ЗАДАЮЩИЕ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЮЩИХ И

ЗАДАЮЩИЕ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЮЩИХ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Задающие устройства предназначены для задания требуемого значения регулируемого (управляемого) параметра. По виду вырабатываемых сигналов задающие устройства подразделяют на два основных класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые в свою очередь делят на непрерывные и дискретные, при этом дискретность может осуществляться как во времени, так и по значению вырабатываемого сигнала. Цифровые задающие устройства формируют только сигналы дискретных уровней.

Одним из важнейших признаков задающих устройств является вид носителя программы. В задающих устройствах непрерывного действия наиболее часто для этих целей используют кулачковые и рычажные механизмы, функциональные потенциометры и бумажную диаграмму. В задающих устройствах дискретного действия находят применение многоцепные переключатели, перфокарты и перфоленты, магнитная пленка и кинопленка. Исполнительное устройство является промежуточным преобразователем, состоящим из двух самостоятельных узлов: исполнительного механизма и регулирующего (управляющего) органа.

Исполнительные механизмы предназначены для воздействия через регулирующий орган или непосредственно на объект управления. В исполнительный механизм входят двигатель и передаточное устройство. Основными параметрами, характеризующими работу исполнительных механизмов, являются усилие на выходе механизма, коэффициент усиления по мощности, линейное или угловое перемещение, частота вращения, быстродействие и т. п. В зависимости от управляющего воздействия на выходе различают два вида исполнительных механизмов: силовые и параметрические.

Если исполнительные механизмы создают управляющее воздействие на регулирующий орган в виде силы или момента, то такие механизмы называют силовыми. К этой группе относятся электромагниты, электромеханические муфты, различного вида двигатели. Если изменение состояния регулирующего органа связано с изменением его параметров (сопротивления, магнитного потока, температуры, скорости и т. п. ) или параметров подводимой энергии (напряжения, тока, частоты и фазы электрического тока, давления рабочей среды и т. п. ), то те же исполнительные механизмы называют параметрическими.

В зависимости от вида потребляемой энергии различают электрические, гидравлические, пневматические и механические исполнительные механизмы. Наибольшее распространение в системах автоматики получили электрические механизмы. В зависимости от характера движения выходного вала исполнительные механизмы делят на три вида: с линейным, поворотным (угол поворота меньше 360˚) и вращательным (угол поворота больше 360°) движением. Регулирующим органом называется устройство (блок исполнительного устройства), которое изменяет расход энергии или вещества и непосредственно влияет на регулируемую величину объекта регулирования.

По принципу регулирующего воздействия на объект различают дросселирующие и дозирующие регулирующие органы. Первые представляют собой переменное гидравлическое сопротивление. Ко вторым относятся устройства или механизмы, которые регулируют поступление вещества или энергии путем изменения своей производительности. Наиболее широкое распространение получили дросселирующие регулирующие органы, хотя дозирующие более экономичны.

2. ЗАДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Большинство задающих устройств состоит из трех основных элементов: привода, носителя программы и элемента настройки. В зависимости от конструктивного оформления устройства, отдельные элементы могут быть функционально совмещены. Наиболее распространенными приводами задающих устройств непрерывного действия являются синхронные электрические двигатели и часовые механизмы. В качестве, носителей программы в задающих устройствах непрерывного действия обычно используют механические устройства, рычажные механизмы и функциональные потенциометры.

Механическими носителями программы в задающих устройствах непрерывного действия являются кулачковые механизмы различной конструкции. Назначение кулачковых механизмов состоит в преобразовании вращательного движения кулачка или прямолинейного движения кулачковой линейки в качательное или прямолинейное движение щупа толкателя. С точки зрения обеспечения постоянного контакта кулачка со щупом кулачковые механизмы делят на устройства с силовым замыканием, т. е. открытые (рис. 36, а и г), и устройства с кинематическим замыканием (с канавкой), которые называются закрытыми (рис. 36, б и в). Кулачки с силовым замыканием проще в изготовлении и обеспечивают большую точность.

Кроме кулачковых механизмов, в качестве механических носителей заданной функции применяют рычажные механизмы, отношение плеч которых используется, например, для установления заданного соотношения расходов в струйном гидравлическом регуляторе.

По способу реализации заданной функции потенциометры подразделяют на профильные, ступенчатые (частный случай профильных), с некруглым винтовым каркасом, с переменным шагом намотки, с секциями, выполненными из провода различного сечения, с дополнительными постоянными резисторами, шунтирующие обмотку, имеющую отводы (рис. 37, а е). В зависимости от угла поворота движка потенциометры разделяются на три вида: с углом вращения движка менее 360°; с углом вращения движка более 360°; с неограниченным углом вращения движка.

