Реализация программного управления коэффициентом редукции гитары токарно-винторезного станка на базе шагового двигателя и холловского датчика углового перемещения шпинделя

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.317.3

Омский Государственный технический университет

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОМ РЕДУКЦИИ ГИТАРЫ ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗНОГО СТАНКА НА БАЗЕ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ХОЛЛОВСКОГО ДАТЧИКА УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

А.А. Кабанов

В.Ф. Ковалевский

Отечественные машиностроительные предприятия располагают огромным парком универсальных токарно-винторезных станков, техническое состояние которых не обеспечивает выпуск продукции с необходимыми метрологическими характеристиками. Действительно, технологическое обеспечение широкой номенклатуры нарезаемых резьб предполагает существенные затраты времени и материальных средств на перестройку коэффициента редукции гитары станка. Для этого необходимо располагать весьма громоздким набором зубчатых шестерен с прецизионным эвольвентным профилем, причем число таких шестерен может достигать нескольких десятков.

Предварительные технико-экономические расчеты затрат на проведение модернизации станочного парка выявили перспективность внедрения современных микроконтроллерных средств и прогрессивных первичных измерительных преобразователей непосредственно в состав конкретного металлорежущего оборудования.

Изменение параметров нарезаемой резьбы достигается путем изменения коэффициента редукции гитары, передающей вращающий момент со шпинделя передней бабки токарного станка на ходовой винт, обеспечивающий необходимое перемещение резьбонарезного резца, размещенного в держателе инструмента на фартуке токарного станка. В конечном счете метрологические характеристики нарезаемой резьбы определяются точностью коэффициента редукции гитары.

К сожалению, получение широкого ряда шагов резьбы ограничивается параметрами (числом зубьев) шестерен гитары, что в принципе определяет недостаточно широкие функциональные возможности оборудования.

Появление в современной технике таких прецизионных электромеханических устройств, как шаговые двигатели, позволит организовать функциональную связь между параметрами вращения шпинделя и ходового винта без использования шестеренчатых передач. Дискретное перемещение ротора шагового двигателя определяет шероховатость поверхности профиля нарезаемой резьбы. При этом вкладом дискретности перемещения резца в результирующую шероховатость можно пренебречь ввиду его несоизмеримости с вкладом микрогеометрии режущей части резца, что оставляет на весьма приемлемом уровне потребительские свойства выпускаемой продукции.

На сегодняшний день в литературе описано большое количество алгоритмов управления шаговыми двигателями. В структуре прикладного программного обеспечения библиотеки-драйвера шаговых двигателей являются стандартными компонентами, в силу чего инженеру-разработчику достаточно остановить свой выбор на конкретном типе шагового двигателя и удобном с точки зрения практики алгоритме его управления.

Наиболее актуальной задачей в плане получения высоких метрологических характеристик станка является выбор первичного измерительного преобразователя углового перемещения шпинделя. Действительно, эта величина является определяющей с точки зрения метрологии. При этом весьма важное значение приобретают динамические характеристики датчиков, определяюшие в конечном итоге производительность оборудования.

Анализ доступных для использования датчиков углового перемещения выявил перспективность современных твердотельных прецизионных датчиков на основе эффекта Холла.

Эффект Холла возникает в кристалле полупроводника под действием магнитного поля и заключается в появлении перпендикулярно направлению тока I и магнитного поля B так называемой э.д.с. Холла. Значение э.д.с. будет пропорционально магнитной индукции поля. Причиной эффекта Холла является отклонение заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, под действием силы Лоренца. Эффект Холла используется в измерительной технике, радиоэлектронной аппаратуре, датчиках тока с гальванической развязкой, бесконтактных датчиках частоты вращения и датчиках угла поворота. Преимущества использования датчиков на эффекте Холла -- высокое быстродействие и надежность, обусловленные отсутствием движущихся частей.

На рисунке 1 приведена структурная схема типичного датчика Холла.

Рис.1. Датчик угловых перемещений на основе эффекта Холла

Вращение вала с установленным на нем магнитом будет изменять магнитную индукцию над датчиком Холла, а по значению величины магнитного поля можно делать вывод об угловом перемещении вала.

Использование датчиков угловых перемещений на основе эффекта Холла позволяет быстро и точно производить измерение угла. Отсутствие движущихся контактных частей в системе измерения угла поворота обеспечивает высокую надежность. Исполнение датчика в виде чипа позволяет использовать датчик угловых перемещений на основе эффекта Холла в достаточно жестких условиях окружающей среды.

В настоящее время существует множество датчиков угловых перемещений на основе эффекта Холла. Датчики, выпускаемые фирмой «Austriamicrosystems», содержат на кристалле ряд узлов, обеспечивающих температурную коррекцию номинальной статической характеристики, а также элементы цифровой обработки выходных сигналов элементов Холла. Погрешности преобразования угловых характеристик могут достигать сотых и тысячных долей угловых градусов.

Устройство работает следующим образом. Датчик углового перемещения монтируется на шпинделе (ведущей шестерне) станка, ходовой винт стыкуется с валом шагового двигателя (ведомая шестерня), между ними имеет место электронный редуктор с переменным коэффициентом редукции. Численное значение выходного код углового датчика делится на требуемый коэффициент редукции- получается необходимое число управляющих импульсов для драйвера шагового двигателя.

Реализация алгоритма обеспечивается за счет использования микроконтроллера Arduino Mega2560 с необходимыми периферийными элементами (функциональная клавиатура и дисплейный модуль).

Макетный образец реализует 8 дискретных значений линейных скоростей движения резца с шагом 0.03 мм в диапазоне от 0.03 мм до 0.24 мм при частоте вращения шпинделя до 3000 об/мин. Диапазон шагов нарезаемой резьбы включает 38 резьб как метрических (0.2 мм… 3 мм), так и дюймовых с шагом от 80 до 10 ниток на дюйм. Угловая скорость вращения шпинделя ограничена сверху значением 1500 об/мин.

Дополнительной весьма полезной функцией предлагаемого устройства является режим делителя шпинделя для выполнения фрезерных работ с дополнительным фрезерным шпинделем. Кроме того, реализуется программная защита от недопустимых перемещений инструмента.

сенсорный погрешность металлообрабатывающий датчик

Библиографический список

1. Janisch J. Understanding Integrated Hall Effect Rotary Encoders. Analog Devices. Nov 1, 2006.

Аннотация

В работе рассмотрены вопросы использования сенсорных элементов Холла в целях минимизации погрешностей технологического металлообрабатывающего оборудования. Проведен анализ параметров существующих датчиков линейных перемещений.

Ключевые слова: токарно-винторезный станок, коэффициент редукции гитары, погрешность, линейные перемещения.

Размещено на Allbest.ru