WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Б. В. ШАНДРОВ, А. Д. ЧУДАКОВ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕБНИК Доп\/ш,ено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для

студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автоматизация машиностроительных процессов и производств (машиностроение)» направления подготовки «Автоматизированные технологии и производства» ACADEMA Москва Издательский центр «Академия» 2007 УДК 681.5(075.8) ББК 32.965я73 Ш201 Рецензенты: зав. кафедрой «Технология машиностроения» РУДН, д-р техн. наук, проф. В. Л. Рогов', д-р техн. наук, проф. (НИЦ «Логистика») Л.И.Левин Ш201 Шандров Б. В. Технические средства автоматизации : учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б. В. Шандров, А. Д. Чудаков. — М. : Издательский центр «Академия», 2007. — 368 с. ISBN 978-5-7695-3624-3 Описываются современные технические средства автоматизации: элек­ трические, электронные, пневматические, гидравлические и комбиниро­ ванные, в том числе соответствующие датчики и исполнительные меха­ низмы, интерфейсные, микропроцессорные и компьютерные устройства. Приводятся их технические характеристики и соответствующая классифи­ кация. Даются также сведения по интегрированным системам автоматизи­ рованного проектирования и управления в машиностроении, их организа­ ционному, методическому, математическому и программному обеспече­ нию. Для студентов высших учебных заведений.

УДК 681.5(075.8) ББК 32.965я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Шандров Б. в., Чудаков А. Д., 2007 © Образовательно-издательский центр «Академия», 2007 © Оформление. Издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-3624- ВВЕДЕНИЕ Под автоматизацией производственных процессов понимается выполнение этих процессов с ограниченным участием человека. Соответственно под системой автоматизации производственных процессов понимается совокупность приборов и устройств, свя­ занных между собой, с персоналом, оборудованием, реализующим данный производственный процесс, и смежными службами, а также методы использования этой совокупности. В последнее время автоматизация производственных процессов становится одним из основных направлений технического про­ гресса в машиностроении. Эффективность автоматизации машиностроительного производ­ ства обусловливается в первую очередь повышением производи­ тельности труда, т.е. объемом выпуска изделий в единицу време­ ни, приходящимся на одного занятого в производстве человека. Это обеспечивается как за счет автоматизации подготовки произ­ водства, так и за счет автоматизации собственно технологических процессов. Рост производительности труда в автоматизированном произ­ водстве по сравнению с неавтоматизированным производством обеспечивается за счет следующих факторов: • общее сокращение численности работающих, поскольку в ав­ томатизированном производстве часть функций рабочих, техни­ ков и инженеров выполняется машинами;

• сокращение длительности рабочих циклов выпуска изделий. Рабочим циклом называется отрезок времени, за который в тех­ нологическом процессе осуществляется повторяющийся выпуск одного изделия. Время рабочего цикла Г представляет собой сум­ ц му времени рабочих /р х и холостых ^х.х ходов оборудования. В соот­ ветствии с этим *Ц ~ *р.Х "^ *Х.Х' Рабочие ходы не зависят от степени автоматизации технологи­ ческого процесса и выполняются технологическим оборудовани­ ем (станками, прессами, стендами и т.п.) в соответствии с их проектным предназначением. При выполнении рабочих ходов про­ исходят снятие стружки, штамповка, окраска, запрессовка под­ шипников и другие технологические операции. Длительность вы полнения рабочих ходов t^^ зависит от конструкции применяемо­ го технологического оборудования, методов и режимов его ис­ пользования. Холостые ходы представляют собой вспомогательные движе­ ния, которые необходимы для подготовки выполнения рабочих ходов. К холостым ходам следует отнести установку и снятие дета­ лей на станках, транспортировку деталей, подналадку оборудова­ ния и др. Эти и подобные действия в автоматизированном произ­ водстве выполняются автоматическими машинами без участия человека или при его участии, сведенном к минимуму, поэтому на их выполнение затрачивается меньше времени, чем в неавто­ матизированном производстве. Сокращение времени рабочего цикла приводит к уменьшению времени на производство единицы продукции и, следовательно, ведет к снижению трудоемкости и себестоимости ее изготовления. Существенно также, что подготовка производства изделий, тре­ бующая переработки большого объема конструкторской и техно­ логической информации, с появлением относительно дешевых и надежных ЭВМ также может быть автоматизирована. В автоматизированном производстве стабилизируется качество продукции, повышается ритмичность выпуска и уменьшается вли­ яние на производство субъективных факторов. Автоматизация про­ изводства предъявляет более высокие требования к квалифика­ ции рабочего персонала и способствует росту этой квалификации. Повышение уровня автоматизации производственных процессов улучшает условия труда, делает труд более комфортным и безо­ пасным, способствует его интеллектуализации. Чтобы автоматизация подготовки производства и технологи­ ческих процессов была экономически эффективной, необходимо выполнение ряда условий: • повышение технологичности конструкции изделий;

• обеспечение доступа к информации о конструкции изделий;

• создание технологических процессов, прогрессивных с точки зрения производительности, себестоимости и способности к ав­ томатизации;

• обеспечение доступа к информации о технологических про­ цессах изготовления изделий;

• создание условий для технологического обеспечения качества изделий;

• наличие надежных и безопасных устройств автоматизации всех остающихся неавтоматизированными элементов рабочего цикла. Поэтому понятие автоматизации производственных процессов включает комплекс мероприятий, направленных на сокращение общего числа работающих, занятых как в конструкторской и тех­ нологической подготовке производства, так и собственно в про­ изводстве. Именно этим обеспечивается повышение эффективно сти производства и качества продукции, а также улучшение усло­ вий труда. Автоматизация производственных процессов на практике осу­ ществляется на разных уровнях. А в т о м а т и з а ц и я н у л е в о г о у р о в н я имеет место быть, когда участие человека исключается только при выполнении ра­ бочих ходов. Примером может служить включение и выключение вращения шпинделя или движения подачи инструментов. Автома­ тизация нулевого уровня называется также механизацией. Поэтому для проведения автоматизации необходимо прежде провести ме­ ханизацию производственных процессов. При автоматизации рабочего цикла в серийном и поточном производствах часто ограничиваются созданием устройств, исклю­ чающих участие человека в выполнении холостых ходов на от­ дельных агрегатах технологического оборудования. В этом случае говорят об а в т о м а т и з а ц и и п е р в о г о у р о в н я. При автоматизации первого уровня в штучном времени дол­ жно учитываться как основное время рабочих циклов, так и вспо­ могательное время, затрачиваемое на отвод и подвод инстру­ мента, загрузку оборудования и контроль, а также время техни­ ческого обслуживания, затрачиваемое на смену инструмента, наладку оборудования, удаление отходов, управление и отдых рабочего. Автоматизация первого уровня не подразумевает связь рабо­ чих машин между собой автоматической связью. Транспортиров­ ка и контроль обрабатываемых изделий осуществляется в этом случае с участием человека. Применяемое технологическое обо­ рудование может в этом случае быть как автоматическим, так и полуавтоматическим. В случае использования полуавтоматического оборудования автоматизируется только процесс изготовления одного изделия (детали), а его установ и снятие осуществляется с участием человека. В случае использования автоматического обо­ рудования автоматизируется как процесс изготовления одного изделия (детали), так и его установ и снятие. Примером автомата может служить современный токарный многошпиндельный ста­ нок, который выполняет обтачивание, сверление, зенкерование, развертывание и нарезание резьбы, причем заготовкой является многократно автоматически подаваемый до упора стальной пру­ ток. А в т о м а т и з а ц и я в т о р о г о у р о в н я сводится к автома­ тизации технологического процесса в целом. При втором уровне автоматизации обеспечивается решение задач автоматизации транс­ портировки, контроля изделия (детали), удаления отходов и уп­ равления системами машин. Этому уровню автоматизации соот­ ветствуют различного типа автоматические линии и гибкие про­ изводственные системы (ГПС).

Под автоматической линией принято понимать автоматически действующую систему машин, установленных в технологической последовательности и объединенных средствами транспортиров­ ки, загрузки-разгрузки, контроля, управления и удаления отхо­ дов. Примером могут служить различного рода автоматические линии, широко применяющиеся в автомобильном производстве. Автоматическая линия состоит из отдельных единиц техноло­ гического оборудования, которые компонуются под определен­ ный вид транспорта и связываются с ним с помощью тех или иных устройств загрузки-выгрузки (манипуляторов, лотков, подъемников). В такой линии помимо рабочих позиций могут иметь­ ся и холостые позиции, которые необходимы для осмотра и об­ служивания данной линии. Если на некоторых позициях линии предусматривается участие человека, то такая линия называется автоматизированной. На гибких производственных системах в отличие от автомати­ ческих линий не может быть заранее предусмотрена обработка деталей одного какого-либо наименования или обработка конст­ руктивно и технологически подобных изделий. Поэтому на таких ГПС технологическое оборудование должно быть переналаживае­ мым (чаще всего это станки с ЧПУ);

оно не располагается в тех­ нологической последовательности, поскольку эта технологическая последовательность не может быть известна заранее. Документом, регламентирующим последовательность выполнения технологичес­ ких операций, здесь является не маршрутная технология, как в случае автоматической линии, а расписание зафузки оборудова­ ния, составляемое в результате планирования работы данной гиб­ кой производственной системы. Т р е т ь е м у у р о в н ю а в т о м а т и з а ц и и соответствует ком­ плексная автоматизация. Комплексная автоматизация охватывает все этапы и звенья производственного процесса, начиная от кон­ структорской и технологической подготовки производства (а так­ же заготовительных процессов) и заканчивая проведением испы­ таний и отправкой готовых изделий. Комплексная автоматизация подразумевает реализацию всех предшествующих уровней автома­ тизации. Она требует высокой технической оснащенности произ­ водства и больших капитальных затрат. Такая автоматизация ока­ зывается особенно эффективной при достаточно больших профаммах выпуска изделий стабильной конструкции. В качестве при­ мера здесь может быть названо производство подшипников каче­ ния, отдельных агрегатов машин, аппаратов электрооборудова­ ния и др. Однако несмотря на указанные ограничения именно комплексная автоматизация способна обеспечить развитие про­ изводства в целом и эффективное использование производимых капитальных затрат. Это подтверждается мировой практикой раз­ вития машиностроения.

Осуществляя третий уровень автоматизации производства, мож­ но добиться решения задач автоматизации складирования и меж­ цеховой транспортировки изделия с его автоматическим адресо­ ванием, переработки отходов и управления производством на базе широкого использования средств вычислительной техники. На этом уровне автоматизации участие человека в производстве на всех его этапах сводится к обслуживанию оборудования и поддержа­ нию его в рабочем состоянии. Наконец, часто используется также понятие и н т е г р и р о в а н ­ н о й п р о и з в о д с т в е н н о й с и с т е м ы. Для интегрированной производственной системы характерно слияние (интеграция) сферы информационной технологии с производственной сферой. Это подразумевает также создание и ведение автоматизированных конструкторских и технологических архивов и автоматизацию орга­ низационной и конструкторско-технологической подготовки про­ изводства. Организация, ведение и использование в производстве различного рода баз данных требует унификации используемых при этом идентификационных единиц, перестройки всего произ­ водства и, как следствие, больших приведенных капитальных зат­ рат. Однако именно в таком случае резко сокращаются сроки ос­ воения новых изделий и продолжительности рабочих циклов их производства. Уровни автоматизации представлены на рис. В.1.

Автоматизация Нулевой уровень Механизация — автоматизация рабочих ходов Первый уровень Исключение человека из выполнения холостых ходов Автоматизация транспортировки, контроля, удаления отходов и управления Комплексная автоматизация всех этапов и звеньев технологического процесса Интеграция информационной технологии и производственной сферы Второй уровень Третий уровень Интегрированные системы Рис. В.1. Уровни автоматизации Автоматизация направлена на разрешение проблем производ­ ства, которые в условиях рыночной экономики изменяются в со­ ответствии со складывающейся конъюнктурой. В условиях рыно­ чной экономики можно выделить следующие черты, характерные для современного машиностроения: • автоматизация становится технологически более гибкой, по­ скольку происходит более быстрое моральное старение изделий, возрастает разнообразие модификаций изделий, повышаются тре­ бования к качеству и надежности машин, увеличивается доля мелкосерийного и серийного производств;

• развитие автоматизации происходит на основе все более ши­ рокого использования компьютерной, особенно микропроцессор­ ной техники, в первую очередь в системах управления и контро­ ля;

• значительно большее, чем прежде, внимание уделяется авто­ матизации заготовительных процессов и сборки, что объясняется тем, что в машиностроении трудоемкость заготовительных и сбо­ рочных процессов составляет от 15 до 30 % от общей трудоемко­ сти изделия. Традиционное сборочное производство многолюдно, а значит качество и производительность машиностроительного производ­ ства здесь неизбежно подвержены влиянию субъективных факто­ ров. Это значит также, что в автоматизации сборочных операций имеются большие резервы повышения качества и производитель­ ности машиностроительного производства. Необходимость автоматизации заготовительных процессов во многом обусловлена тяжелыми и вредными для здоровья услови­ ями труда. Поэтому в современных прессово-кузовных производствах, осуществляющих сварку элементов листовой штамповки, приме­ няются автоматизированные линии, например для сварки кузо­ вов автомобилей и кабин лифтов и для их окраски. Таким образом, в настоящее время основными направлени­ ями технического прогресса, связанными с развитием автомати­ зации, являются: 1) повышение технологичности конструкций машин и их аг­ регатов;

2) создание технологических процессов и технологического оборудования с оптимальной концентрацией простейших опе­ раций;

3) широкое применение различного рода автоматических (ав­ томатизированных) линий и гибких производственных систем в качестве основы автоматизации массового, серийного и мелкосе­ рийного производств;

4) автоматизация загрузки и разгрузки технологического обо­ рудования;

