Вибродвигатели

СИНХРОНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ВИБРОДВИГАТЕЛЕЙ

РАБОТАЮЩИХ ПАРАЛЛЕЛЬНО

Задачи синхронного привода. Одна из особенностей вибродвигателей лю­бого типа — отсутствие однозначной зависимости между количеством перио­дов колебаний вибропреобразователя и положением подвижного звена вибро­двигателя. Основанный на фрикционном взаимодействии преобразователя и подвижного звена, вибродвигатель является асинхронным приводом. Без датчиков обратной связи положение подвижного звена не может быть задано в течение достаточно продолжительного времени.

В приборостроении и ряде других областей техники весьма часты задачи согласованного привода нескольких валов или перемещаемых объектов. Система привода должна обеспечить некоторое рассогласование движения в отдельные промежутки времени, нап ример, при работе в шаговом режиме. Простейший пример — задача развертки изображения. Число строк и коли­чество элементов в строке связаны между собой в пределах допуска, опреде­ляемого временем оценки каждого элемента в ЦВМ (случай кратного синхро­низма). В общем случае, рассматривая промежуток времени от tx до tz, требо­вание синхронного вращения двух валов оцениваем коэффициентом степени синхронизма

Таким образом, коэффициент s„ оценивает возможное рассогласование на заданную величину двух валов, которое необходимо проектируемому ус­тройству при синхронном их движении.

При вращательном и поступательном перемещении на величину х имеем

_ ?а

s'v = 1 ; Sx = x~x?; x= 1 - f kdt. , ■ (3.24a)

ZTZ 12 — t j J

n :

Кратность движения в этом случае к' имеет размерность (1/м) , ;

- ■ < і

к' =-- І. ' ; і

X

В случае двух поступательных перемещений хг и х2 оценивает приве­денную абсолютную величину рассогласования

л£ = |8х1-8х*1; кГ = xjkt. (3.246)

Любое значение sv можно обеспечить путем применения датчиков положе­ния, связанных с подвижными звеньями вибродвигателя и системы обратной связи. Такое решение задачи не всегда применимо из-за своей громоздкости и сложности. Поэтому покажем, что возможны более простые решения задачи обеспечения наперед заданного значения sv.

Обеспечение функциональной зависимости скорости от координаты. В обычных схемах вибродвигателей, рассмотренных в главе 1, положение под­вижного звена не связано с его скоростью. Но скорость подвижного звена вибро­двигателя зависит от амплитуды колебаний преобразователей. Учитывая, что в преобразователях с колебаниями в виде стоячих продольных, изгибных, сдвиговых или крутильных волн амплитуды колебаний связаны с координа­той, осуществим связь скорости с положением подвижного звена. Это даст возможность синхронизовать с любым sv несколько параллельно работа­ющих вибродвигателей.

Рассмотрим схему вибродви гате л я с двумя активными элементами в зоне контакта (см. рис. 1. За), только вместо чисто радиальных колебаний преобра­зователя 1 возбудим изгибные в плоскости преобразователя. Запишем выра­жение для радиального компонента в следующем виде:

5(<р, t) = l,0ksmk(y — Ф)со$рі, (3.25)

где <р — угловая координата; к — коэффициент, определяющггй форму из­гибных колебаний. Величина Ф — геометрическая фаза колебаний — опреде­ляет положение узлов колебаний и может быть управляемой в пределах

— 27ijk ^ Ф ^ 2 п/к.

Теперь связь координаты <р со скоростью о> подвижного звена очевидна: если в кольцевом преобразователе возбуждаются изгибные колебания к-й формы с фазой Ф0, то скорость подвижного звена представляется сплошной

кривой (рис. 3.18). Здесь <р1ни <р2н- передняя и задняя зоны нечувстви­тельности, определяемые предель­ными амплитудами £пр радиальных колебаний кольца. Таким образом, вращение будет происходить до зна­чения <р=ф (Ф0), соответствующего фазе Ф0

d<? (Ф0)

dt

Если изменить фазу Ф до зна­чения Фх, то скорость будет пред­ставлена пунктирной кривой, а координата <р (Фг) равна

ф(Ф1) = ф(Ф0) + Фі-Ф0,

т. е. положение подвижного звена связано с геометрической фазой Ф.

Кривые скоростей на рис. 3.18 даны при фиксированных Ф0 и Фг. Если

(]Ф

-ф - # 0, а скорость при максимальных амплитудах радиальных колебаний d<t>

значительно больше - г - . т. е.

dt

d<&{t)

dt

то нетрудно показать, что

__ d<&(t)

dt

т. е. происходит слежение по фазе Ф (t).

Таким образом, управляя фазой Ф, можно осуществить синхронизацию нескольких вибро двигателей как по положению, так и по скорости. В первом случае необходима еще информация о скорости звена. Так как <о зависит от 5, датчиком скорости может служить преобразователь 2 (рис. 1.3о), в котором выполнены дополнительные электроды; снимаемое с них напряжение должно зависеть только от нормальной составляющей удара в контакте.

Покажем, как осуществляется управление фазой Ф, при этом рассмотрим отдельно случаи дискретного и аналогового изменений.

