자동 제어: 자동 제어: 종합 가이드

I. 개요

1. 자동 제어

자동 제어는 추가 장치나 장비(제어 장치)를 사용하여 기계, 장비 또는 생산 공정(제어 대상)이 사람의 직접적인 개입 없이 특정 작업 상태 또는 매개 변수(제어 변수)에 대해 미리 정해진 규칙에 따라 자동으로 작동하도록 하는 프로세스입니다.

예를 들어, 미리 정해진 프로그램에 따라 자동으로 절삭하는 CNC 선반이나 미리 정해진 궤도에 정확하게 진입하여 회수되는 인공위성을 들 수 있습니다. 자동화는 본질적으로 기계나 장비를 자동으로 조절하고 제어하는 것입니다.

자동 제어 시스템이란 제어 대상의 작동 상태를 자동으로 제어할 수 있는 시스템을 말합니다. 제어 대상과 제어 변수의 자동 제어를 실현하는 데 관련된 장치 또는 구성 요소의 조합으로, 일반적으로 제어 장치와 제어 대상으로 구성됩니다.

측면 그림에서 플로트는 수위 높이를 밸브에 전달하고 밸브는 수위 높이에 따라 열리거나 닫힙니다. 설정값을 변경하여 원하는 수위를 조정할 수 있습니다.

실제 상태(수위 높이)의 지속적인 피드백 과정을 통해 원하는 상태(설정 상태 = 원하는 수위 높이)에 도달할 때까지 실제 상태에 따라 지속적으로 조정됩니다.

제어 및 조절 장치의 도움으로 이제 순차적으로 배열된 여러 공작 기계에서 수백 번의 작업이 필요한 공작물(예: 엔진 실린더 블록)의 가공 공정을 자동화할 수 있습니다. 많은 작업이 제어되고 일부 주요 작업이 규제됩니다. 그러나 선반에서의 간단한 복사 작업도 제어된 작업 프로세스로 간주될 수 있습니다.

2. 제어 방법

(1) 개방형 루프 제어

시스템의 제어 변수(출력)는 제어 동작에 의해서만 제어되며, 제어 방법은 영향을 미칠 수 없습니다. 개방형 루프 제어를 사용하는 시스템을 개방형 루프 제어 시스템이라고 합니다.

장점: 간단한 구조, 저렴한 비용, 구현하기 쉽습니다.

단점: 방해 요소를 억제하는 기능이 없고 제어 정확도가 낮습니다.

(2) 폐쇄 루프 제어

시스템의 제어 변수(출력)와 제어 동작 사이에 부정적인 피드백이 있는 제어 방식입니다. 폐쇄 루프 제어를 사용하는 시스템을 폐쇄 루프 제어 시스템 또는 피드백 제어 시스템이라고 합니다. 폐쇄 루프 제어는 모든 생물학적 움직임 제어의 기본 규칙입니다. 인간은 그 자체로 고도의 제어 기능을 갖춘 매우 복잡한 폐쇄 루프 제어 시스템입니다.

장점: 내부 및 외부 교란으로 인한 시스템 오류(편차)를 자동으로 보정하여 시스템 정확도를 효과적으로 개선할 수 있습니다.

단점: 시스템 매개변수를 적절히 선택해야 하며, 그렇지 않으면 제대로 작동하지 않을 수 있습니다.

(3) 복합 제어

개방형 루프와 폐쇄형 루프 제어를 결합한 제어 방식입니다. 시스템 제어 정확도를 높이기 위해 입력 신호 또는 교란 신호에 대한 추가 피드포워드 경로가 있는 폐루프 제어 루프를 기반으로 합니다. 피드포워드 경로는 일반적으로 입력 신호 보정 및 교란 신호 보정을 위한 보정기로 구성됩니다.

장점: 높은 제어 정확도, 거의 모든 측정 가능한 장애를 억제할 수 있습니다.

단점: 보정기 매개변수는 높은 안정성이 필요합니다.

3. 블록 다이어그램의 개념

• 블록 - 제어 장치와 제어 대상은 블록으로 표시됩니다.
• 신호 라인 - 블록의 입력 및 출력과 그 연결은 화살표 신호 라인으로 표시됩니다.
• 입력 신호 - 블록에 입력되는 신호입니다.
• 출력 신호 - 블록을 떠나는 신호입니다.