5) автоматизация транспортировки и контроля изделия (дета­ ли), а также удаления отходов;

6) автоматизация управления технологическими и производ­ ственными процессами. Однако технологические и производственные процессы — это не одно и то же. Производственным процессом принято называть совокупность всех этапов производства изделий (деталей). Производственный процесс включает в себя изготовление заготовок деталей, различные виды их обработки, контроль качества, сборку и испытание агрегатов и машин. На предприятиях производственный процесс подразделя­ ется на части, которые размещаются по отдельным специализиро­ ванным цехам или корпусам: кузнечно-прессовое, литейное, ме­ ханосборочное, инструментально-штамповое производства и др. Технологическим процессом называется часть производственно­ го процесса, которая непосредственно связана с механической и термической обработкой или сборкой изделия (детали). Экономическая эффективность применения автоматизации раз­ личного уровня в основном обусловливается двумя факторами: • годовой программой выпуска;

• технологичностью конструкции изделия и его элементов. Весьма целесообразным оказывается применение унификации элементов конструкции машин, что означает сведение к миниму­ му числа используемых видов и типоразмеров элементов машин, обеспечение их взаимозаменяемости и необходимого качества. Высшей ступенью унификации конструктивных элементов явля­ ется их стандартизация. В качестве примеров унифицированных и стандартизованных конструктивных элементов можно назвать ме­ таллический крепеж, зубчатые колеса, подшипники качения, аг­ регаты гидро- и пневмоаппаратуры и др. В последнее время при решении вопросов постановки изделия на производство все большее внимание уделяется технологично­ сти конструкции этих изделий. Под технологичностью конструк­ ции изделия понимается его способность отвечать требованиям автоматизированного производства, обеспечивая возможность выпуска продукции требуемого качества с минимальными затра­ тами средств и времени. Различают технологичность деталей и технологичность сборо­ чных единиц. Технологичность деталей определяется следующими основны­ ми факторами: • материал и масса детали;

• технические требования;

• способ получения заготовки;

• тип детали (вал, диск, рычаг, корпус, зубчатое колесо и др.);

• конфигурация, симметричность и устойчивость конструкции детали;

• наличие труднообрабатываемых поверхностей, таких как по­ верхности со сложным профилем, глубокие отверстия сравнитель­ но небольшого диаметра и др. Технологичность сборочных единиц рассматривается с других позиций. Автоматическая сборка в общем случае предусматривает подачу деталей в зону сборки, их ориентацию и последующее со­ единение. Наиболее сложным процессом с точки зрения его автоматиза­ ции является ориентация деталей в зоне сборки. Принято разли­ чать несколько степеней автоматической ориентации деталей для их последующего соединения. Н у л е в у ю с т е п е н ь о р и е н т а ц и и имеют детали, кото­ рые при сборке в ориентации не нуждаются. Примером могут слу­ жить шарики подшипников качения. П е р в а я с т е п е н ь о р и е н т а ц и и характерна для деталей, у которых имеется одна ось симметрии X и одна плоскость сим­ метрии YZ. Для ориентации таких деталей перед их соединением требуется только одно движение: поворот детали вокруг коорди­ натной оси Y. В т о р а я с т е п е н ь о р и е н т а ц и и характерна для деталей, у которых имеется лишь одна ось симметрии X. Для ориентации таких деталей перед их соединением требуются два движения: по­ ворот детали вокруг координатной оси К и поворот детали вокруг координатной оси Z Несимметричные детали имеют т р е т ь ю с т е п е н ь о р и е н ­ т а ц и и. Это означает, что для ориентации таких деталей перед их соединением требуются три движения: повороты детали вокруг координатных осей X, Уи Z. Технически очень сложно осуществлять автоматическую ори­ ентацию корпусных деталей. Идеальным с точки зрения автома­ тизации сборочных процессов является тот случай, когда корпус­ ная деталь имеет форму куба. Для современного этапа развития автоматизации в машино­ строении характерны не только автоматизация собственно произ­ водственного процесса по всем его переделам, но и автоматиза­ ция подготовки производства. Автоматизация подготовки произ­ водства становится особенно актуальной при запуске в производ­ ство новых изделий. В условиях рыночной экономики особенно важно гибко реагировать на изменения рыночной конъюнктуры, что делает чрезвычайно важным сокращение срока освоения но­ вых изделий с требуемым уровнем качества и соответствующими объемами выпуска. Подготовка производства включает в себя конструкторскую подготовку производства, в том числе автоматическую или авто матизированную разработку общих видов, спецификаций и де­ талировку, технологическую подготовку производства, в том числе автоматическую или автоматизированную разработку мар­ шрутных и операционных технологий, схем базирования и за­ жима, схем и точек контроля, операционных эскизов, расчет ре­ жимов обработки и управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Подготовка производства включает в себя также организа­ ционную подготовку производства, в том числе автоматическую или автоматизированную разработку схем доставки и складирова­ ния материалов, сырья и комплектующих изделий, управление запасами и разработку планов загрузки оборудования, предвари­ тельный расчет технико-экономических показателей (ТЭП). Схема автоматизации подготовки производства представлена на рис. В.2. Автоматизация подготовки производства сводится к переработке средствами вычислительной техники с помощью пакетов проблем­ но-ориентированных прикладных программ информации, содер­ жащейся в технической документации на осваиваемое изделие. Для ввода этой информации применяются обычные способы ввода информации в компьютер, в частности используются клавиатура и сканеры. Здесь различаются два случая: прохождение повторяющегося или оригинального заказа. Поэтому прежде всего система автома­ тизированной подготовки производства обращается к ведущемуся автоматизированному техническому архиву и выясняет, с каким из этих двух случаев мы имеем дело. Если имеется в виду повторяющийся заказ, то выискиваются наи­ более близкие к нему конструктивный и технологический аналоги. Если мы имеем дело с оригинальным заказом, то производит­ ся полная конструкторская, технологическая и организационная подготовка его запуска в производство с последующим занесени­ ем полученной информации в автоматизированный технологи­ ческий архив. В зависимости от назначения системы автоматизации произ­ водственных процессов в современном машиностроении подраз­ деляются следующим образом: • автоматической сигнализации, предназначенные для опове­ щения обслуживающего персонала о состоянии (работы, ожида­ ния работы, пребывания в ремонте) того или иного технологи­ ческого агрегата либо о протекании того или иного технологиче­ ского или производственного процесса;

• автоматического контроля (без участия человека) за раз­ личными параметрами и величинами, характеризующими ра­ боту того или иного технологического агрегата либо протека­ ние того или иного технологического или производственного процесса;

И Автоматизация подготов1си производства Автоматизация конструкторской подготовки производства Разработка общих видов Разработка спецификаций Автоматическая деталировка Автоматизация технологической подготовки производства Разработка маршрутной технологии Разработка операционной технологии Автоматические расчеты режимов Определение схем базирования и прижимов Разработка операционных эскизов Определение схем и точек контроля Подготовка управляющих программ для оборудования с ЧПУ Автоматизация организационной подготовки производства Разработка схем складирования и доставки Разработка планов работы оборудования Управление запасами Предварительный расчет техникоэкономических показателей Рис. В.2. Схема автоматизации подготовки производства • блокировки и защиты, предотвращающие возникновение ава­ рийных ситуаций в тех или иных технологических агрегатах;

• автоматического или автоматизированного пуска и остано­ ва, обеспечивающие включение, останов и реверс различных двигателей, необходимых для запрограммированного протека­ ния того или иного технологического или производственного процесса;

• автоматического или автоматизированного управления рабо­ той того или иного технологического агрегата или же их групп либо протеканием того или иного технологического или произ­ водственного процесса. Для получения данных о ходе производственного процесса и его дальнейшей автоматизации используются датчики первичной информации и элементы систем автоматизации, использующие и преобразующие полученную с датчиков хода производственного процесса информацию в целях последующей работы различного рода сервоприводов, приводящих в действие исполнительные ме­ ханизмы систем автоматизации. К такого рода компонентам систем автоматизации производ­ ственных процессов относятся: • датчики и чувствительные элементы (ЧЭ) параметров хода производственного процесса;

• усилители различного функционального назначения и раз­ личной физической природы;

• стабилизаторы;

• переключательные и логические элементы;

• исполнительные сервоприводы различного функционального назначения и различной физической природы;

• устройства питания. Применяющиеся для автоматизации производства датчики про­ изводственных параметров, обладающие электрическим выходом, можно подразделить на две группы: • параметрические;

• генераторные. П а р а м е т р и ч е с к и е д а т ч и к и изменяют в ответ на изме­ нение измеряемого производственного параметра какой-либо свой параметр. Чаще всего этим изменяемым параметром датчика является омическое сопротивление его чувствительного элемента. Питание такого параметрического датчика осуществляется от внешнего источника энергии, и величина подводимой энергии во всем ди­ апазоне измерений остается неизменной. Характерным примером такого рода датчика может служить термометр сопротивления. Г е н е р а т о р н ы е д а т ч и к и вьщают на выход измеритель­ ный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нужда­ ются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональ­ ной скорости вращения его ротора. По принципу измерений устройства получения информации, используемые для автоматизации производственных процессов, подразделяются на измерительные системы с абсолютным отсче­ том и измерительные системы с циклическими датчиками. В и з м е р и т е л ь н ы х с и с т е м а х с а б с о л ю т н ы м от­ с ч е т о м для каждого разряда измерения используется свой дат чик, цена деления выходного сигнала которого соответствует дан­ ному разряду. И з м е р и т е л ь н ы е с и с т е м ы с ц и к л и ч е с к и м и дат­ ч и к а м и содержат один датчик точного отсчета, соответствую­ щий младшему разряду измеряемой величины, а показания в бо­ лее старших разрядах формируются путем подсчета числа циклов этого датчика. Примерами обоих типов измерительных систем могут служить датчики координатных перемещений в станках с ЧПУ. Измерительные системы с абсолютным отсчетом устойчивы к сбоям в работе и к перерывам в питании, они могут работать при более высоких скоростях изменения измеряемого параметра. Измерительные системы с циклическими датчиками конструк­ тивно более просты, но предъявляют более высокие требования к быстродействию считывания и переработки измерительной ин­ формации, менее устойчивы к сбоям и перерывам в работе и пи­ тании, а также обладают свойством сохранять и накапливать ошиб­ ки отсчета. Другие названные выше компоненты систем автоматизации производства служат для различного преобразования получен­ ной информации и формирования на этой основе управляющих воздействий, поступающих на исполнительные устройства. Исполнительные устройства являются последним звеном в си­ стемах управления и через согласующие механизмы воздействуют на режим функционирования управляемого объекта, В зависимости от характера движения рабочего органа испол­ нительные устройства подразделяются на три группы: • исполнительные устройства с линейным движением;

• исполнительные устройства с поворотным движением (т.е. с вращением в пределах одного оборота выходного вала);

• исполнительные устройства с вращательным движением (т.е. с вращением, превышающим один оборот выходного вала). По виду используемой энергии исполнительные устройства подразделяются на электрические, гидравлические и пневмати­ ческие. К электрическим исполнительным устройствам относятся различного рода электродвигатели, электромагнитные муфты, втяжные и поворотные электромагниты, электромагнит­ ные реле, электромагнитные контакторы и др. Гидравлические исполнительные устройства включают в себя различного рода силовые цилиндры, поршневые двигатели, шестеренные двигатели, лопастные двигатели, управ­ ляемые клапаны и регуляторы и др. Пневматические исполнительные устройства также включают в себя различного рода силовые цилиндры, поршневые и лопастные двигатели, управляемые клапаны, а также диафрагменные приводы (главным образом, для задач за­ жима) и др. Снижения вспомогательного и подготовительно-заключительно­ го времени в современном машиностроительном производстве можно достигнуть (при прочих равных условиях) лишь путем по­ вышения уровня автоматизации всех этапов производственного цикла. Для решения поставленной таким образом задачи необходимо иметь определенную информацию, будь то данные, считанные с чертежа, или замеренные параметры детали или соответствующе­ го производственного процесса.

