3.2. Позиционные датчики обратной связи.

Позиционные или кодовые (другое название) применяются в том случае, когда необходимо автоматическое восстановление координаты рабочего органа после включения УЧПУ. Особенно это важно при проектировании измерительных систем для роботов, так как в этом случае возврат в исходную точку связан с проблемами вхождения в зоны недопустимых областей нахождения схвата робота.

Позиционные датчики бывают в основном фотоэлектрического типа. Принцип работы также основан на модулировании светового потока излучателя с помощью многодорожечной маски. Фрагмент такой маски в развернутом виде показан на рис.

Для каждой дорожки установлена своя оптическая пара, сигнал которой соответствует разряду выходного двоичного кода датчика, а общая разрядность датчика равна числу дорожек на маске. Как видно из схемы, устройство датчика простое, а выходной сигнал непосредственно соответствует двоичному коду измеряемой координаты. Однако такие датчики имеют крупный недостаток, заключающийся в том что существуют моменты, когда группы разрядов или все разряды сразу переходят из одного состояния в противоположное. В этот момент значительно изменяется потребление тока, что в свою очередь ведет к возникновению импульсных помех на выходах датчика. Более предпочтительны в этом отношении являются датчики с маской выдающей выходной сигнал в виде кода Грея. Фрагмент такой маски показан на рис.

Рис. Фрагмент маски с кодом Грея.

Особенность кода Грея заключается в том, что при перемещении маски всегда изменяется только один разряд.

Полученная таким образом координата в виде кода Грея легко преобразуется в обычный двоичный код с помощью схемы на элементах «Исключающее ИЛИ». Фрагмент схемы приведен на рис. Преобразование можно осуществить и программным способом с использованием функции «Исключающее ИЛИ».

3.3. Комбинированные датчики обратной связи.

Суть работы таких датчиков заключается в том, что они совмещают работу унитарных и позиционных датчиков. При этом они являются позиционными в ограниченном диапазоне измеряемой координаты, а общее значение получается путем суммирования количества диапазонов. При включении питания УЧПУ такие датчики восстанавливают точное значение координаты в одном диапазоне, однако для начала работы, как и в случае унитарных датчиков, необходим возврат рабочего органа в исходное положение. Преимущество измерительной системы на комбинированных датчиках заключается в резком снижении требований к точности датчиков исходного положения рабочего органа – погрешность не должна превышать величину диапазона позиционного датчика. В качестве позиционного датчика в этом случае применяются либо индуктивные, либо оптические датчики.

3.3.1. Индуктивные комбинированные датчики обратной связи.

Индуктивные датчики, применяемые в качестве ДОС бывают двух типов: вращающиеся трансформаторы и индуктосины. Вращающийся трансформатор (ВТ) представляет собой электрическую машину, состоящую из статора и ротора. На статоре имеются две обмотки, конструктивно расположенные строго перпендикулярно друг другу. На роторе также имеются такие же и также расположенные обмотки, поэтому коэффициент трансформации такой машины равен 1. Принципиальная схема ВТ показана на рис.

На статорные обмотки подаются два гармонических сигнала Usin и Ucos с одинаковой амплитудой и частотой, но сдвинутых по фазе на 90 градусов. Для увеличения точности гармонические сигналы должны иметь возможно большую частоту, однако это требование ограничивается характеристиками магнитной системы трансформатора. На практике частота сигналов выбирается равной 2,5 кгц. Сигналы Usin и Ucos образуют в магнитной системе статора круговое электромагнитное поле, которое наводит в роторе ЭДС той же частоты и той же амплитуды U вых, но сдвинутой по фазе на величину угла поворота ротора. Таким образом, связав ротор с исполнительным органом станка, например, с ходовым валом привода суппорта, имеется возможность измерять угол поворота ходового вала, т.е. значение координаты, путем измерения величины сдвига фазы одного из напряжений на статоре с выходным напряжением ротора ВТ.