Сечение каркаса может быть круглым или плоским (с большим отношением высоты к толщине).

Достоинства задающих устройств: простота изготовления, возможность получения необходимой точности и взаимозаменяемость. Недостатки задающих устройств непрерывного действия: невозможность изменения программы без выключения регулятора; ограниченное быстродействие; точность задания программы определяется как точностью изготовления деталей, так и точностью их сборки. Перечисленные недостатки отсутствуют у задающих устройств дискретного действия.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Электрические исполнительные механизмы в зависимости от типа принципа действия делят на электромагнитные и электродвигательные. Электромагнитные исполнительные механизмы являются наиболее простыми, надежными и быстродействующими из электрических исполнительных механизмов. По виду движения исполнительного (регулирующего) органа (шток, выходной вал) электромагнитные механизмы подразделяют на электромагниты с прямолинейным движением и электромагнитные муфты с вращательным движением.

В зависимости от требований электромагниты могут отличаться друг от друга конструктивно. Однако они имеют общие элементы (рис. 38); катушку 2, подвижный сердечник 3, возвратную пружину 1. С помощью подвижного сердечника энергия магнитного поля преобразуется в механическую и через шток 4 передается запирающему элементу. Перемещение сердечника, при котором происходит движение запирающего элемента, называют рабочим ходом δ. По характеру движения сердечника и связанного с ним регулирующего органа электромагнитные механизмы подразделяют на тянущие, толкающие, поворотные, удерживающие и реверсивные.

В тянущих механизмах линейное перемещение сердечника направлено от точки приложения противодействующих сил, а в толкающих — наоборот. В поворотных электромагнитных механизмах при подаче напряжения на обмотку катушки силовой элемент поворачивается на определенный угол. Реверсивные электромагнитные механизмы обеспечивают изменение перемещения силового элемента в зависимости от характера электрического сигнала.

Реверсивный механизм обычно содержит два электромагнита, сердечники которых механически связаны с запирающим элементом. По количеству позиций выходного силового элемента (регулирующего органа) различают одно , двух и трехпозиционные электромагнитные механизмы. У однопозиционных механизмов при подаче тока на обмотку катушки сердечник занимает одно определенное положение. У двухпозиционных механизмов силовой элемент занимает одно из двух положений в зависимости от того, на обмотку какого электромагнита подается электрический ток. После обесточивания он сохраняет занятое им положение.

Выходной силовой элемент трехпозиционных электромагнитных механизмов при отсутствии тока в обмотках занимает нейтральное положение. В зависимости от вида питающего напряжения электромагнитные механизмы могут быть переменного и постоянного тока, а также со сменными катушками переменного и постоянного токов с унифицированным магнитопроводом. Электромагнитные муфты являются связующим звеном между приводом и регулирующим органом. Электромагнитные муфты обладают высоким быстродействием, плавным пуском и регулированием скорости, просты в управлении и имеют мощность от нескольких ватт до сотен киловатт.

По принципу действия электромагнитные муфты разделяют на фрикционные и порошковые муфты и муфты скольжения. Фрикционная муфта (рис. 39) состоит из двух полумуфт: ведущей 1 и ведомой 6, посаженных на валы 3 и 9. В корпусе ведущей полумуфты имеется обмотка 5, питаемая электрическим током через кольца 4 и щетки 2. При подаче постоянного электрического тока на обмотку возникает магнитный поток, который притягивает по шлицам 8 к себе ведомую полумуфту. Последняя, преодолевая усилие пружины 7, притягивается к ведущей полумуфте. Силы трения между полумуфтами позволяют передать крутящий момент с ведущего вала на ведомый.

При выключении тока магнитное поле исчезает, и пружины 7 разъединяют полу муфты друг от друга, прерывая тем самым вращение вала 9. Однодисковые муфты не позволяют передавать большие крутящие моменты. Для этого используют многодисковые муфты, имеющие большое число поверхностей трения. Порошковые муфты (ферропорошковые или магнитоэмульсионные) работают по принципу намагничивания ферромагнитной среды, заполняющей пространство между полумуфтами 1 и 2 (рис. 40). Ферромагнитная среда 4 представляет собой обычно смесь порошка карбонильного или кремнистого железа и смазывающего вещества (тальк, графит, масло), улучшающего проскальзывание полумуфт при холостом

ходе и уменьшающего истирание ферропорошка. При подаче тока в обмотку 3 ведущей полумуфты 1 возникает магнитное поле, намагничивающее отдельные частички железного порошка, которые слипаются между собой, увеличивая вязкость ферромагнитной среды. Ведомая полумуфта 2 начинает вращаться, передавая вращение на объект управления. Вязкость ферромагнитной среды зависит от силы тока в обмотке, следовательно, можно при росте тока увеличивать передаваемый крутящий момент. Таким образом, муфты вязкого трения являются управляемыми, т. е. позволяют плавно регулировать вращающий передаваемый момент, а следовательно, и частоту вращения ведомого вала.