ГЛАВА ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 1.1. Общие характеристики датчиков производственных параметров Измерения технически осуществляются при помощи измери­ тельных преобразователей, использующих те или иные физиче­ ские принципы. На объект измерения обычно устанавливается дат­ чик, который состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей. Датчик — это устройство, воспринимающее измеряемый па­ раметр и вырабатывающее соответствующий сигнал в целях пе­ редачи его для дальнейшего использования или регистрации. Ча­ сто в технической литературе понятия датчиков (pick up) и из­ мерительных преобразователей (sensor) между собой не разделя­ ют и измерительные преобразователи называют просто датчика­ ми. Хотя с функциональной точки зрения понятия измеритель­ ного преобразователя и датчика совпадают, но в конструктор­ ской практике под датчиком следует понимать первичный изме­ рительный преобразователь, заключенный в корпус и снабжен­ ный устройствами для его установки и фиксации на объекте, а также кабелем для передачи сигнала и соответствующими разъе­ мами. Таким образом, измерительное преобразование представляет собой отражение одной физической величины с помощью другой физической величины или набора таких физических величин. Вы­ полняющий измерительное преобразование датчик работает в ре­ альных производственных условиях эксплуатации, зачастую весь­ ма тяжелых, связанных с высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно воздей­ ствует большое число параметров. Среди этих параметров только один является измеряемой величиной, а все остальные представ­ ляют собой внешние параметры, характеризующие производствен­ ную среду. Эти внешние параметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим об­ разом реагировать на измеряемую входную величину, вырабаты­ вая соответствующую выходную величину или код выходной вели­ чины. При построении датчиков используются различные физичес1сие принципы, которые в значительной степени определяют области рационального применения того или иного датчика. П а р а м е т р и ч е с к и й д а т ч и к изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и тре­ бует подключения к какому-либо внешнему источнику энергии. Г е н е р а т о р н ы й д а т ч и к сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии. В каче­ стве примеров датчиков такого рода можно назвать различные пье­ зоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчи­ ки скорости вращения. К параметрическим датчикам относятся: • резистивные;

• индуктивные;

• трансформаторные;

• емкостные. К генераторным датчикам относятся: • термоэлектрические;

• индукционные;

• пьезоэлектрические;

• фотоэлектрические. Применительно к датчикам используются следуюш,ие основ­ ные определения и термины. Функция преобразования измерительного преобразователя — это зависимость выходной величины данного измерительного преоб­ разователя от входной, задаваемая либо аналитическим выраже­ нием, либо графиком, либо таблицей. Чувствительность преобразователя — это именованная вели­ чина, показывающая, насколько изменится выходная величи­ на при изменении входной величины на одну единицу. Для тер­ мопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя — (с"^)/В (обороты в секунду на 1 вольт) и т.д. Разрешающая способность преобразования — это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено пре­ образователем. Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической вели­ чины. Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений. Точность {погрешность) измерения показывает, насколько по­ казанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой неко­ торую абсолютную величину. Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения. В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины де­ формируется. Входной величиной в таком случае может быть со­ средоточенная сила, крутяш.ий момент, давление газа или жид­ кости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр. Различают статическую и динамическую характеристики дат­ чика. Под статической характеристикой датчика понимают зависи­ мость между установившимися значениями входной и выходной величин. Под динамической характеристикой датчика понимают пове­ дение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной ве­ личины. Если в статической характеристике датчика строится зависи­ мость только между значением выходной величины Y ъ ответ на изменение входной величины X, то в динамической характери­ стике датчика участвует параметр времени / и такая характеристи­ ка представляет собой зависимость вида Y= Y{t). Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов, т.е. при /-^ сю. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой. Различные виды статических характеристик измерительных датчиков с пропорциональным выходом приведены на рис. 1.1. На рис. 1.1, ^ приведена идеализированная статическая харак­ теристика такого датчика. Нулевому значению входной величины в этом случае соответствует нулевое значение величины на выхо­ де. На рис. 1.1, 5 приведена идеализированная статическая харак­ теристика датчика с зоной нечувствительности. У такого датчика изменение входной величины до значения АА", называемого поро­ гом чувствительности, не ведет к появлению какого-либо сигна­ ла на выходе. Лишь после того как окажется, что Х> АХ, выходная величина будет расти, начиная от нуля, пропорционально изме­ нению входной величины. На рис. 1.1, в приведена идеализированная статическая ха­ рактеристика датчика с зоной нечувствительности и насыщением Рис. 1.1. Статические характеристики датчиков с пропорциональным вы­ ходом: а — идеализированная статическая характеристика;

б — идеализированная ста­ тическая характеристика с зоной нечувствительности;

в — идеализированная статическая характеристика с зоной нечувствительности и насыщением;

г — иде­ ализированная статическая характеристика с зоной нечувствительности, насы­ щением и гистерезисом выхода. У такого датчика, после достижения порога чувствитель­ ности выходная величина растет пропорционально росту входной величины, но до некоторого предельного значения AY, которое называется значением насыщения выходной величины. После того как окажется, что У> AY, дальнейший рост входной величины X не приводит ни к какому росту У. Наконец, на рис. 1.1, г приведена идеализированная статиче­ ская характеристика датчика с зоной нечувствительности на вхо­ де, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерези­ сом называется различие между характером соответствия выход­ ной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины. Практически это выражается в том, что значе­ ние выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность дат­ чика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной вели­ чины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом слу­ чае говорят о положительном гистерезисе, а во втором — об от­ рицательном. Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на вы ходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной пет­ ли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса настолько велика, что тарировочная кривая датчика заходит в область отрицатель­ ных значений входной величины, то это означает, что У= О при Jf < О, а при X =Q имеет место Y> 0. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе ос­ тается ненулевое значение и после того, как на его входе уста­ новится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными слова­ ми, наблюдая за состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «па­ мятью». Однако в реальной жизни практически не существует датчи­ ков с идеализированной пропорциональной (линейной) зави­ симостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единич­ ное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины. Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существен­ ным изменениям выходной величины, а в конце изменения вход­ ной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. В ряде случаев для удобства дальнейшего ана­ лиза фактическая нелинейная статическая характеристика дат­ чика в определенных пределах измерения и с определенным вли­ янием на показания этого датчика может быть приближенно за­ менена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации. В ряде случаев нелинейный характер статической характерис­ тики датчика не является вредным, а может быть эффективно ис­ пользован для различных задач автоматизации. Примером тако­ го рода, широко используемым в различных устройствах автома­ тизации, является датчик со статической характеристикой релей­ ного типа. При возрастании входной величины, до того как она достигнет порога срабатывания, на выходе датчика будет наблю­ даться нулевое значение выходной величины, а как только вход­ ная величина достигнет порога срабатывания, выходная величи­ на сразу же («щелчком») достигнет своей максимальной величи­ ны и при дальнейшем возрастании входной величины возрастать больше не будет. Примером такого рода может служить так назы ваемое двухпозиционное регулирование температуры в обычном домашнем холодильнике. Как только температура внутри холо­ дильника достигнет заданной величины, датчик температуры, называемый термостататом и обладающий релейной характери­ стикой, включит электромотор, прокачивающий хладоагент (фре­ он). При понижении температуры электромотор отключается и температура внутри холодильника перестает понижаться. Ранее рассматривались статические характеристики таких дат­ чиков, у которых входная величина, возрастая и убывая, остава­ лась тем не менее большей нуля. Как правило, это и имеет факти­ чески место при изменениях параметров технологических процес­ сов производства деталей машиностроения. Например, это харак­ терно при измерении перемещений рабочих органов станков, дав­ ления в гидросистемах или температуры в закалочных печах. Од­ нако в ряде случаев, например при измерении фактических от­ клонений размера детали от номинала, возможно отклонение измеряемой величины как в положительную, так и в отрицатель­ ную сторону. Выходная величина при этом может оказываться пропорциональной модулю изменения входной величины (или же зависящей от него нелинейно) как без гистерезиса, так и с гисте­ резисом. Обычно для сравнения при равных условиях динамических ха­ рактеристик различных датчиков считают, что на их входы посту­ пают воздействия одного и того же вида, а именно: ступенчатые. Это означает мгновенный «наброс» входной величины. Практи­ чески это соответствует, например, включению напряжения на электродвигатель либо помещению термопары в закалочную печь и т.д. Двигатель будет набирать обороты не мгновенно, а в соответ­ ствии с динамическими свойствами привода, в который он вклю­ чен. Показания термопары также начнут отражать температуру в печи не мгновенно, а по мере разогрева спая этой термопары и т.д. Для динамических характеристик датчиков характерны три слу­ чая. Первый случай соответствует чистому запаздыванию в датчике, когда его выходная величина просто повторяет (в определенном масштабе) входную величину, запаздывая по отношению к ней на постоянную величину. Второй случай соответствует апериодическому характеру пере­ ходного процесса, когда выходная величина постепенно прибли­ жается к новому установившемуся значению монотонным обра­ зом (монотонно убывая или же монотонно возрастая). Третий случай соответствует колебательному характеру пере­ ходного процесса, когда выходная величина постепенно прибли­ жается к новому установившемуся значению, совершая за время переходного процесса одно или несколько колебаний, превышая на время новое значение выходной величины, а затем возвраща­ ясь к нему. Динамические процессы в датчиках характеризуются показа­ телями качества переходного процесса. К их числу относятся: • время завершения переходного процесса;

• величина превышения в течение переходного процесса вы­ ходного параметра над его новым установившимся значением;

• число колебаний выходной величины за время завершения переходного процесса. Используется также интегральный показатель качества переход­ ного процесса, обычно представляющий собой подынтегральную площадь кривой переходного процесса. Для датчиков производственных параметров важными характе­ ристиками являются также диапазон измерений, представляющий собой разность между допустимыми максимальным и минималь­ ным установившимися значениями измеряемой величины, а так­ же полоса пропускания, представляющая собой разность между максимальной и минимальной частотами изменения входной ве­ личины, для работы с которыми предназначен данный датчик. Что касается погрешностей измерений производственных па­ раметров, неизбежно возникающих в любых практических систе­ мах автоматизации, то их пpи^iятo классифицировать следующим образом: • систематические;

• прогрессирующие;

• случайные;

• погрешности применения.

1.2. Основные виды типовых воздействий на датчики производственных параметров Для получения статических и динамических характеристик дат­ чиков параметров на входы этих датчиков подают типовые воз­ действия и наблюдают, как испытуемый датчик реагирует на по­ даваемое воздействие. К числу таких типовых входных воздействий относятся: • ударное, или мгновенное;

• ступенчатое;

• линейное;

• гармоническое. Ударное {входное) воздействие в случае, когда измеряемым па­ раметром является та или иная сила, может быть действительно интерпретировано как удар. Ударное воздействие, называемое также 5-функцией, представляет собой «пиковое» воздействие, которое в пределе имеет бесконечно большую (стремящуюся к оо) орди­ нату при бесконечно малой (стремящейся к 0) ширине А/ (дли­ тельности этого воздействия). График такого типового входного воздействия, прилагаемого к датчику в момент времени /*, при­ веден на рис. 1.2, а. Ступенчатое входное воздействие — это мгновенное изменение входного параметра на конечную величину. Записывается оно обычно в виде Jf = У4[1]. ЭТО трактуется таким образом, что при г < О имеет место Х = О, а при / > О имеет место X = А. Ступенчатое воздействие, при котором величина скачка на входе датчика рав­ на 100% всей измеряемой величины, называется единичным воз­ действием. График воздействия такого рода показан на рис. 1.2, б. Примером ступенчатого воздействия может служить замыка­ ние или размыкание цепи постоянного тока, приложение или сброс нагрузки с помощью механизма сцепления или управляе­ мой муфты и др. Ступенчатое воздействие является настолько рас­ пространенным и важным в производственной практике, что вы­ ходная реакция на воздействие такого рода выделяется среди про­ чих динамических характеристик и носит специальное название временной характеристики. График ступенчатого входного воздействия, приведенный на рис. 1.2, б, является идеализированным, поскольку он предпола­ гает «мгновенное» (т.е. за отрезок времени, равный 0) нарастание входной величины от О до А. На самом деле такое «мгновенное» нарастание входной величины невозможно и произойдет за отре­ зок времени А/ Ф 0. На этом отрезке времени входную величину можно считать нарастающей по линейному закону, что также яв­ ляется идеализацией, а в общем случае такое нарастание входной величины датчика реально должно происходить по тому или ино­ му нелинейному закону.

arctgA' а о в Рис. 1.2. Графики ударного, ступенчатого и линейного входных воздей­ ствий: а — ударного входного воздействия;

б — ступенчатого входного воздействия;

в — линейного входного воздействия Линейное входное воздействие на датчик подразумевает измене­ ние во времени входной величины по линейному (пропорцио­ нальному) закону. В этом случае Jf = Kt, где К— константа. Такой вид типового воздействия широко применяется при испытаниях следящих систем, а именно таких систем, когда выходной пара­ метр системы должен воспроизводить в том или ином масштабе некоторую задающую величину, характер изменений которой за­ ранее не предопределен. Примером такого рода является пневмогидравлическая система усиления мощности для рулевого управ­ ления тяжелых грузовиков, автобусов, а также высококлассных легковых автомобилей. Здесь угол поворота направляющих колес автомобиля должен «отслеживать» поворот рулевой «баранки», со­ вершаемый водителем без особого усилия. Другим примером тако­ го рода является следящая система гидрокопировального автомата, где перемещение силового поперечного суппорта должно «отсле­ живать» перемещение задающего копировального щупа, взаимо­ действующего без особой нафузки с шаблоном, изготовленным из легкообрабатываемого материала, например из алюминия. График линейного входного воздействия изображен на рис. 1.2, в. Гармоническое входное воздействие — это такое воздействие, при котором входная величина изменяется по гармоническому зако­ ну, т. е. по закону синуса или косинуса. Такое воздействие приме­ няется тогда, когда производится испытание изделия или его ком­ понента с помощью частотных методов. Примером такого рода является исследование подвески автомобиля на вибростенде. Су­ щество таких испытаний заключается в том, что исследуемую подвеску «трясут» с изменяющимися частотой и амплитудой и смотрят, что при этом происходит. Целью исследования изделия или его компонентов частотными методами является получение частотных характеристик данного изделия или компонента. Частотными характеристиками называются зависимости, свя­ зывающие в установившемся режиме входные и выходные вели­ чины линейной системы, когда подаваемые на ее вход величины изменяются во времени по гармоническому закону. Обратим вни­ мание на то, что установившийся режим вовсе не означает не­ подвижности. Это означает лишь то, что по истечении времени переходного периода в системе установится движение с неизме­ няющимися параметрами. В частности, если на вход такого компонента системы подается гармоническое воздействие вида X{t) = asincot с частотой со и амплитудой а, то через некоторое время, необхо­ димое для завершения переходного процесса, на выходе этого компонента также установятся синусоидальные колебания с той же частотой, но отличные по амплитуде и сдвинутые по отноше Рис. 1.3. Изображение гармонического воздействия на комплексной плоскости нию к синусоидальному сигналу на входе данного компонента по фазе, что записывается следующим соотношением: 7(0= ^sin(co^ + ф). На комплексной плоскости входная X(t) и выходная Y{t) ве­ личины для каждого момента времени / изображаются векторами а и А, проведенными из начала координат под углами Ш и (Ш + ф). Действительные части гармонических входных и выходных вели­ чин, представленных в комплексной форме, равны соответствен­ но acoscot и y4cos(co/ + ф), а мнимые части — asinco/ и А$т(Ш + ф). Графическое изображение гармонического воздействия представ­ лено на рис. 1.3. Вертикальная ось координат соответствует мни­ мым частям входной и выходной величин, а горизонтальная ось — их действительным частям. Обозначив Y(t)/X(t) = lV(j(o), получим lV(j(o) = [АсхрЛш + ф)]/(йfexpycoO = (A/a)Qxp(j(p). Отношение lV(J(o) называется комплексным передаточным ко­ эффициентом. На комплексной плоскости этот коэффициент фафически изоб­ ражается в виде точки. При изменении частоты воздействия со от О до оо изменяются и значения модуля выходной величины (длина отрезка от начала координат до данной точки), и сдвиг ее фазы ф относительно входного воздействия. Конец отрезка, находящийся в данной точке, будет при этом описывать некоторую кривую, характерную для данного датчика, называемую годографом. Этот годограф называется амплитудно-фазовой характеристи­ кой (АФХ) данного датчика. Зависимость модуля комплексного передаточного коэффици­ ента И^от частоты со называется амплитудно-частотной характе­ ристикой (АЧХ) данного датчика. Зависимость сдвига фазы ф от частоты со называют фазово-частотной характеристикой (ФЧХ) данного датчика. Амплитудно-фазовая характеристика и вытекающие из нее АЧХ и ФЧХ относятся только к установившимся режимам.