개방형 루프 제어 시스템 블록 다이어그램:

폐쇄 루프 제어 시스템 블록 다이어그램:

4. 자동 제어 시스템의 분류

자동 제어 시스템에는 아래 표와 같이 여러 가지 분류 방법이 있습니다.

자동 제어 시스템의 분류

II. 서보 제어 시스템

서보 시스템은 물체의 위치, 방향, 상태 등 출력 제어 변수가 입력 대상(또는 설정 값)의 임의적인 변화에 따라 움직이도록 하는 자동 제어 시스템입니다.

주요 임무는 제어 명령에 따라 전력을 증폭, 변환 및 조절하여 구동 장치의 토크, 속도 및 위치를 매우 유연하고 편리하게 제어하는 것입니다. 몇 가지 일반적인 서보 제어 유형은 다음과 같습니다.

의 일반적인 응용 프로그램 서보 제어 카피 터닝입니다. 이 공정을 위해 특별히 설계된 선반이 있습니다. 공구가 공작물의 위나 뒤에서 접촉하여 방해받지 않고 칩을 제거할 수 있습니다.

1. 기계식 서보 제어

캐리지가 계속 이송되면서 센서(신호 장치)가 템플릿 또는 표준 샘플을 따라 이동합니다. 센서와 공구 사이의 견고한 연결을 통해 공구는 동일한 궤적을 따라 이동하고 공작물은 템플릿에 따라 가공됩니다. 센서는 공구의 반향력에 의해 템플릿에 눌려야 합니다.

2. 전동 서보 제어

여기서 종방향 캐리지도 연속적으로 공급됩니다. 센서가 템플릿에 접촉하지 않으면 센서 상자의 접촉 KI가 자동으로 닫힙니다.

클러치 KI는 릴레이(제어 장치)와 접촉기(액추에이터)를 통해 작동하므로 센서가 템플릿에 닿을 때까지 모터가 공구 슬라이드를 공작물 쪽으로 구동합니다. 이 시점에서 접점 KII가 닫히고 모터는 센서가 템플릿을 떠날 때까지 공구 슬라이드를 다시 구동합니다.

3. 유압 서보 제어

이 복사 장치는 선반에 부착할 수 있습니다. 이 장치의 장점은 복사 정확도가 높다는 것입니다.

4. 전기 유압식 서보 제어

이 장치에서는 스타일러스 또는 센서로 템플릿의 윤곽을 감지하고 전자 튜브에서 펄스 신호를 증폭합니다.

이 신호를 수신하면 전자석이 1초 이내에 유압 제어 밸브를 작동시켜 강력한 오일 흐름을 유압 피스톤으로 즉시 전달하는 제어 프로세스를 시작합니다. 짧은 변환 시간 후에 매우 높은 복사 정확도를 달성할 수 있습니다.

스타일러스가 템플릿에 닿지 않으면 플립플롭 레버가 접점을 오른쪽으로 연결하여 증폭 튜브의 그리드 전압을 0으로 낮춥니다(접지). 이렇게 하면 튜브의 전류가 자유롭게 흐르면서 전자석의 코일을 여기시키고 전기자를 끌어당겨 밸브의 오일 통로를 열 수 있습니다.

압력 오일이 피스톤으로 들어가고 크로스 슬라이드가 스타일러스가 템플릿에 닿을 때까지 공구를 공작물 쪽으로 이동시킵니다. 그러면 접점이 열리고 그리드 전압과 전류가 차단됩니다. 제어 밸브가 출력 및 리턴 통로를 모두 닫으면 피스톤이 상부 및 하부 오일 챔버 사이에 고정됩니다.

III. 프로그램 제어 시스템

프로그램 제어 시스템에서 설정값은 특정 시간 함수에 따라 변경됩니다. 예를 들어, 프로그램 제어 공작 기계의 프로그램 제어 시스템의 출력은 설정 값과 동일한 변화 패턴을 따라야 합니다.

프로그램 제어 시스템에서 설정값은 가변적이지만 시간의 함수이므로 운영자가 지정한 시간 프로그램에 따라 설정값이 변경됩니다.

이러한 유형의 시스템은 여러 액체의 자동 혼합 및 가열 제어와 같은 간헐적 생산 공정에 널리 사용됩니다.

