається з електромагніта й храпового колеса.
За одне включення електромагніта 1 храпове колесо 3 повертається важелем 2 на заданий кут, обумовлений кроком храпового колеса.
Найпростіший кроковий двигун
Крокові двигуни одержують все більше поширення в автоматиці. Це пов'язане з тим, що вони через прості електронні ключі можуть управлятися безпосередньо від ЕОМ. При цьому за рахунок швидкості проходження й числа керуючих імпульсів, що надходять на обмотки двигуна, можливо цифрове управління кутом повороту й частотою обертання двигуна.
Електромагнітні виконавчі механізми. Електромагнітні виконавчі механізми являють собою електромагніти різних конструкцій, які призначені для включення й відключення механічних, пневматичних і гідравлічних ланцюгів. Вони дозволяють здійснювати зчеплення й розчеплення обертових валів, відкривання й закривання засувок, клапанів, вентилів, включення потужних електродвигунів і тп. Управління ними від ЕОМ здійснюється за допомогою сигналів управління, що подаються в обмотку електромагніта через електронні ключі, виконані на основі транзисторів або тиристорів.
Основою механізмів даного класу є електромагніт, що містить обмотку, рухливий якір, зворотну пружину й корпус. При подачі струму в обмотку утвориться електромагнітне поле, що втягує якір, зроблений з магнітного матеріалу. Відбувається перетворення сигналу від ЕОМ за допомогою потужного електронного ключа в струм заданого значення, що за допомогою електромагніта перетвориться в механічне переміщення якоря. Електромагніти є основою електромагнітних реле, клапанів, різних перемикачів і т.д. При використанні електромагнітів як виконавчі механізми ЕОМ може управляти повітряними й гідравлічними клапанами.
Гідро- і пневмопривід
У гідро- і пневмоприводах енергія стисненого газу (здебільшого повітря) або рідини перетворюється в механічну енергію. Позитивними властивостями гідро-і пневмоприводів є великі зусилля, які вони розвивають, і здатність забезпечити прямолінійний рух. За будовою гідро- і пневмоприводи поділяються на мембранні і поршневі. Якщо у камеру під мембраною подати робочу речовину під тиском, то робочий шток, - долаючи опір пружини і самої мембрани, переміщуватиметься у крайнє положення. Аналогічним чином діє і поршневий привід. Якщо робочою речовиною заповнюється камери з обох боків від поршня, то поршень рухатиметься в той чи протилежний бік, залежно від співвідношення тисків у камерах.
На практиці знайшли застосування двокаскадні поршневі приводи: один поршень (керівний) керує перерозподілом робочої речовини у камерах другого (робочого) поршня. Перерозподіл робочої речовини в першому керівному поршні здійснюється за допомогою електромагнітного перетворювача.
Гідравлічні й пневматичні двигуни. Гідравлічні й пневматичні двигуни перетворять енергію робітничого середовища, що перебуває під тиском, у механічну енергію поступального або обертового руху. Як робоче середовище в пневмодвигунах використовується стиснене повітря або газ, а в гідродвигунах - мінеральне масло, синтетичні рідини й тд. Дані двигуни широко застосовуються насамперед у пристроях силового привода верстатів, піднімальних механізмів, автоматичних маніпуляторах, в авіаційній і ракеткою техніці й т.д.
Гідро- і пневмодвигуни здатні розвивати дуже більші зусилля при малих габаритах. По цих параметрах вони перевершують всі інші види двигунів, причому можуть працювати в значно більше тяжких умовах експлуатації. По конструкції й принципу дії між гідравлічними й пневматичними двигунами немає істотного розходження.
Гідро- і пневмоприводи залежно від конструкції підрозділяють на двигуни з поступальним рухом (поршневі й мембранні) і двигуни з обертовим рухом (шестерні, лопатеві, турбінні й ін.). По способі управління дані двигуни можуть бути із дросельним (сопло, заслінка, золотник, струминні трубки) і з об'ємним управлінням (насоси, компресори).
Принцип роботи гідро- і пневмодвигунів розглянемо на прикладі поршневого гідродвигуна із золотниковим управлінням.
Допоміжною енергією в цьому пристрої є енергія рідини, що нагнітається в трубопровід насосом під тиском. Даний тиск підтримується постійним стабілізатором тиску. Керуючий вплив на привод здійснюється через золотник від пристрою управління, яким може бути електромагніт, у свою чергу керований від ЕОМ. Вихідним впливом привода є переміщення штока поршня гідродвигуна. Даний вплив передається безпосередньо на об'єкт управління. Поршень гідродвигуна переміщається в силовому циліндрі, що має дві камери (порожнини). Якщо канали, по яких камери двигуна з'єднуються з рідиною, що перебуває під тиском, перекриті пасками золотника, то поршень двигуна нерухливий. При переміщенні золотника на величину Хвх в одну камеру двигуна почне надходити рідина, що перебуває під тиском, а друга камера з'єднається із трубопроводом, по якому рідина вертається до насоса. Тиск у камерах двигуна буде різним, і поршень під дією різниці тисків переміщається.
Принцип роботи розглянутого механізму не зміниться, якщо робочим середовищем буде не рідина, а повітря або газ. Такий привод називається пневмоприводом. Пристрою пневмопривода мають менша швидкодія, чим пристрою гідроприводу, обумовлені стискальністю газу, а також впливом довжини, конфігурації, діаметра й матеріалу трубопроводу. Достоїнством пневмоприводів є менш тверді вимоги до точності виготовлення елементів привода. Пристрої пневмоприводу зручно використовувати на об'єктах для короткочасної й разової дії, при яких джерелом енергії служать балони зі стисненим повітрям. Крім того, повітря із приводного механізму можна викидати в атмосферу. Прикладом такого виконавчого механізму служить відбійний молоток, що широко використовується в шахтах і при ремонті доріг.
Пневматичні пристрої автоматики й пневмопривід особливо широко використовуються при автоматизації виробництва в хімічній промисловості й інших місцях, де через підвищену вибухо- і пожежонебезпеку застосовувати електричні виконавчі елементи не можна.
</100>
|