Для построения промышленных датчиков производственной информации используются различные физические эффекты. Ос­ новные типы промышленных датчиков классифицируются с то­ чки зрения используемых в них физических явлений.

1.3. Электроконтактные датчики Электроконтактные датчики строятся на основе преобразова­ телей, которые преобразуют механическое перемещение в замк­ нутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Существует большое число конструкций электроконтактных преобразователей различного назначения. Так, достаточно широ­ кое применение нашел двухконтактный преобразователь. В д в у х к о н т а к т н о м п р е о б р а з о в а т е л е шток с изме­ рительным наконечником (обычно твердосплавным) прижима­ ется создающей измерительное усилие пружиной к контролируе­ мой поверхности измеряемой детали. Если осуществляется актив­ ный контроль, то шток преобразователя может прижиматься к той или иной промежуточной детали. Перемещающийся шток пре­ образователя обычно кинематически связан с поворачивающейся деталью, называемой коромыслом, на концах которого устанав­ ливаются два контакта, предназначенные для замыкания и раз­ мыкания соответствующих электрических цепей. Положение этих контактов может регулироваться при настройке преобразователя (с помощью резьбовых настроечных головок). В начале обработки детали, когда ее размер наибольший, из­ мерительный шток контрольного устройства находится в край­ нем положении. Первая пара из заранее настроенных контактов замкнута. По мере уменьшения контролируемого размера обраба­ тываемой детали измерительный шток преобразователя переме­ щается и коромысло начинает поворачиваться. Первая пара кон­ тактов размыкается, вследствие чего формируется и подается ко­ манда на изменение режима работы, например на переход от чер­ новой к чистовой обработке. При дальнейшем снятии припуска измерительный шток продолжает перемещаться, а коромысло поворачиваться, пока вторая пара заранее настроенных контактов не замкнется. Это значит, что заданный размер достигнут, и даль­ нейшая обработка прекращается. Для контроля и многодиапазонной сортировки деталей на раз­ мерные группы необходимо использовать м н о г о к о н т а к т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и. Принципиальная схема такого преобразо­ вателя представлена на рис. 1.4. Здесь используется та же конструкция с той лишь разницей, что вместо одной пары контактов здесь устанавливается группа из нескольких контактов, закрепленных на плоских пружинах. По мере перемещения измерительного штока 3 в направляющих 2 под воз­ действием нажимного устройства 4 последовательно замыкаются несколько пар контактов в контактной группе 5, чем обеспечива­ ется подача сигналов по мере достижения деталью 7 того или иного размера. При построении и эксплуатации электроконтактных датчиков проблема заключается в уменьшении тока, протекающего через контакты. Эта проблема решается в э л е к т р о н н ы х к о н т а к т ­ ных реле. Принципиальная схема электронного контактного реле приведена на рис. 1.5. На этой схеме 7 и 2 — резисторы, активные сопротивления, образуют входной делитель напряжений;

3 — обмотка электро­ магнитного контактного реле;

^ — транзистор. На эмиттер транзи­ стора 4 через обмотку электромагнитного контактного реле 3 под­ водится постоянное напряжение +Е^, а к его коллектору подклю­ чено постоянное напряжение -Е^. При отсутствии или малом зна­ чении напряжения на входе ток базы транзистора 4 определяется напряжением смещения, создаваемым входным делителем на ос­ нове соотношения величин сопротивлений резисторов 7 и 2. Кол­ лекторный ток транзистора ^ в р раз ф — коэффициент усиления транзистора 4) больше, чем ток его базы, но при этом не превы­ шает тока срабатывания реле 3, При небольшом изменении вход­ ного напряжения ток базы транзистора 4 увеличится, а ток кол —О ' Рис. 1.5. Принципиальная схема Рис. 1.4. Схема многоконтактного пре­ электронного контактного реле: образователя: 7 — измеряемая деталь;

2 — направляю­ и 2 — входные резисторы;

3 — об­ мотка электромагнитного контакт­ щие;

3 — измерительный шток;

4 — на­ ного реле;

4 — транзистор жимное устройство;

5 — многоконтакт­ ная группа лектора этого транзистора увеличится еще значительней и реле 3 сработает. Изменять напряжение на базе транзистора и тем самым вклю­ чать и выключать электромагнитное реле можно не только пода­ чей напряжения на базу транзистора, но и изменением соотно­ шения величин сопротивлений во входном делителе. Если резис­ тор 2 в рассмотренной схеме заменить фоторезистором, получит­ ся то, что принято называть «фотореле». При подаче света на фо­ торезистор 2 реле 3 срабатывает. Для бесконтактного точного измерения размеров, особенно в массовом производстве, характерном для автомобильной и ряда других отраслей механической обработки, часто применяются п н е в м о э л е к т р о к о н т а к т н ы е д а т ч и к и. Принцип действия такого датчика основан на измерении сопротивления истечению воздуха через калиброванное сопло, находящееся на том или ином расстоянии от поверхности. Это расстояние и является контроли­ руемой величиной, а само пневматическое сопротивление, обра­ зованное сочетанием калиброванного сопла с какой-либо поверх­ ностью, в пневмоавтоматике принято называть элементом типа «сопло-заслонка». Незначительное изменение расстояния между калиброванным соплом и какой-либо поверхностью приводит (та­ ково свойство элемента типа «сопло-заслонка») к существенному изменению пневматического сопротивления элемента типа «со­ пло-заслонка» и, следовательно, к повышению давления воздуха перед ним. Повышение давления воздуха следует преобразовать в перемещение какой-либо жесткой поверхности, причем значи­ тельно большее, чем исходное изменение расстояния между ка­ либрованным соплом и поверхностью контролируемой детали. Это будет означать безлюфтовое и без использования подвижных ча­ стей «усиление» исходного механического перемещения. Преоб­ разование изменения давления воздуха в перемещение жесткой поверхности (жесткого торца) осуществляется сильфоном. Сильфон — это замкнутый цилиндр с тонкими гофрированными стен­ ками, обычно изготавливаемый из латунной фольги. При подаче в него давления воздуха сильфон «раздувается» и его торцы пе­ ремещаются друг относительно друга. Один из этих торцев может быть закреплен, а на втором устанавливается электрический кон­ такт. Конструктивная схема дифференциального сильфонного пневмоэлектроконтактного датчика приведена на рис. 1.6. Контроль диаметра отверстия в обрабатываемой детали 5 осу­ ществляется с помощью пневматического калибра-пробки 4, Сжа­ тый воздух подается от компрессорной сети через фильтр и стаби­ лизатор давления в полости левого 7 и правого 3 сильфонов. Дав­ ление стабилизированного и очищенного питающего воздуха ин­ дицируется с помощью стрелочного манометра. Одновременно Рис. 1.6. Конструктивная схема пневмоэлектроконтактного датчика:

1 — левый сильфон;

2 — подвижная рамка;

3 — правый сильфон;

4 — калибрпробка;

5 — измеряемая деталь очищенный и стабилизированный сжатый воздух поступает к ка­ либру-пробке 4 и к регулируемому дросселю. Расход воздуха через дроссель при его определенной настройке будет постоянным, по­ этому неизменным будет и давление в левом сильфоне 7. Расход воздуха через сопло калибра-пробки и соответственно давление в правом сильфоне 3 будут зависеть от фактической величины зазо­ ра между внутренней поверхностью контролируемого отверстия и калибром-пробкой 4, т. е. от фактического размера контролируе­ мого отверстия. Если размер отверстия находится в пределах допуска, то дав­ ление воздуха в правом и левом коленах датчика примерно одина­ ково и датчик не подает никаких команд. Если диаметр отверстия^ меньше заданного, то зазор между калибром-пробкой 4 и отверстием сопла будет маленьким и дав­ ление в правом колене датчика возрастет. Тогда правый сильфон 3 растянется, а левый сильфон 1 сожмется. Рамка 2, подвешенная к корпусу датчика на плоских пружинах, сместится влево, что вы­ зовет замыкание левого регулируемого контакта. От датчика тогда последует дискретный сигнал «Размер занижен». Если же отверстие получилось больше заданного, давление в правом колене датчика станет меньше, чем в левом, левый силь­ фон 1 растянется, а правый сильфон 3 сожмется. Рамка 2, подве­ шенная к корпусу датчика на плоских пружинах, сместится впра во, что вызовет замыкание правого регулируемого контакта. От датчика тогда последует дискретный сигнал «Размер завышен». К воздуху, питающему датчик, предъявляются определенные технические требования. Этот воздух должен быть очищен от ме­ ханических примесей, а также от водяного и масляного конденса­ тов. Давление питающего воздуха должно быть стабилизировано в определенных пределах. Поэтому обычно в заводской практике для питания измерительных пневмоэлектроконтактных датчиков не используется воздух от силовой компрессорной сети, а создается специальный источник.

1.4. Реостатные датчики В практике автоматизации производственных процессов маши­ ностроения широко применяются реостатные датчики. Реостат­ ными {потенцыометринескыми) датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей, представляющих собой реостат, движок которого движется под действием измеря­ емой неэлектрической величины. Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной — изменение сопротивления. В реостатных датчиках на каркас, выполненный из изоляцион­ ного материала, с равномерным шагом наматывается обладаю­ щая определенным сопротивлением проволока. Изоляция прово­ локи с одной стороны каркаса зачищается, и по зачищенному участку скользит токосъемная щетка. Вторая щетка скользит по токосъемному кольцу. Обе щетки изолируются от оси, на которой они установлены. Обычно в реостатных преобразователях исполь­ зуется намотанная проволока на основе сплавов платины, обла­ дающих высокими коррозионной стойкостью и износостойкос­ тью. Используются также такие сплавы как фехраль, манганин и константан. Минимальные габаритные размеры реостатных дат­ чиков лежат в пределах 5 мм. Выбирая форму каркаса,^ можно получить требуемую зависи­ мость между механическим перемещением движка и выходным сопротивлением. Несмотря на простоту и относительно большую распростра­ ненность реостатных датчиков они обладают определенными не­ достатками, главными из которых следует считать ограниченный срок службы (не превышающий одного миллиона циклов) и шу­ мовой фон, возникающий вследствие механического перемеще­ ния контактных щеток. На рис. 1.7, а приведена принципиальная схема реостатного датчика с каркасом постоянной высоты, а на рис. 1.7, б показана f4x V ^ л н ц,« Лн о J[ Рис. 1.7. Принципиальная схема и нагрузочная характеристика реостат­ ного датчика: а — принципиальная схема;

б — нагрузочная характеристика нагрузочная характеристика — зависимость его выходного напря­ жения от входного перемещения щетки-движка. На рис. 1.7 i/вх — запитывающее напряжение реостатного дат­ чика;

L — длина реостатного датчика;

jc — измеряемое перемеще­ ние;

4ых — напряжение на выходе датчика;

R^ — подключаемая нагрузка;

р — коэффициент нагрузки, р = R^/Rn (Rn — полное сопротивление датчика). Естественно, что при бесконечно большой нагрузке (т.е. при полном разрыве выходной цепи) напряжение на выходе датчика оказывается прямо пропорциональным входному перемещению. При любой нагрузке, подключенной к реостатному датчику, его характеристика преобразования теряет свой линейный характер. Можно также построить и р е в е р с и в н ы й р е о с т а т н ы й д а т ч и к, т. е. такой датчик, у которого изменение знака входного перемещения приводит к изменению знака напряжения на выхо­ де датчика. Такие реостатные датчики строятся на основе потен­ циометров со средней точкой. Датчиками, омическое сопротивление которых изменяется под действием силовых факторов, являются также э л е к т р о к о н ­ т а к т н ы е д а т ч и к и с о п р о т и в л е н и я. Принцип действия ис­ пользуемых для построения таких датчиков преобразователей ос­ нован на изменении под действием механического давления элек­ трического сопротивления между проводящими элементами, раз­ деленными слоями из плохо проводящего электричество матери­ ала. В качестве такого материала могут использоваться слои элект­ ропроводящей бумаги, электропроводящей резины или металли­ ческие пластины, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой. Такие преобразователи используются, например, в тактиль­ ных датчиках роботов и манипуляторов. Здесь давление порядка 100 кПа вызывает изменение сопротивления преобразователя со 100 Ом до 2 кОм. Другим примером электроконтактного датчика сопротивления может служить обычный угольный микрофон, преобразующий колебания акустического давления в соответствующие колебания электрического сопротивления. Для повышения чувствительности и исключения температур­ ных погрешностей в схемах промышленной автоматики часто ис­ пользуется дифференциальный угольный датчик. В таких датчиках между двумя проводящими, обычно металли­ ческими, пластинами, которые служат для подсоединения к ним проводников, набирается столб из угольных пластин. Посередине этого столба между двумя соседними угольными пластинами ус­ танавливается металлическая пластина, одна сторона которой со­ единена с проводником, а другая — с рычажной системой, к которой прилагается измеряемое усилие. Когда это усилие равня­ ется нулю, сопротивления угольных пластин верхней и нижней половин угольного столба равны между собой. Если измеряемое усилие оказывается не равным нулю, то сопротивление одной по­ ловины угольного столба увеличивается, а сопротивление другой его половины уменьшается.