Электромагнитные муфты скольжения состоят из двух основных частей полумуфт (рис. 41). На ведущем валу 1 устанавливают полумуфту с индуктором 3 в виде электромагнита постоянного тока с катушкой возбуждения 6 и полюсами 7. На ведомом валу закреплена полумуфта с якорем 4 в виде роторной клетки асинхронного двигателя. Ток к катушке 6 подается через щетки и контактные кольца 2. При вращении ведущего вала магнитное поле индуктора 8 вращается относительно якоря 4, наведя в нем токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем индуктора, создают крутящий момент. Якорь и вал 5 начинают вращаться. При отключении тока вращение якоря прекращается. Имеются конструкции не только с наружным, но и с внутренним расположением якоря.

Достоинством рассмотренной конструкции является ее высокая надежность, а также возможность плавно регулировать передаваемый момент за счет изменения напряжения питания.

Электродвигательный механизм состоит из исполнительного двигателя редуктора и тормоза. Сигнал управления одновременно подается на двигатель и тормоз, при этом тормоз растормаживается и двигатель приводит в движение регулирующий орган. При снятии сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает движение регулирующего органа. Исполнительными двигателями называют управляемые двигатели малой мощности, которые предназначены для преобразования электрического сигнала в механическое вращение вала. Как правило, исполнительные двигатели имеют две обмотки возбуждения и управления. Исключение составляют двигатели с постоянными магнитами.

Обмотки возбуждения постоянно находятся под напряжением, а на обмотку управления сигнал подается лишь тогда, когда необходимо получить вращение вала. Так как исполнительные двигатели работают в схемах управления, то для них в основном характерны пуски, остановки или реверсии. Время их вращения обычно невелико, поэтому эти двигатели никогда не снабжаются вентиляторами. В цепях сопряжения переходных процессов исполнительные двигатели стремятся выполнить малоинерционными и малогабаритными. В настоящее время в качестве исполнительных двигателей используют двухфазные асинхронные, синхронные шаговые двигатели и двигатели постоянного тока.

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Гидравлические и пневматические исполнительные двигатели преобразуют энергию рабочей среды, находящейся под давлением, в механическую энергию поступательного или вращательного движения. В качестве рабочей среды в гидродвигателях чаще всего используется минеральное масло. В пневмодвигателях рабочей средой служит сжатый воздух. Гидро и пневмодвигатели способны развивать очень большие усилия при малых габаритных размерах. По этим параметрам они превосходят все остальные двигатели. Они просты по конструкции, надежно работают и не нуждаются в редукторах для согласования с регулирующим органом.

Различают две основные разновидности гидро и пневмодвигателей: с поступательным движением (мембранные и поршневые) и с вращательным движением (шестеренчатые, лопастные, плунжерные и турбинные).

В мембранном исполнительном механизме (рис. 42) перемещение выходного штока 4 осуществляется силой, создаваемой давлением рабочей среды на мембрану 2. При этом возвратная пружина 3 сжимается. Чем больше диаметр мембраны, тем большее усилие может быть передано на регулирующий орган. Полость под мембраной соединена с атмосферой. При снятии давления мембрана и, следовательно, шток возвращаются возвратной пружиной в исходное положение. Диски 1 обеспечивают жесткость мембраны, изготовленной из прорезиненной ткани. Значительно реже применяют поршневые исполнительные механизмы. Их используют в тех случаях когда необходимо создавать значительные усилия, или значительные перемещения штока.

В цилиндре 1 исполнительного механизма (рис. 43) перемещается поршень 2 со штоком 3. Поршень будет неподвижен при равенстве давлений Р 1 и Р 2. Если давление в левой полости больше, то на поршень будет действовать сила, равная разности давлений Р 1 и Р 2, умноженной на площадь поверхности поршня. Под действием этой силы поршень начнет перемещаться вправо. Шток 3 проходит через уплотнительный сальник 4. По способу управления гидро и пневмоцилиндры могут быть дроссельными и с объемным управлением. При дроссельном управлении в качестве управляющего устройства используют золотники, устройства типа сопло заслонка или струйные трубки.

При объемном управлении в качестве источников энергии используют насосы или компрессоры переменной производительности. Гидро и пневмодвигатели применяют в устройствах привода автоматических манипуляторов и исполнительных механизмов, дозаторов, затворов и питателей, предназначенных для регулирования расходов формовочных и других сыпучих и пусковых материалов.