프로그램 제어 시스템의 구성 요소: 스위치 신호, 입력 회로, 프로그램 컨트롤러, 출력 회로, 액추에이터 등입니다.

1. 전기 프로그램 제어

밀링 머신은 종종 전기 제어 장치를 사용합니다. 제어 프로그램은 두 개의 저장 시스템으로 나뉩니다. 이동 길이는 작업대 이동 방향을 따라 설정된 스톱 플레이트의 스톱을 조정하여 결정되고 저장됩니다. 따라서 플레이트의 스톱은 스위칭 펄스 신호를 생성할 때 이동 길이를 제한합니다.

그런 다음 이 펄스는 핀 보드 또는 펀치 테이프 장치로 들어갑니다. 여기에서 제어 펄스는 이송 모터 또는 밀링 커터 구동 장치와 같은 해당 구동 요소로 계속 출력됩니다. 이에 따라 펄스가 적용되는 위치가 결정됩니다.

워크테이블의 세로 이동:

• 1 - E1 = 리미트 스위치
• 2 - E2 = 리미트 스위치
• 3 - E3 = 리미트 스위치
• 4 - E4 = 리미트 스위치
• 5 - 피드, 오른쪽
• 6 - 빠른 트래버스, 오른쪽
• 7 - 피드, 왼쪽
• 8 - 빠른 트래버스, 왼쪽

워크테이블의 교차 이동:

• 5 - 피드, 인
• 6 - 빠른 트래버스, 인
• 7 - 피드, 아웃
• 8 - 빠른 트래버스, 아웃

워크테이블의 수직 이동:

• 5 - 피드, 아래로
• 6 - 래피드 트래버스, 다운
• 7 - 피드, 위로
• 8 - 빠른 트래버스, 위로

2. 기계식 프로그램 제어

전자동 또는 반자동 선반은 제어를 위해 캠 드럼이나 캠 디스크를 사용하는 경우가 많습니다. 단일 또는 다중 공구 터렛 또는 육각 헤드에는 필요한 선삭 공구와 리머, 드릴, 보링 공구, 센터 드릴 또는 나사 절삭 헤드가 장착되어 있습니다.

균일하게 회전하는 캠 드럼 또는 캠 디스크는 주로 이동 제어를 통해 공구 준비와 공구 홀더의 회전을 제어한 다음 슬라이드와 공구 홀더를 올바른 이송 속도로 공작물 쪽으로 이동시킵니다.

봉재 가공에 일반적으로 사용되는 완전 자동 선반의 경우, 재료 공급, 클램핑 및 절삭도 프로그램을 통해 완료됩니다. 이러한 기계의 단점은 설정 시간이 길다는 점입니다. 모든 캠을 설치하고 모든 공구를 조정하는 데 며칠이 걸릴 수 있으며, 그 동안에는 기계가 생산할 수 없습니다.

공구 마모로 인해 공작물 치수를 자주 모니터링하고 점검해야 합니다. 이러한 기계는 부품을 대량으로 생산할 때만 경제적입니다.

3. 공압-유압 프로그램 제어

유압식, 공압식 또는 이 두 제어의 조합은 연삭기와 같이 부드러운 작동, 무소음 및 무한 가변 속도 제어로 인해 이송 이동에 자주 사용됩니다. 펄스 전송 방식에 따라 시간 순서, 이동 및 작동 제어가 가능합니다.

아래 그림에서 메인 피스톤은 압축 공기 채널을 통해 압축 공기로 구동됩니다. 피스톤이 장착된 유압 실린더가 공기 실린더와 직렬로 연결되어 급속 트래버스 E 및 이송 스트로크 V의 속도를 제어합니다.

급속 트래버스 중에는 유압 오일이 밸브 V0을 통해 오른쪽 오일 챔버에서 왼쪽 오일 챔버로 방해 없이 흐르고, 피스톤 움직임으로 인해 오른쪽 챔버의 부피는 감소하는 반면 왼쪽 챔버의 부피는 팽창합니다. 급속 트래버스가 끝나면 밸브 V1이 전환되고 스로틀 밸브 D의 작은 흐름이 피스톤 이동 속도를 줄입니다.

V ₁ 및 V ₂ 피스톤 스트로크 터미널의 두 밸브 제어 V _3， 밸브 V를 통한 압축 공기 ₃ 를 눌러 메인 피스톤의 앞뒤 움직임을 제어합니다.