1.5. Тензорезисторные датчики в основе работы тензорезисторных датчиков лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления провод­ ников и полупроводников при их механической деформации. Тен­ зорезисторные датчики способны измерять деформации порядка одного микрона. Тензорезисторные датчики бывают трех различных типов: про­ волочные, фольговые и полупроводниковые. П р о в о л о ч н ы е т е н з о д а т ч и к и могут быть ненаклеиваемыми и наклеиваемыми, а полупроводниковые — наклеиваемы­ ми и диффузионными. Ненаклеиваемый проволочный тензодатчик обычно состоит из четырех проволочных секций, намотанных на рамки. Рамки ори­ ентируются таким образом, что усилия, перпендикулярные к их плоскостям, будут вызывать увеличение напряжения в двух сек­ циях, в то же время уменьшая его в двух оставшихся секциях. Проволочные секции электрически соединяют между собой та­ ким образом, чтобы они образовывали четыре плеча измеритель­ ного моста. Ненаклеиваемые тензодатчики обладают меньшей чувствитель­ ностью, чем наклеиваемые, и имеют большие габаритные разме­ ры. Они обычно используются в приборах, в которых представля ют собой конструктивную часть какого-либо другого устройства, например нагрузочного элемента или же акселерометра. Для наклеиваемых проволочных тензорезисторных датчиков характерна следующая конструкция. На держатель — полоску тон­ кой бумаги или лаковую пленку — наклеивается решетка из зигза­ гообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02...0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные провод­ ники. Сверху тензорезистор покрывается слоем лака. Такой тензорезистор, наклеенный на испытуемую деталь, воспринимает де­ формации ее поверхностного слоя. Конструкция чувствительного элемента тензорезисторного дат­ чика может быть многослойной или же планарной. Чувствительные элементы ф о л ь г о в ы х т е н з о р е з и с т о р ­ н ы х д а т ч и к о в обычно получают травлением из фольги тол­ щиной 4... 12 мкм. С помощью такой технологии удается полу­ чить тензопреобразователи с меньшими габаритными размера­ ми, чем проволочные. Известны фольговые тензорезисторы с базой 0,8 мм. Фольговые тензорезисторы можно также получить методом вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последу­ ющим его осаждением на основу (подложку). В этом случае форма тензорезистора определяется маской, через которую производит­ ся напыление. Пленочные тензорезисторы имеют толщину менее 1 мкм. На рис. 1.8 представлены примеры конструктивных схем про­ волочных и фольговых тензорезисторных чувствительных элемен­ тов датчиков. На рис. 1.8, а показана схема проволочного тензоре­ зисторного чувствительного элемента, а на рис. 1.8, б — схема фольгового тензорезисторного чувствительного элемента.

) ) ) ) <ш) >м< а Рис. 1.8, Схемы проволочного и фольгового тензорезисторных чувстви­ тельных элементов: схема проволочного тензорезисторного чувствительного элемента;

б • схема фольгового тензорезисторного чувствительного элемента Чувствительные элементы п о л у п р о в о д н и к о в ы х т е н з о р е з и с т о р н ы х д а т ч и к о в изготовляют из кремниевых крис­ таллов. Наклеиваемый полупроводниковый датчик по конструкции подобен наклеиваемому металлическому тензодатчику, но дает на выходе большее по сравнению с ним напряжение. Диффузный полупроводниковый датчик изготовляется путем диффузии материала датчика в поверхность диафрагмы, которая представляет собой тонкий срез монокристалла кремния. Он име­ ет более высокую линейность и меньший гистерезис, чем полу­ проводниковые датчики наклеиваемого типа, но уровень выход­ ного сигнала у него по сравнению с ними ниже. Для изготовления тензочувствительных элементов датчиков используются металлы, обладающие высокой температурной ста­ бильностью, т.е. низким температурным коэффициентом сопро­ тивления, что особенно важно при измерении статических на­ пряжений.

1.6. Пьезоэлектрические датчики Механическое воздействие, приложенное определенным об­ разом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем элект­ рическое напряжение, что называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлек­ трическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом, Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происхо­ дит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электриче­ ского поля. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др. Поэтому кроме естественных кристаллов для получения пьезоэффекта используется также и пьезокерамика. Но в отличие от естественных кристаллов пьезокерамика вследствие хаотической ориентации ее электрических диполей сразу после изготовления не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Для приобретения таких свойств ее подвергают так называемой «тренировке». Эта «тренировка» заключается в воздействии на пьезокерамический чувствительный элемент электрического поля в диапазоне от 10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже точки Кюри. После этого такой чувствительный элемент будет вести себя как моно кристалл. Преимущество пьезокерамики, заключающееся в том что из нее оказывается возможным изготовлять детали сложной кон­ фигурации, отличающиеся высокой химической стойкостью, при этом сохраняется. Однако керамический материал может и потерять свои пьезо­ электрические свойства, если он подвергается воздействию силь­ ного переменного электрического поля или воздействию посто­ янного поля, противоположного первоначальному направлению поляризации, или если температура возрастает выше точки Кюри, или если измеряемое механическое воздействие превышает опре­ деленный уровень. На рис. 1.9 показаны различные принципиальные схемы чув­ ствительных элементов пьезоэлектрических датчиков. На рис. 1.9, а изображен чувствительный элемент, в котором используется прямой пьезоэлектричекий эффект. Такие элементы применяются в датчиках силы, давления и ускорения. На рис. 1.9, 5 изображен чувствительный элемент, в котором используется обратный пьезоэлектричекий эффект. Такие элементы применяются для излучения акустических, в том числе ультра­ звуковых колебаний, а также в пьезоэлектрических реле и в ис­ полнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов и т.д. На рис. 1.9, в изображен преобразователь, в котором использу­ ются как прямой, так и обратный пьезоэлектрические эффекты. Это так называемые пьезорезонаторы, имеющие максимальный ко­ эффициент преобразования на определенной резонансной частоте и резко уменьшающие этот коэффициент при отклонении от ре­ зонансной частоты. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.

I <»«.<»и|^(вау||1я№»| Jl И.

в Рис. 1.9. Различные принципиальные схемы чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков: а — использование прямого тензоэффекта;

б — использование обратного тензоэффекта;

в — использование как прямого, так и обратного тензоэффектов Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обрат­ ной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и ис­ пользуются в качестве задающего генератора колебаний. В зависи­ мости от типа используемого кристалла и типа возбуждаемых ко­ лебаний пьезорезонаторы служат для выполнения двух различных функций: • для обеспечения высокостабильной собственной частоты, не зависящей от внешних условий;

• генерации колебаний с управляемой собственной частотой (управляемые пьезорезонаторы). Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в ча­ стотно-цифровых приборах в качестве преобразователей различных неэлектрических величин, таких как давление, температура, ус­ корение, в частоту электрических колебаний. Пьезоэлектрические чувствительные элементы являются осно­ вой для наиболее точных преобразователей, используемых для изготовления датчиков давлений, ускорений и сил. В акселерометрах, работающих в условиях больших вибраций, особое значение имеет надежность крепления пьезочувствительных элементов к основанию прибора и инерционной массе. Обы­ чно такое крепление осуществляется с помощью пайки. Высокие требования предъявляются также к кабелю, соединяющему дат­ чик акселерометра с последующими элементами измерительной цепи (с усилителем). Эти требования таковы: • большое сопротивление изоляции и ее надежность;

• наличие зкранирующей оплетки и малая емкость между про­ водящей жилой и экранирующей оплеткой;

• гибкость и антивибрационная стойкость. Для обеспечения симметричности сопротивления связи пьезодатчик обычно выполняется из нечетного числа пластин. Для по­ вышения чувствительности пьезодатчиков их обычно выполняют на основе батареи пьезоэлементов, соединяемых между собой при помощи металлических (фольговых) прокладок. В пьезоэлектрических преобразователях используют также фольгированную с обеих сторон пьезоэлектрическую пленку. Такую пленку предварительно складывают «гармошкой», а после этого подвергают нагреву. Увеличение чувствительности может быть достигнуто и за счет использования поперечного пьезоэффекта. Однако в этом случае тонкая пластинка, нагружаемая вдоль, может потерять устойчи­ вость. Для повышения устойчивости применяется жесткая «коробча­ тая» конструкция, состоящая из трех вертикальных пластин, у которых внутренние и внешние обкладки соединены между со­ бой. Высокой чувствительностью обладают пьезопреобразователи, работающие на изгиб. Пьезоэлемент, называемый в этом случае биморфным, состоит из двух пластин. При действии изгибающей силы верхняя пьезопластина испытывает растяжение, а нижняя — сжатие, в результате чего на этих пластинах появляются заряды противоположного знака. Благодаря металлическим накладкам и прокладкам соответствующие напряжения выводятся наружу пре­ образователя, а дальше могут соединяться в зависимости от на­ правления в них положительных осей как параллельно, так и пос­ ледовательно. Вместо одной из пьезопластин может использоваться металли­ ческая накладка существенной толщины. Толщина этой металли­ ческой пластины для предполагаемой нагрузки выбирается таким образом, чтобы вся пьезопластина оказывалась выше нейтраль­ ной линии. Для повышения чувствительности используются так­ же пьезоэлементы, работающие на сдвиг, 1.7. Датчики производственных параметров на основе эффекта Холла Эффект Холла применяется для измерения напр51женности маг­ нитного поля. Датчики, использующие эффект Холла, относятся к генераторным. Они сами вырабатывают электрическое напряже­ ние, однозначно определяющее характеристики измеряемого маг­ нитного поля. Эффект Холла имеет место у всех материалов, хотя и в разной степени. Практически же промышленные датчики та­ кого рода реализуют на базе полупроводников. Сущность эффекта Холла показана на рис, 1.10. Если пластина полупроводника единичной толщины помеща­ ется в магнитное поле с напряженностью Я, а вдоль нее течет ток величиной / и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнит­ ного поля, то на боковых гранях этой пластины возникает раз­ ность потенциалов UQ, определяемая выражением:

Рис. 1.10. Сущность эффекта Холла ^0 = ^я/Я, где Кн — постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей зарядов (электронов и ионов) в материале пластины. Для того чтобы эффект Холла проявлялся в наибольшей степе­ ни, толщина пластины преобразователя должна быть наимень­ шей. В качестве полупроводниковых материалов для пластин дат­ чиков, использующих эффект Холла, применяются обычно арсенид индия и фосфид-арсенид индия. Фосфид-арсенид индия ис­ пользуется при высоких температурах. Существуют три способа изготовления полупроводниковых пластин датчиков, использующих эффект Холла. 1. Пластина полупроводника отрезается от исходного куска материала, а затем вытравляется до толщины 5... 100 мкм. После этого ее приклеивают к подложке эпоксидной или полиэфирной смолой, которые хорошо заполняют трещины и обеспечивают хо­ роший теплоотвод. 2. Полупроводниковый материал из паров осаждается на под­ ложку, образуя слой толщиной 2...3 мкм. 3. Слой полупроводникового материала выращивается из газо­ вой фазы на подложке, изготовляемой из полуизолятора, чаще всего из арсенида галлия. Преобразователи, полученные таким спо­ собом, имеют высокую стабильность и используются для преци­ зионных измерений. Наиболее широко преобразователи, использующие эффект Холла, применяются для измерения параметров магнитных по­ лей, а также для определения характеристик ферромагнитных ма­ териалов. Эти преобразователи находят применение также и для измере­ ния других физических величин, изменение которых легко преоб­ разуется в изменение магнитной индукции. С помощью преобра­ зователей, использующих эффект Холла, можно измерять угло­ вые и линейные перемещения, электрические токи и др.