< Дискретные значения фазы Ф задаются коммутированием электродов преобразователей. Например, геометрическая фаза изгибных колебаний коль­цевого преобразователя при к=2 меняется на ДФ с переключением генера­тора с электрода 1 на электрод 2 (рис. 3.19а). Наиболее употребляемые при

шаговом движении изменения фазы ЛФ=тс/2& достигаются с помощью симмет­рических преобразователей (рис. 3.196), имеющих наибольший кпд. В схеме для случая fc=2 заземление внутренних электродов и присоединение попарно соединенных внешних электродов к симметрическому выходу генератора электрических колебаний дает Ф = 0. При заземлении внешних электродов и присоединении внутренних к генератору обеспечивается Фт = + тс/4 (знак за­висит от порядка присоединения электродов).

При малых значениях АФ применяются линейные электроды (рис. 3.196), соединяемые в группы в зависимости от к и т. п.

Схемы с аналоговым или временным управлением Ф сложнее. На рис. 3.20 а приведена схема реализации геометрической фазы, изменяющейся по линейному закону

Ф = <о? (3.31)

при о><^р. Напряжение из генератора 1 частотой р, равной частоте резонанса изгибных колебаний при к=2, поступает через фазочувствительные модуля­торы 2 к электродам радиально поляризованного пьезокерамического кольца (число их и). Преобразователь фаз 3 преобразует однофазный сигнал генера­тора 4 частотой со в я-фазные сигналы, поступающие в один из входов моду­лятора 2. Каждый модулятор сдвигает фазу напряжения частотой р на О или п в зависимости от знака напряжения генератора 4. Промодулированное сигналом частотой со напряжение поступает в электроды преобразователя.

Как показано на рис. 3.20а, данная схема может быть использована и для более общей задачи — реализации любой функции Ф (t), задаваемой напря­жением F (t). От вышеописанной схема отличается только введением амплитуд - но-частотного преобразователя 5.

Весьма частая задача - синхронизация вибродвигателей, совершающих периодические движения, осуществляется при помощи формирования перио­дически изменяющихся фаз Ф. Так, гармонический закон изменения

ф = фь. sin

где рг и рг — частоты, близкие к р Фк — коэффициент, зависящий от к, ре­ализуется схемой, приведенной на рис. 3.206. При А: = 2 обеспечивается значе­ние Фк=7с/4. Так как в реальных устройствах р = (0,12-1) • 10е 1/с, то частот­ный диапазон изменения фазы Ф лежит в пределах от 0 (при р2 = рі) до (1 —2) • •104 1/с.

Применение дополнительных связей. Близкое расположение звеньев вибро двигателей дает возможность ввести дополнительные синхронизиру­ющие связи между подвижными звеньями вибродвигателей. Одна из схем

приведена на рис. 3.21а, в которой валы вибродвигате - лей связаны передаточным отношением к и последова­тельной упругой жесткос­тью скр. При

Л^вибр

(3.33)

где МЕИбр — максимальный момент, развиваемый виб­родвигателем, схема обес­печивает заданное значе­ние sv.

Более подробно рассмот­рим другой вид дополни­тельных связей — магнит­ных, примененных авторами для синхронизации вибродвигателей сканиру­ющих устройств и лентопротяжных механизмов с многодвигательным приво­дом. Применение магнитных связей весьма эффективно в следующих случаях.

1. При синхронизации движения вибро двигателей с несколькими степе­нями подвижности. На рис. 3.21 б приведен пример синхронизации враща­
тельных и поступательных движений двух вибродвигателей с двумя степе­нями подвижности (принципы действия вибродвигателей со многими степе­нями подвижности будут подробно рассмотрены в гл. 5). Намагниченности /д и /,, соответственно по продольной оси А и по окружности изменяются по законам

/д = /„cos ^ ; /, = /„cos-^-, ". (3.34)

где Хд, - линейные и угловые длины волн распределения намагниченности в направлении перемещения А и<р. Если заданы sv и s", см. уравнения (3.24) и (3.246), длины волн задаются выражениями

<3-35)

2. При совместной работе соосных вибродвигателей вращательного движе­ния (встречается в оптических устройствах). Просто решается задача при к=1 (связи в виде соосных зубчатых магнитных систем с одинаковым числом зубьев). Для случая |А:|>1 целесообразно применение соосных магнитных

передач с пассивными звеньями[3]. На рис. 3.22а представлена схема устройства слежения с двумя независимыми входами; в нем использованы соосные син­хронизирующие связи, для которых

sign(ze-z5);

Л ПОЛ Л. пол

где z8, ze — число зубьев системы звеньев 5 и 6 (рис. 3.22а); Ктл - число по­люсов магнитной системы звена 4. Так как Ктл=2, 4, 6, a z„ = 12-120 и более, то | к | > 1.

3. При совместной работе двух вибродвигателей с поступательным дви­жением звеньев (рис. 3.22б). При к= 1 используются магнитные зубчатые системы с одинаковым шагом, при | к | > 1 — линейный вариант магнитной синхронизирующей системы с пассивными звеньями

^4 — (к | Х6, sv ^ 2 | к | Хв,

где X, — шаги зубчатых делений, а индексы соответствуют номеру позиции звена (рис. 3.22б).

Разработан метод синхронизации виброустройств* и при значительном расстоянии их друг от друга.

4. При синхронизации поступательного и вращательного движений звеньев. Пример — устройство (рис. 3.22в), в котором применены винтообразные маг­нитные зубья.

5. При осуществлении связи координаты и скорости в вибродвигателях с магнитострикционными преобразователями. Рассогласование положения звеньев вибродвигателей приводит к изменению потока подмагничивания и тем самым изменяет амплитуды колебаний преобразователей.

Синхронизирующие магнитные связи при рассогласовании движения подвижных звеньев вибродвигателей прилагают к ним дополнительные мо­менты или силы.