IV. 디지털 제어

디지털 제어는 숫자, 문자 또는 기타 기호를 사용하여 작업 프로세스에 대한 제어를 프로그래밍하는 자동화된 방법입니다.

일반적으로 전용 컴퓨터를 사용하며, 작동 명령이 디지털 형식으로 표시되고 기계 장비는 미리 정해진 프로그램에 따라 작동하며, 약어로 NC(Numerical Control)라고 합니다. 일반적으로 위치, 각도, 속도 및 기타 기계적 수량과 기계 에너지의 흐름과 관련된 스위칭 수량을 제어합니다.

수치 제어의 출현은 데이터 캐리어와 이진 데이터 연산이 등장하면서 시작되었습니다. 수치 제어 기술은 공작 기계 제어와 밀접하게 통합되어 발전했으며 컴퓨터 수치 제어 기술이라고도 합니다. 현재는 디지털 프로그램 제어를 구현하기 위해 컴퓨터를 채택하고 있습니다.

이 제어 원리는 다음 다이어그램에 표시된 정보 흐름에서 명확하게 이해할 수 있습니다. 프로그램 설계 지침의 도움을 받아 기술 도면, 가공 계획 및 기술 데이터와 같은 정보 소스에 따라 프로그램 설계 부서는 정보 저장 매체(NC 장치)와 공구 계획을 준비할 수 있습니다.

공구 준비 부서에서는 공구 계획에 따라 가공에 필요한 공구를 준비합니다. 도구는 도구 매거진에서 수동 또는 자동으로 변경할 수 있습니다.

공구는 공구 홀더에 정확하게 설치되어야 하며 다시 조정하거나 보정할 필요가 없습니다. NC 장치와 공구 매거진은 공작 기계에 편리하게 장착할 수 있습니다. 몇 분 안에 프로그램을 입력하고 공구를 장착하고 공작물을 클램핑할 수 있습니다. 이렇게 하면 공작 기계가 작동할 준비가 완료됩니다.

이러한 유형의 공작 기계는 작업마다 전환 시간이 짧다는 장점이 있으므로 특히 중소 규모의 공작물 배치 생산에 적합합니다. 준비 작업은 기계 외부, 즉 프로그램 설계 부서와 공구 조정 부서에서 수행됩니다. 이러한 준비 작업을 외부 데이터 처리라고 합니다.

프로그램이 입력되면 NC 장치는 정보를 수신하여 저장하고 필요에 따라 정보를 추가로 처리합니다. 이 정보는 스핀들 속도 및 이송 속도에 대한 작동 정보와 슬라이드 이동의 위치 설정값(스트로크 설정값)으로 변환되어 Z=종방향 및 X=횡방향에 대한 위치 설정값으로 변환됩니다. 작동 정보는 메인 드라이브와 이송 드라이브를 제어하는 액추에이터에 공급됩니다.

위치 설정값은 설정값-실제값 비교기를 통해 종방향 및 횡방향 슬라이드의 조정 메커니즘에 입력됩니다. 실제값 감지기는 순간 실제 치수를 설정값-실제값 비교기에 지속적으로 피드백하고, 피드백된 실제 치수가 프로그램에서 미리 결정된 설정값과 일치할 때까지 조정 메커니즘이 지속적으로 작동합니다. 이것이 제어 프로세스입니다.

예를 들어 구형을 회전하려면 X 방향의 최대 스트로크, Z 방향의 최대 스트로크, 구의 반지름 등 필요한 정보를 정보 처리 장치에서 보간기(컴퓨터)로 보내야 합니다.

미리 저장된 프로그램에 따라 보간기는 슬라이드의 X 및 Z 방향의 동시적인 시간 변화 동작을 계산하여 정보 처리 장치로 다시 보냅니다.

1. 정보 출처

가공할 공작물의 모양과 치수에 대한 데이터(기술 도면), 가공 절차에 대한 데이터(가공 계획), 다음과 같은 가공 사양. 절단 속도, 이송 속도 및 기타 유사한 기술 데이터와 각 공작 기계 및 각 수치 제어 시스템에 필요한 프로그램 설계 지침은 프로그래머가 사용하는 정보 소스입니다.