1.8. Емкостные преобразователи Принцип работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении электрической емкости под действием измеряемой физической величины. Существуют различные принципиальные способы, по которым строятся емкостные измерительные преобразователи. На рис. 1.11, (3 показано изменение электрической емкости путем изменения расстояния между пластинами конденсатора, а на рис. 1.11, б приведена статическая характеристика такого преобразо Рис. 1.11. Принцип работы и статические характеристики емкостных чув­ ствительных элементов:

а — схема емкостного чувствительного элемента;

б — его статическая характери­ стика с изменением расстояния между обкладками;

в — схема дифференциаль­ ного емкостного чувствительного элемента;

г — его статическая характери­ стика с изменением расстояния между обкладками вания. Эта характеристика представляет собой обратно пропорци­ ональную (гиперболическую) зависимость. На рис. 1.11, в показано дифференциальное изменение элект­ рической емкости путем введения дополнительной металличе­ ской пластины между пластинами конденсатора, имеющей соб­ ственный электрический вывод, а на рис. 1.11, г приведена ста­ тическая характеристика такого преобразования, т.е. зависимос­ ти для Q и С2, где Q и С2 — соответственно электрические емкости конденсаторов, лежащих выше и ниже средней метал­ лической пластины. Наибольшая чувствительность емкостного преобразователя имеет место, когда его пластины максимально близки друг к другу. Однако принято считать, что расстояние между ними не может быть менее чем 100 мкм, поскольку в реальности пластины могут быть непараллельными и не плоски­ ми и обладать излишней шероховатостью. Поэтому существует опасность их соприкосновения. В результате оказывается пред­ почтительным иметь большие по площади пластины даже с боль­ шим зазором между ними. Для измерений смещений менее 1 мм применяются емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластина­ ми. Для измерения смещений, превышающих 1 мм, чаще всего используются преобразователи с изменяющейся площадью пере­ крытия пластин. В современных емкостных преобразователях обес­ печивается возможность измерения перемещений порядка долей микрона. Роль одной из пластин конденсатора может выполнять само изделие, перемещение которого подлежит измерению. Емкостные преобразователи применяются главным образом в стационарных условиях для проведения стендовых исследований и для прецизионных измерений физических величин. Эти датчики чувствительны к температурным колебаниями и изменению влажности. Они могут давать ошибочный или иска­ женный сигнал, если соединительные провода имеют большую длину и собственные емкость и индуктивность. Калибровка таких датчиков должна производиться вместе с кабелем. Для подключения емкостных датчиков особенно важно исполь­ зовать бифилярную обмотку, которая в общем случае представля­ ет собой витки из уложенных рядом, но обеспечивающих проти­ воположное направление протекания тока проводников. Такая обмотка обеспечивает не только электрический контакт, но и вза­ имное уничтожение полей, создаваемых противоположно проте­ кающими токами: эти поля ведут к созданию реактивного сопро­ тивления соединительных кабелей. Таким образом, можно счи­ тать, что бифилярная обмотка обладает чисто активным омичес­ ким сопротивлением. Распространенным устройством, преобразующим акустические колебания окружающей воздушной среды в соответствующие элек­ трические сигналы, является емкостный микрофон. Емкостные датчики также используются и для измерения влаж­ ности. В этом случае датчик представляет собой конденсатор, со­ стоящий из диэлектрической пленки, на обе стороны которой путем напыления наносятся электроды из золота. Емкость такого датчика оказывается примерно прямо пропорциональной влаж­ ности окружающей среды, а его постоянная времени составляет примерно 2 мин.

1.9. Оптоэлектронные преобразователи Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. В настоящее время возрастает преобладание волоконно-оптических датчиков, которые обеспечивают стабиль­ ную работу в условиях сильных электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасных средах. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы, переме­ щения, скорости, акустических параметров, напряженности элек­ трического и магнитного полей. Известно,что видимый свет вместе с ультрафиолетовым (УФ) и инфракрасным (ИК) излучением составляет лишь небольшую часть всей полосы частот электромагнитного излучения, называе­ мой областью оптических частот. Измерения в области оптических частот называются радиометрией. Радиометрия, использующая видимый свет, называется фотометрией. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, находящиеся в диапазоне длин от 0,001 до 1 000 мкм. Этот диапазон длин волн, в свою очередь, разделен на три поддиапа зона: ультрафиолетовую область, область видимого света и об­ ласть инфракрасного излучения. Ультрафиолетовая область разделена на ближний ультрафио­ лет (длина волны равна 400...200 нм) и далекий (длина волны 200... 10 нм). Область видимого спектра составляет диапазон длин волн от 370 до 770 нм и разделена на различные цвета. Инфракрасное излучение лежит между областью видимого света и радиомикроволнами и, в свою очередь, разделено на три поло­ сы, а именно на ближнее, среднее, далекое инфракрасные излу­ чения. Для описания оптических явлений используются три системы величин: энергетическая, световая и квантовая. В энергетической системе поток измеряется в ваттах, а в свето­ вой — в люменах. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц — квантов. Обычно световой поток состоит из излучений с различными частотами, но при создании оптических преобразователей жела­ тельно использовать световой поток, состоящий из излучения одной какой-либо частоты. Такой одночастотный поток называют монохроматическим. Если волны отдельных излучений, из которых состоит поток, находятся в одной и той же фазе по отношению друг к другу, то такой поток называют когерентным. Когда световой поток проходит через границу раздела двух сред, его направление меняется и происходит преломление света. Когда свет падает на какую-либо поверхность, часть его пре­ ломляется, часть отражается, а часть проходит сквозь среду, раздел с которой образует рассматриваемая поверхность. Коэф­ фициент отражения изменяется в зависимости от состояния и свойств этой поверхности и длины волны падающего света. Он колеблется от 98 для покрытой оксидом магния полированной поверхности до 1 % для поверхности, покрытой сажей. В том случае, когда высота шероховатостей отражающей по­ верхности оказывается меньше длины волны падающего на нее света, происходит зеркальное отражение. Для зеркального отраже­ ния характерно отсутствие рассеяния света. В тех случаях, когда при отражении света преобладает его рас­ сеяние, имеет место диффузное отражение. Скорость света в среде для излучений с различными длинами волн также будет различной. Это приводит к дисперсии света. Коэффициент пропускания характеризует, какая доля свето­ вого потока, падающего на поверхность некоторой среды, про­ никает вглубь этой среды. В зависимости от свойств рассматривае­ мой среды и от длины световой волны этот коэффициент изменя­ ется от О до 75 %. в качестве источников света широко применяются обычные л а м п ы н а к а л и в а н и я с вольфрамовой нитью, которые име­ ют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Лампа накаливания характеризуется про­ странственным распределением света, близким к сферическому, и в большинстве случаев может рассматриваться как точечный источник. При повышении температуры нити накала длина волны излучаемого ею света уменьшается, а интенсивность излучения возрастает. Управляя напряжением и током, протекающим через нить накаливания, можно прокалибровать такую лампу. Недостатком ламп накаливания является их малый коэффици­ ент полезного действия: только 2 % подводимой к ним электри­ ческой мощности преобразуется в видимое излучение. Г а з о р а з р я д н ы е л а м п ы представляют собой герметиче­ ски закрытый кварцевый или стеклянный баллон с впаянными электродами, заполненный газом. В этом газе происходит элект­ рический разряд, который сопровождается свечением. Газоразряд­ ные лампы подразделяются на лампы непрерывного свечения и импульсного разряда. Недостатком газоразрядных ламп являются их сравнительно большие габаритные размеры и сложность схем питания. В настоящее время все более широкое применение получают лазерные источники излучения. Л а з е р ы бывают газовыми, твер­ дотельными и полупроводниковыми. Наибольшее распростране­ ние получили именно газовые лазеры, характеризующиеся моно­ хроматичностью и поляризованностью излучаемого ими когерент­ ного света. Устройство лазера, работающего на углекислом газе (СО2), показано на рис. 1.12. Газовый С02-лазер состоит из охлаждаемой проточной водой разрядной трубки 4, внутри которой с помощью системы элект­ родов 1 создается газоразрядная плазма 2. По торцам газоразряд­ ной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое зеркало 3 и полупрозрачное зеркало (зеркало с отверстием) 5. В настоящее время наиболее распространенными источниками светового излучения, которые используются для автоматизации в Рис. 1.12. Схема газового СОг-лазера с диффузионным охлаждением: 1 — система электродов;

2 — газоразряд­ ная плазма;

3 — глухое зеркало;

4 — раз­ рядная трубка, охлаждаемая проточной водой;

5 — полупрозрачное зеркало или зеркало с отверстием машиностроении, являются с в е т о д и о д ы, принцип действия которых основан на генерировании светового излучения при ре­ комбинации электронов и дырок в полупроводниковом материа­ ле. Основные материалы, используемые для изготовления таких светодиодов — арсенид и фосфид галлия. Для уменьшения потерь энергии на поверхности полупровод­ ника выполняют полусферическое покрытие из материала, коэф­ фициент преломления которого имеет промежуточное значение между коэффициентами преломления воздуха и кристалла. В та­ кой конструкции лучи генерируемого света подходят к разделу полупроводник—воздух перпендикулярно, что снижает потери на внутреннее отражение. Светодиоды изготовляются путем формирования на поверхно­ сти исходной пластины полупроводникового материала слоя, структура которого является продолжением структуры подложки. К подобным структурам относятся структуры, которые дают крас­ ное, зеленое или желтое свечение. Основой химического состава таких структур являются различные соли мышьяковистой или фос­ форной кислоты алюминия и галлия. Для изготовления вводных и выводных контактов светодиодов используются тонкопленочные металлические покрытия, например никель—золото —олово или никель —золото —цинк. Светодиоды могут иметь габаритные раз­ меры порядка 0,5x0,5x0,3 мм. П р и е м н и к и и з л у ч е н и я, практически использующиеся для целей автоматизации в машиностроении, можно подразде­ лить на две группы: интегральные и селективные. К интегральным относятся приемники излучения, базирующи­ еся на преобразовании энергии излучения в температуру незави­ симо от длины волны этого излучения. К селективным относятся фотоэлектрические преобразовате­ ли, реагирующие на ту или иную определенную длину волны из­ лучения. Интегральный тепловой приемник представляет собой метал­ лический диск, с которым контактирует термочувствительный элемент, измеряющий фактическую температуру этого диска. Ра­ бочая поверхность указанного диска покрывается слоем черни, который поглощает почти все падающее на него излучение. Вы­ ходной электрический сигнал пропорционален мощности падаю­ щего на рабочую поверхность диска излучения и не зависит от спектрального состава этого излучения. Существуют приемники излучения, выполненные в виде по­ лоски из двух различных металлов, образующих термопару. Суще­ ствуют также приемники излучения, выполненные в виде поло­ ски или стержня из металла или полупроводника, который изме­ няет свое сопротивление в зависимости от температуры. В послед­ нем случае такой преобразователь называется болометром.

Для уменьшения потерь тепла на конвекцию тепловой прием­ ник может быть установлен в стеклянный баллон, из которого откачивается воздух. Это повышает точность преобразования, а чувствительность такого датчика возрастает в 10 и более раз. В бал­ лоне предусматривается окно из кварца, прозрачного для ультра­ фиолетового и инфракрасного излучений. Ф о т о э л е м е н т ы с в н е ш н и м ф о т о э ф ф е к т о м — это вакуумные и газонаполненные конструкции. Вакуумные фотоэле­ менты представляют собой сферический стеклянный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой фоточувствитель­ ного материала, образуюш,его фотокатод. Анод обычно выполня­ ют в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. Преобразо­ вание светового потока в электрический ток происходит практи­ чески без задержки. В ф о т о э л е к т р о н н ы х у м н о ж и т е л я х (ФЭУ) первичный фототок усиливается за счет вторичной электронной эмиссии с промежуточных катодов, в которые ударяется поток электронов, усиленных электрическим полем, включенным между парами со­ седних катодов. Общий коэффициент усиления одного фотоумно­ жителя может достигать сотен тысяч при практически безынерци­ онном преобразовании. Поэтому фотоумножители используются для регистрации быстро протекающих процессов, когда требуется особо высокая чувствительность. Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи в несколько раз большие, чем вакуумные фотоэлементы. Обычно стеклянные баллоны таких фотоэлементов заполняются инертны­ ми газами. При этом электроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду начинает двигаться лавина электронов, а к катоду — лавина по­ ложительно заряженных ионов. Недостатком газонаполненных фотоэлементов является то, что максимальная амплитуда фотото­ ка достигается лишь спустя некоторый промежуток времени пос­ ле начала освещения, поэтому такие элементы используются для регистрации световых потоков, изменяющихс5^ с частотами не выше нескольких сотен герц. Ф о т о р е з и с т о р ы представляют собой полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении в результате внут­ реннего фотоэффекта уменьшает свое сопротивление. В качестве полупроводникового материала используют сернистый свинец, селенид кадмия, сернистый кадмий и др. Фоторезисторы имеют самые различные конструкции: они могут быть выполнены гер­ метичными, с жесткими или с мягкими выводами, кольцевой формы и др. Фоторезисторы могут применяться также и в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда воз Рис. 1.13. Конструктивные схемы фоторезисторов: а — фоторезистор в стеклянном корпусе;

б — фоторезистор в металлическом корпусе;

в — фоторезистор в пластмассовом корпусе;

г — фоторезистор в планарном исполнении М Ж О В направлении как перпендикулярном, так и параллель­ ОН ном электродам. Конструктивное исполнение фоторезисторов также может быть различным. Варианты конструктивных схем фоторезисторов пока­ заны на рис. 1.13. Ф о т о д и о д ы и ф о т о т р а н з и с т о р ы относятся к полу­ проводниковым приемникам излучения. Фототранзистор представ­ ляет собой тот же фотодиод, снабженный усилителем фототока. Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогенераторном и фотодиодном. В фотогенераторном режиме отсутствует источник внешнего напряжения. В фотодиодном режиме имеет место подключение внешнего напряжения. При отсутствии облучения под действием этого напряжения в измерительной цепи течет темповой ток, который обычно невелик. При освещении фотодиода ток в изме­ рительной цепи увеличивается в зависимости от интенсивнрсти облучения.