프로그래머는 전체 처리 절차를 이론적으로 리허설(시뮬레이션)해야 하며, 공작 기계의 아주 작고 관련 없어 보이는 동작을 포함한 모든 동작에 대해 정보 캐리어 또는 저장 매체에 해당 지침(정보)을 제공해야 합니다. 이러한 방식으로 기술자는 더 이상 설정할 속도, 냉각수 윤활유 도포 여부 또는 도포 시기를 결정할 필요가 없습니다.

이러한 결정은 공작물이 가공을 시작하기 전에 이미 프로그램 설계 부서에서 이루어집니다. 도면, 기존 가공 계획 및 기술 파라미터를 기반으로 가공 계획이 작성되어 가공 절차를 개별 단계(명세서)로 나눕니다.

각 단계는 명세서 번호, X축 및 Y축의 이동 방향, 이동 거리, 이송 속도, 스핀들 회전수, 보조 기능(예: 절삭유 윤활)에 따라 결정됩니다.

2. 실제 값 감지(스트로크 감지)

수치 제어에는 위치 설정값의 달성을 제어하는 것이 포함됩니다. 실제 위치값과 위치 설정값을 지속적으로 비교해야 합니다. 이를 위해서는 실제 값을 정확하게 판독하여 설정값-실제값 비교기로 전송할 수 있는 장치가 필요합니다.

(1) 비교 측정(아날로그 측정)

슬라이드에 고정된 슬라이딩 접점은 슬라이드 와이어 저항에서 슬라이드 스트로크에 해당하는 전압을 픽업합니다. 이 전압(실제 값)은 회로 결정 저항에 의해 생성된 전압(설정값)과 비교됩니다. 오른쪽 그림에서는 스위치 4가 닫힌 상태의 전압을 설정값으로 사용합니다.

실제 측정에서는 거친 조정용, 세미 미세 조정용, 미세 조정용의 세 가지 브리지 회로가 사용됩니다.

(2) 증분 측정(증분 스트로크 측정)

유리 눈금은 특정 간격(예: 0.01mm마다)으로 밝은 영역과 어두운 영역이 번갈아 나타납니다. 슬라이드에 장착된 광전지가 저울을 스캔하고 명암 전환이 감지될 때마다 펄스가 카운터로 전송됩니다. 카운터의 카운트는 실제 스트로크 값에 해당합니다.

(3) 절대값 측정(절대 스트로크 측정)

여러 개의 광전 전지가 여러 개의 밝은 선과 어두운 선으로 눈금을 감지합니다. 각 길이는 라이트 필드와 다크 필드의 조합에 해당하며, 이는 인디케이터에 차원, 즉 실제 값으로 표시됩니다.

3. 숫자 제어의 유형

(1) 포인트 투 포인트 제어

포인트 투 포인트 제어에서는 스트로크의 끝점만 제어하므로 처음에는 드릴링 머신에서 사용되었습니다. 예를 들어 X=50과 Y=30의 두 스트로크가 필요한 경우 순차적으로 또는 동시에 실행할 수 있으며 순서는 중요하지 않습니다. 이 프로세스는 절단을 위해 프로그래밍된 좌표점에 도달한 후에만 시작할 수 있습니다.

(2) 직선 제어

직선 제어에서는 이동이 항상 X 방향 또는 Y 방향 중 한 방향으로만 이루어집니다. 몇 가지 예외적인 경우에만 45° 모따기 또는 내부 모서리를 만들기 위해 양방향에서 동일한 속도의 동작을 사용하여 두 방향으로 동시에 이동합니다.

원하는 공작물 모양은 X축과 Y축의 특정 스트로크 시퀀스와 각각의 길이를 통해 생성됩니다. 공작물은 직선 동작을 통해 가공됩니다.

(3) 컨투어링 제어

컨투어링 제어에서는 복잡한 공작물 모양을 두 방향 또는 세 방향으로 동시에 움직여 가공할 수 있습니다. 동시에 움직이는 방향에서 필요한 속도는 보간기(컴퓨터)를 통해 계산해야 합니다. 컨투어링 제어 기계는 점 대 점 및 직선 제어 작업에도 사용할 수 있습니다.

수치 제어 기술은 기계 제조, 인쇄, 섬유, 포장 및 건축 자재와 같은 산업 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다.