1.10. Электромагнитные преобразователи Электромагнитные преобразователи строятся на основе одного или нескольких контуров, по которым могут протекать электри­ ческие токи, находящиеся в магнитном поле, создаваемом сами­ ми этими токами или каким-либо внешним источником. Выходной величиной для таких преобразователей могут быть индуктивность, электромагнитная сила и индуктируемая в конту­ ре ЭДС. В зависимости от физических явлений, которые используются для их построения, они могут быть подразделены на следующие группы: • преобразователи тока и напряжения;

• электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу;

• магнитоупругие преобразователи, использующие изменение магнитной проницаемости ферромагнитных сердечников под воз­ действием механических напряжений;

• индукционные преобразователи, основанные на изменении электромагнитной индукции;

• индуктивные преобразователи, применяющиеся для измере­ ния неэлектрических величин, которые влияют на изменение по­ ложения тех или иных элементов преобразователей;

• магнитомодуляционные преобразователи, использующие не­ линейные свойства магнитных цепей. Электроизмерительные приборы двух первых групп могут стро­ иться также по электродинамическому и магнитоэлектрическому принципу. Как в электродинамическом, так и в магнитоэлектрическом приборах чувствительным элементом подвижной части является рамка, состоящая из тонкого провода, способная вращаться в магнитном поле. В электродинамическом приборе для создания такого магнит­ ного поля используется неподвижная катушка. В магнитоэлектри­ ческом приборе это магнитное поле создается постоянным маг­ нитом. Электромагнитный измерительный механизм имеет высокую надежность и технологичен в изготовлении. В его конструкции от­ сутствуют токоведущие элементы в подвижной части, что исклю­ чает необходимость обеспечения надежного токоподвода к ним. Для защиты такого механизма от влияния внешних магнитных полей он помещается в экранированный корпус. Электродинамический измерительный механизм обладает срав­ нительно небольшим полезным вращающим моментом, и поэто­ му моменты сопротивления оказывают на него существенное вли­ яние. Для защиты от влияния внешних полей этот механизм также закрывают специальным экраном. Устройство такого типа харак­ теризуется большими габаритными размерами и потребляет зна­ чительную мощность. Оно используется главным образом в лабо­ раторных приборах переменного тока. Магнитоэлектрический измерительный механизм обладает бо­ лее высоким полезным моментом. Он не реагирует на внешние магнитные поля. Измерительный механизм такого типа обладает высокой точностью и имеет линейную зависимость между углом поворота на выходе и измеряемым током. В настоящее время стремятся во всех электромеханических из­ мерительных приборах использовать один тип механизма: магни­ тоэлектрический с преобразованием измеряемой величины в по­ стоянный ток. Для построения датчиков неэлектрических величин в машино­ строении также используется физическое явление изменения маг­ нитной проницаемости ферромагнитных тел под действием при­ ложенной к ним механической нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). На этом основано построение м а г н и т о у п ругих п р е о б р а з о в а т е л е й. Обратным магнитной упругости является эффект магнитострыкции, заключающийся в возникновении механических деформаций и напряжений в ферромагнитном материале при изменении в нем напряженности магнитного поля. Магнитоупругие свойства проявляются также и при скручива­ нии ферромагнитных тел. При пропускании тока через стержень, на который воздействует крутящий момент, в нем возникает до­ полнительный продольный магнитный поток, который наводит в обмотке, намотанной на стержень, ЭДС, пропорциональную этому крутящему моменту. Магнитоупругие преобразователи используются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Они развивают достаточную мощность и могут быть включены в последующую цепь без про­ межуточного усиления сигнала. Такие преобразователи обладают высокой надежностью, так как не содержат подвижных частей. Они могут измерять как статические, так и динамические нагруз­ ки. Преобразователями магнитного поля являются также и датчи­ ки Виганда. Преобразователь, положенный в основу датчика та­ кого типа, обычно представляет собой катушку с длиной намот­ ки около 15 м с числом витков порядка 1300, намотанную из проволоки, изготовляемой из сплава «Викалой». Диаметр наматы­ ваемой проволоки обычно составляет 0,3 мм. Если расположить такую катушку в магнитном поле, то при изменении направления магнитного поля, в катушке возникает электрический импульс длительностью около 20 мс и с максимальным напряжением око­ ло 2,5 В. Такие датчики используются, например, для индикации положения зубчатых колес. Датчики Виганда работают в диапазо­ не температур от -196 "С до +175 °С. Они не требуют внешнего ис­ точника питания, создают выходной сигнал порядка нескольких вольт и электробезопасны. Принцип действия и н д у к т и в н ы х п р е о б р а з о в а т е л е й состоит в изменении их индуктивности при перемещении того или иного элемента их конструкции. В простейшем случае индук­ тивный преобразователь состоит из П- или Ш-образного серде­ чника с катушкой, питаемой переменным током, и из ферромаг­ нитного якоря. Частота напряжения питания должна быть суще­ ственно больше частоты изменения измеряемого параметра. В ка­ честве якоря может быть использован также и сам измеряемый объект, если он выполнен из ферромагнитного материала. Между торцами сердечника и якорем устанавливается определенная ве­ личина начального зазора 6о, которая изменяется при перемеще­ нии ферромагнитного якоря. При этом изменяется и магнитный поток, проходящий через катушку, намотанную на сердечнике.

Изменение воздушного зазора 5о приводит к изменению ин­ дуктивности а. Для автоматизации в машиностроении применяются индуктив­ ные преобразователи с переменной величиной зазора, используе­ мые для измерения перемещений от долей микрона до несколь­ ких миллиметров, индуктивные преобразователи с переменной пло­ щадью зазора, используемые для измерения перемещений, не превышающих 15...20 мм, а также индуктивные преобразователи с подвижным цилиндрическим сердечником — индуктивные преоб­ разователи соленоидного типа, используемые для измерения боль­ ших перемещений, достигающих 2 000 мм. Применяются также индуктивные преобразователи трансфор­ маторного типа. Такие преобразователи представляют собой уст­ ройства, в которых входное перемещение изменяет величину ин­ дуктивной трансформаторной взаимосвязи между двумя система­ ми обмоток, из которых одна запитывается базовым переменным током, а с другой снимается выходной сигнал. Положительным свойством индуктивных преобразователей яв­ ляется то, что они характеризуются большим по мощности вы­ ходным сигналом, так что они могут использоваться без усилите­ ля. Индуктивные преобразователи широко используются в устрой­ ствах активного контроля размеров обрабатываемой детали, осо­ бенно при чистовых методах обработки. Датчики с индуктивными преобразователями часто использу­ ются для контроля прерывистых поверхностей, таких как шлицевые валы и втулки, валы со шпоночными пазами и др. Для пре­ дохранения измерительных наконечников от повреждений при их прохождении над местом, где поверхность прерывается, при их приближении к этой поверхности автоматически с помощью мик­ ропереключателя включается электромагнит, который отводит наконечники. Электромагнит автоматически отключается, когда измеритель­ ные наконечники снова оказываются над гладкой поверхностью. Датчик в процессе работы подает сигналы в систему управления станка. Индуктивные преобразователи также используются в механи­ ческой обработке для построения в и б р о г е н е р а т о р н ы х д а т ­ ч и к о в, которые часто применяются для автоматизации в маши­ ностроении взамен контактных датчиков. Дело в том, что с точки зрения механической обработки контактные датчики имеют ряд эксплуатационных недостатков: • при попадании под измерительный наконечник стружки или абразивной пыли точность измерения резко снижается;

• на точность измеряемых размеров оказывает влияние шерохо­ ватость поверхности детали;

• преобразователи контактного типа характеризуются длинной и подверженной помехам линией передачи информации до ме­ ста, где эта информация используется. В отличие от контактных датчиков виброгенераторные датчики обладают рядом положительных эксплуатационных свойств: • измерительный наконечник касается детали только очень ко­ роткое время, и его износ практически отсутствует, что дает воз­ можность контролировать размеры компонентов, обладающих высокими окружными скоростями, например, создается возмож­ ность контроля профиля и размеров вращающегося абразивного круга;

• передаточное отношение от датчика к регистрирующему при­ бору или к исполнительному механизму может быть задано в до­ статочно широких пределах;

• в процессе подвода щупа к обрабатываемой детали исключа­ ется опасность повреждения измерительного наконечника;

• датчик выдает усредненный результат измерений. Датчики такого типа широко применяются в машиностроении для автоматического контроля на кругло- и внутришлифовальных станках, при тонком точении и при хонинговании. Принцип действия в и х р е т о к о в ы х п р е о б р а з о в а т е л е й заключается в изменении индуктивности и взаимоиндуктивно­ сти катушек при приближении к ним проводящего тела. Следует учесть, что на интенсивность и характер распределения вихре­ вых токов, возбуждаемых на поверхности объекта, кроме конт­ ролируемого зазора существенное влияние оказывают толщина токопроводящего слоя, магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала подводимого проводящего тела. Подобные преобразователи используются для контроля линей­ ных размеров и толщины тонких пластин и покрытий, а также для обнаружения внутренних дефектов и всякого рода трещин, отслоений, царапин и раковин. Вихретоковые преобразователи используются также для изме­ рения вибраций, для определения частоты, амплитуды и форм вибрации при динамических испытаниях различных изделий ма­ шиностроения. Обычно измеряемые амплитуды лежат в пределах 1...2 000 мкм при частотах 20...20000 Гц. Этот же принцип ис­ пользуется для контроля вращающихся валов. Стабильность работы вихретоковых преобразователей опреде­ ляется стабильностью частоты сигнала задающего генератора и постоянством параметров катушек индуктивности и конденсато­ ров. Применяя вихретоковые преобразователи, следует учитывать, что они чувствительны к внешним электромагнитным полям. Для вихретоковых преобразователей характерны относительно низкая чувствительность и наличие погрешностей, обусловлен ных изменениями электрических свойств проводящего тела. Одна­ ко такие преобразователи все же нашли свое применение в схемах активного контроля в машиностроении, поскольку они могут ус­ пешно работать в загрязненных и агрессивных средах, при воз­ действии различных смазывающе-охлаждающих жидкостей и при высоких скоростях подачи инструмента и обрабатываемых изде­ лий.

1.11. Датчики положения для систем числового программного управления Для построения систем числового программного управления (ЧПУ) станками, которые в настоящее время используются во всех вариантах построения технологических процессов в механи­ ческой обработке, существенным является получение данных об истинном положении рабочих органов станка. Числовое программ­ ное управление координатными перемещениями с достижением при этом необходимой точности обеспечивается благодаря соот­ ветствующим устройствам обратной связи по положению, объе­ диняемых общим названием «системы дистанционного отсчета». Для абсолютного отсчета в таких системах автоматизации в ос­ новном используются круговые кодовые датчики положения. Си­ стемы автоматизации, использующие информацию, поступа­ ющую по одному каналу в виде серии импульсов, число которых пропорционально величине перемещения (в виде так называемо­ го унитарного кода), базируются, главным образом, на примене­ нии циклических датчиков. Среди промышленных датчиков, используемых для управле­ ния координатными перемещениями в системах ЧПУ как для аб­ солютного, так и для циклического отсчета, наиболее распрост­ ранены ф а з о в ы е д а т ч и к и п о л о ж е н и я. Устройством, служащим для преобразования угла поворота одной катушки по отношению к другой в сдвиг фазы одного пе­ ременного синусоидального напряжения по отношению к друго­ му переменному синусоидальному напряжению такой же часто­ ты, является вращающийся трансформатор. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор называет­ ся также резолъвером. В нем на статоре и роторе имеются по две одинаковые обмотки, конструктивно расположенные взаимно перпендикулярно. На пару статорных обмоток подаются два сину­ соидальных опорных напряжения, одинаковых, но со взаимным сдвигом фаз на 90^ Такой сдвиг фаз можно получить, например, подавая второе из двух переменных гармонических напряжений через электрический конденсатор. В результате взаимодействия векторов напряженности магнитных полей обеих статорных обмо ток возникает вращающееся магнитное поле, т.е. такое поле, на­ пряженность которого представляет собой вектор, постоянный по абсолютной величине, но вращающийся относительно центра ста­ тора с угловой частотой, равной частоте опорного переменного тока. В обмотках ротора индуктируется ЭДС такой же частоты, но сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на вели­ чину, определяемую углом поворота ротора относительно стато­ ра. Характерным примером подобного фазового датчика, приме­ няемого в станках с числовым программным управлением, может служить круговой абсолютный датчик положения с измеряемым перемещением до 10 000 мм. В таком датчике с помощью измери­ тельной зубчато-реечной пары приводятся во вращение бескон­ тактные сельсины. Более точным, без дополнительных кинемати­ ческих погрешностей, возникающих в зубчатой реечной переда­ че, является измерение положения рабочего органа станка с по­ мощью бесконтактных линейных сельсинов. Схема бесконтактно­ го линейного сельсина показана на рис. 1.14. Этот сельсин состоит из рейки Р и измерительной головки Г, устанавливаемых соответ­ ственно на неподвижном и перемещаемом узлах станка. Рейка выполняется из стали и имеет зубцы прямоугольного профиля с шагом Sp. Измерительная головка представляет собой участок ана­ логичной рейки с зубьями такого же прямоугольного профиля, шаг которых отличается от Sp на величину 1/6, т.е. на половину одной фазы. На измерительной головке Г имеется трехфазная обмотка, со­ единенная по схеме звезды (Ci—1 — Г ;

С2—2 —2';

Сз—3 —3'). Каждая фаза охватывает третий по счету от предыдущей фазы зу­ бец. Кроме того, на зубцах головки имеется однофазная обмотка В, намотанная таким образом, что ее направления на соседних Рис. 1.14. Схема бесконтактного линейного сельсина зубцах противоположны. Размеры окна, толщина зубца и зазор между зубцами рейки и головки таковы, что при перемещении головки относительно рейки магнитная проводимость каждого из ее зубцов меняется по закону, приближающемуся к синусоидаль­ ному. При подаче на обмотку В синусоидального напряжения с амп­ литудой JS'max и перемещении головки на величину Хв фазах Ci, С2 и Сз индуцируются гармонические ЭДС, амплитуды которых из­ меняются по косинусоидальному закону: фаза этих напряжений изменяется на 180° при переходе головки через нулевое положе­ ние. Такой режим работы сельсина, когда выходом является трех­ фазная обмотка, называется трансформаторным. При подаче опорного трехфазного напряжения в трехфазную обмотку головки образуется бегущее магнитное поле, а в одно­ фазной обмотке головки индуцируется ЭДС, фаза которой по отношению к опорному напряжению изменяется пропорционально перемещению X. Такой режим работы сельсина, когда выходом является его однофазная обмотка, называется режимом фазовращателя. Другим распространенным типом датчиков, используемым для обратной связи по программируемым координатным перемеще­ ниям в станках с ЧПУ, являются линейные и круговые индуктосины. И н д у к т о с и н состоит из двух шкал, одна из которых уста­ навливается на подвижном, а другая на неподвижном узлах стан­ ка. Эти шкалы представляют собой пластины из электроизоляци­ онного материала, обычно из гетенакса или текстолита, на кото­ рые фотопечатным способом нанесены обмотки прямоугольной формы. На одной из шкал имеется одна обмотка с шагом -5*, а на другой размещаются две расположенные навстречу друг другу об­ мотки с тем же шагом S, но сдвинутые по отношению друг к другу на величину 5/4. При подаче на эти обмотки синусоидаль­ ных напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90°, образуется бегущее магнитное поле, а в обмотке, располо­ женной на другой пластине, индуцируется ЭДС, фаза которой оказывается пропорциональной перемещению X. Разновидностью систем дистанционного отсчета, заслуживаю­ щей специального рассмотрения, являются устройства цифровой индикации (УЦИ). Как правило, они базируются на ц и к л и ч е с ­ к и х д а т ч и к а х п о л о ж е н и я. Принцип работы подобного УЦИ состоит в следующем. Измеряется разность фаз между опорным сигналом (напряжением) и выходным сигналом датчиков млад­ ших разрядов. Затем интервал времени, соответствующий этой раз­ ности, преобразуется в соответствующую дискретную величину. Эта дискретная величина имеет вид числа, изображаемого тем или иным кодом, который записывается в один или два младших разряда УЦИ. После этого формируются показания старших раз­ рядов УЦИ. Это делается путем подсчета с помощью реверсивных счетчиков числа совпадений фаз опорного сигнала и выходного сигнала датчика. Обычно такое совпадение производится через каж­ дый миллиметр перемещения узла станка, тогда как доли милли­ метра регистрируются в младших разрядах УЦИ. Устройства подобного типа используются как автономно для цифровой индикации положения рабочих органов на станках с ручным управлением, так и для управления приводами в режиме позиционирования на станках с ЧПУ.

1.12. Типовые способы измерения производственных параметров Там, где используются высокие мощности, например в ком­ мутирующем оборудовании, электродвигателях, трансформато­ рах, что характерно для технологического оборудования меха­ нической обработки, необходимо осуществлять гальваническую развязку измерительных цепей датчиков от силовых цепей. Про­ стейшим разделяющим элементом, обеспечивающим такую галь­ ваническую развязку, можно считать электромагнитное реле. Наи­ более современным решением задачи гальванической развязки является реализация этой развязки на паре светодиод —фототран­ зистор. Такого рода сочетание называется трансоптором, или оптроном. Чтобы датчики можно было практически использовать для под­ ключения к системам автоматизации производственных процес­ сов, в машиностроении используются три измерительные схемы: мостовая, дифференциальная и компенсационная. Мостовая измерительная схема. Мостовая измерительная схе­ ма, существующая в двух разновидностях (балансной и небаланс­ ной) изображена на рис. 1.15. На рис. 1.15 в противоположных участках цепей измерительной схемы, называемых плечами моста, размещаются эталонные со­ противления Rx, /?2 и У?з, а также измеряемое сопротивление R^. Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения величин сопротивлений, установленных в противоположных плечах из­ мерительного моста, были равны между собой. При соблюдении условий равновесия измерительного моста напряжение на его выходной диагонали будет отсутствовать, т.е. (/вых = О- При изменении измеряемого сопротивления R^ условия равновесия измерительного моста будут нарушаться и на этой диагонали появится соответствующий электрический сигнал.

Рис. 1.15. Мостовая измерительная схема V) ^ Повышения точности отсчета можно добиться, изменяя сопротивления /?i и R^, лр ^3 находяш[иеся в соседних плечах измеритель­ ного моста, таким образом, чтобы несмотря t4x на изменения измеряемого сопротивления R^ свести к нулю изменения выходного на­ пряжения. Факт равенства нулю выходного напряжения фикси­ руется с помощью установленного в выходной диагонали изме­ рительного моста прибора или устройства, называемого нуль-ин­ дикатором. Использование нуль-индикатора позволяет с большей точностью «ловить» момент равенства нулю выходного напряже­ ния. Дифференциальная измерительная схема. Для измерения емкос­ тного сопротивления обычно используется дифференциальная схема. Такая схема также существует в двух вариантах. По первому вариан­ ту дифференциальной схемы, изображенному на рис. 1.16, а, как эталонное сопротивление 4, так и измеряемое емкостное сопро­ тивление 7 включаются в электрические контуры, симметрично запитываемые переменным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного 4 и измеряемо1^о 7 емкостного сопротивле­ ний противоположно направленные токи в этих контурах (I2 и /i), будут равными по величине, так что результирующий ток че­ рез измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, посколь­ ку этот ток представляет собой разность токов /i и /2. При измене­ нии величины измеряемого емкостного сопротивления показа­ ния измерительного прибора 3 будут отличаться от нуля и одно l_j^z6—\ ПИ^ I—{^z6—I ' б IZi;

j—I ' Рис. 1.16. Дифференциальные схемы измерений сопротивления:

а — Z измерением разницы токов через измеряемое и эталонное сопротивления;

б — Q изменением ЭДС во вторичной обмотке;

1 — измеряемое сопротивление;

2 — трансформатор;

3 — измерительный прибор (для схемы а) или нуль-инди­ катор (для схемы б)\ 4 — эталонное сопротивление значно изображать эти изменения емкостного сопротивления. Та­ кая схема называется дифференциальной именно потому, что она основана на вычитании токов 1^ и /2. Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопро­ тивления с помощью дифференциальной схемы приведен на рис. 1.16, б. Здесь также происходит вычитание токов /i и /2, но изме­ нение измеряемого емкостного сопротивления 7 компенсируется изменением напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается равным нулю. Величина AJE", на которую нужно изменить исходное напряжение Е, однозначно определяет величину изме­ нения измеряемого емкостного сопротивления. Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор по­ зволяет использовать его как нуль-индикатор, что повышает то­ чность измерений. Для этой цели и применяется такой вариант дифференциальной схемы. Компенсационная измерительная схема. Для использования сиг­ нала от генераторных датчиков применяется компенсационная схема измерительная. Суть работы компенсационной схемы состоит в том, что под­ бирается значение ЭДС источника, равное ЭДС, генерируемой датчиком. Факт равенства подбираемой и генерируемой датчиком ЭДС определяется по отсутствию тока в соответствующем контуре. Факт же отсутствия тока в контуре определяется по показаниям прибора, являющегося нуль-индикатором. При этом не требуется измерять абсолютную величину протекающего тока, а требуется лишь определить факт равенства этого тока нулю. Этим и обуслов­ ливается высокая чувствительность компенсационной схемы с нуль-индикатором.

Контрольные вопросы 1. Что такое измерительные преобразователи? 2. Каковы характерные особенности генераторных и параметрических датчиков? 3. Дайте определение чувствительности и разрешающей способности преобразователя. 4. Что называется воспроизводимостью измерения? 5. Объясните, что такое прецизионность и точность (погрешность) измерения? 6. Что такое ошибки применения? 7. Что называют шумами применительно к датчикам? 8. Что называется тарировочной кривой датчика? 9. Что такое статическая и динамическая характеристики датчика? 10. Что такое гистерезис датчика? 11. Что представляют собой ударное, ступенчатое, линейное и гармо­ ническое входные воздействия?

12. Перечислите основные показатели качества переходного процесса датчика. 13. Каковы основные примеры применения электроконтактных дат­ чиков в машиностроении? 14. Объясните работу фотореле. 15. Каково устройство реостатного датчика? 16. Что такое прямой и обратный термоэффекты? 17. Что такое термометр сопротивления? 18. Какие существуют способы повышения чувствительности пьезодатчиков? 19. Дайте определение когерентному излучению. 20. Как работают электромагнитные преобразователи тока и напряже­ ния? 21. Что называется датчиком циклического и датчиком абсолютного отсчета? 22. Для чего применяются устройства цифровой индикации? 23. Для чего нужна гальваническая развязка и как она реализуется? 24. Что такое балансная и небалансная мостовые измерительные схе­ мы? 25. Что такое дифференциальная измерительная схема и каковы ее разновидности? 26. Что такое компенсационная измерительная схема и как она рабо­ тает?

ГЛАВА 2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ 2. 1. Общие сведения о преобразовании информации в системах автоматизации производственных процессов Все процессы машиностроения, связанные с информацией, можно подразделить на три группы: • получение и индицирование информации о параметрах тех­ нологического процесса;

• получение, переработка и индицирование информации о па­ раметрах технологического процесса;

• получение и переработка информации о параметрах техноло­ гического процесса с последующим использованием полученных результатов для воздействия на технологический процесс, В первом случае следует говорить о п о к а з ы в а ю щ и х и ре­ г и с т р и р у ю щ и х приборах. Примером могут служить раз­ личного рода измерительные и регистрирующие системы. Во втором случае следует говорить о системах п е р в и ч н о й о б р а б о т к и и н ф о р м а ц и и с последующей индикацией и (или) регистрацией переработанной информации. Примером мо­ гут служить системы статистической обработки результатов конт­ роля и разбраковки, применяемые в массовом производстве, ха­ рактерном, например, для подшипниковой промышленности или производства боеприпасов. В третьем случае следует говорить об а в т о м а т и ч е с к и х си­ стемах у п р а в л е н и я т е х н о л о г и ч е с к и м и п р о ц е с с а м и. Примером здесь могут служить различные системы програм­ много управления, в том числе числового программного управле­ ния станками, системы управления копировальными станками, системы, воспроизводящие изменение какой-либо задающей ве­ личины, к которым относятся системы «электрического вала» или системы «гидравлической оси», а так же системы стабилизации того или иного параметра. Все системы автоматизации принято рассматривать как сово­ купность элементов, соединенных параллельно и последователь­ но и охваченных обратными связями. Обратная связь в подобных системах имеет исключительно важ­ ное значение. Сущность всякой обратной связи состоит в том, что выходное воздействие или его часть снова подаются на вход этого же элемента. Обратная связь может быть положительной, если по­ даваемая на вход доля выходной величины суммируется с исход­ ной входной величиной. Обратная связь может быть отрицатель­ ной, если подаваемая на вход доля выходной величины вычитает­ ся из исходной входной величины. Положительная обратная связь служит для форсирования пере­ ходных процессов, но в компонентах системы, охваченных поло­ жительной обратной связью, могут возникнуть автоколебания. В са­ мом деле, небольшое отклонение в ту или другую сторону выход­ ной величины вызывает отклонение в ту же сторону и входной величины, что в свою очередь вызывает дальнейшее отклонение выходной величины в ту же сторону и т.д. Отрицательная обратная связь вызывает общее уменьшение коэффициента усиления данного компонента системы, но она способна оказать и соответствуюидее стабилизирующее воздей­ ствие. В самом деле, небольшое отклонение в ту или другую сторону выходной величины вызывает отклонение в противо­ положную сторону входной величины, что в свою очередь вы­ зывает отклонение в противоположную сторону выходной величины и т.д. Важной характеристикой обратной связи является ее коэффи­ циент (3, показывающий, какая доля выходной величины подает­ ся обратно на вход данного компонента. Большей частью системы автоматизации производственных процессов в машиностроении строятся из электрических компо­ нентов. Это объясняется удобством преобразования электрического сигнала и его передачи на большие расстояния. Однако в ряде случаев электрические компоненты систем автоматизации произ­ водства в машиностроении обладают недостаточными для своего предназначения мощностью и быстродействием. Поэтому для ре­ ализации подобных систем обычно стремятся разнообразить ис­ точники применяемой энергии и наряду с электросетью пред­ приятия использовать также и заводскую сеть сжатого воздуха и(или) создавать локальные гидросистемы. Важным компонентом систем автоматизации производства яв­ ляются фильтры. Здесь не идет речь об устройствах физической очистки рабочей среды, характерных для систем пневмо- и гид­ роавтоматики, а имеются в виду устройства, в различной степени подавляющие или задерживающие сигналы в зависимости от их частот. Различают следующие разновидности фильтров: • фильтры низкой частоты, пропускающие гармонические со­ ставляющие сигнала низкой частоты и подавляющие его высоко­ частотные гармонические составляющие;

5Я • фильтры высокой частоты, пропускающие гармонические со­ ставляющие сигнала высокой частоты и подавляющие его низко­ частотные гармонические составляющие;

• полосовые фильтры (ПФ), пропускающие гармонические со­ ставляющие сигнала только в заданном диапазоне частот;

• режекторные фильтры (РФ), подавляющие гармонические составляющие сигнала в заданном диапазоне частот. Фильтры становятся особенно необходимыми, если учесть, что в реальных производственных условиях системы автоматизации должны работать при воздействии электромагнитных излучений, возникающих вследствие процессов в электросети и в силовом электромагнитном оборудовании. Существенным способом борь­ бы с такого рода помехами является различного рода экранирова­ ние как соединительных кабелей, так и агрегатов в целом. В производственной практике принято различать следующие разновидности систем автоматизации: • системы автоматической сигнализации, используемые для извещения эксплуатационного персонала о состоянии той или иной рабочей позиции и о протекании производственного процесса в целом и на каждой позиции;

• системы автоматического контроля за различными парамет­ рами, характеризующими работу того или иного технологическо­ го агрегата и протекание производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции;

• системы автоматической блокировки и защиты, предотвра­ щающие возникновение аварийных ситуаций в тех или иных тех­ нологических агрегатах при протекании производственного про­ цесса в целом и на каждой рабочей позиции;

• системы автоматического пуска и останова для включения, остановки и реверса по заданной программе тех или иных двига^телей, используемых в отдельных технологических агрегатах, при протекании производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции;

• системы автоматического управления отдельными технологи­ ческими агрегатами, а также протеканием производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции. Соответственно с выбранной системой автоматизации пере­ работку производственной информации можно вести с помо­ щью различных технических устройств, к числу которых отно­ сятся: • аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) пре­ образователи;

• усилители;

• переключающие и логические элементы;

• триггерные и пересчетные схемы;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.