Измерение сдвига фазы выполняется с помощью схемы , называемой фазовым дискриминатором. На рис. показана функциональная схема одного из вариантов фазового дискриминатора для датчика на базе ВТ. Схема работает следующим образом:

Гармонические сигналы Usin и U вых. Подаются на входы компараторов К1 иК2 соответственно. Компараторы настроены таким образом, чтобы сформировать короткие импульсы в определенный момент, например, при переходе синусоиды с «+» - значения на « - ». Сигнал с компаратора К1 взводит RS – триггер, тем самым открывая управляемый вентиль УВ, пропуская на вход позиционного счетчика импульсы с генератора тактовых импульсов ГТИ с частотой 2,5 Мггц. Сигнал с компаратора К2 сбрасывает триггер, прекращая подачу импульсов на вход счетчика. Таким образом, число импульсов прошедших в счетчик за один период опорной частоты (Usin) соответствует величине сдвига фазы между опорным сигналом Usin и Uвых. Это число можно рассчитать по формуле:

N = А /360 *К, где:

А- текущий угол сдвига фазы,

360 – полный угол сдвига фазы,

К – коэффициент пропорциональности между частотой ГТИ и частотой гармонического сигнала. В нашем случае он равен: К = 2,5 мггц / 2,5 кгц = 1000. Например, при сдвиге фазы на 90 градусов в счетчик пройдет число импульсов равное 250. Соответственно полный угол сдвига фазы соответствует 1000 импульсов. Описанный процесс определения сдвига фазы повторяется с частотой гармонического сигнала. Переполнение позиционного счетчика, означающего поворот ротора на 360 градусов, фиксируется формированием счетного импульса в счетчик – накопитель. Таким образом, действительная величина перемещения рабочего органа в каждый момент времени складывается из значений обоих счетчиков.

Рис. Принципиальная схема ВТ.

Датчики обратной связи на основе ВТ имеют вращательное основное движение, поэтому легко встраиваются во вращательные координаты станков с ЧПУ. В то же время, для измерения поступательного перемещения по координате требуется преобразователь поступательного движения рабочего органа во вращательное ротора ВТ. В качестве таких преобразователей чаще всего применяются шарико-винтовые пары (ШВП). Поэтому дискретность отсчета по координате определяется по формуле:

D = t / К, где: t – шаг ШВП.

Наиболее распространены в станкостроении ШВП с шагом 10 мм., поэтому при коэффициенте пропорциональности равном 1000, дискретность системы отсчета составляет 0,01 мм. Такая дискретность не всегда удовлетворяет требованиям точности обработки, поэтому принимаются меры для уменьшения дискретности. Например, за счет увеличения коэффициента пропорциональности путем увеличения частоты генератора тактовой частоты. Так при частоте ГТИ равной 5 мггц, получим К=2000, а дискретность D =0,005 мм. Однако увеличение частоты усложняет схему компараторов, поэтому увеличивать частоту можно до определенного предела.

Применение преобразователей, даже таких высокоточных, как ШВП приводит к дополнительным погрешностям ( погрешности шага, люфты и т.п.), поэтому для повышения точности отсчета необходимо отказаться от преобразователей. Такую возможность предоставляют датчики типа индуктосин, в которых главным движением является поступательное. Конструктивно датчик «индуктосин» представляет собой линейку с нанесенной на нее печатным способом обмотку в виде зигзагообразного печатного проводника. По линейке с небольшим (0,2 – 0,4 мм) зазором перемещается движок, на котором также печатным способом нанесены две обмотки, с тем же шагом, с такими же размерами, но одна из них смещена по отношению к другой на величину, равную: а = nt + 0,25t.. Принципиальная схема датчика показана на рис.

На обмотки движка подаются два гармонических сигнала, аналогично статорным обмоткам ВТ, одинаковой частоты, одинаковой амплитуды, но сдвинутым по фазе на 90 градусов. Эти два сигнала создают в движке квазикруговое поле, которое наводит в линейке также гармонический сигнал, но сдвинутый по фазе на величину, пропорциональную смещению движка по отношению к линейке в пределах одного шага рисунка обмоток. Дискретность отсчета измерительной системы в этом случае равна:

D = t / K, где: t – шаг рисунка обмоток, обычно равен 2мм. и при К=2000 получим дискретность равную 001мм., что является уже приемлемой велиной для станков средней точности и габаритов.

Для построения измерительных систем вращательных координат существует разновидность индуктосинов, называемых редусинами. Принцип работы их аналогичен рассмотренному принципу работы индуктосина.

Рис. Принципиальная схема индуктосина.

3.3.2. Растровые фотоэлектрические датчики.

Растровые фотоэлектрические датчики выпускаются двух типов: вращательные (роторные) и линейные (оптические линейки). Схема растрового датчика показана на рис.

Датчик содержит два кинематически связанных узла: радиальную растровую шкалу 1, именуемую в дальнейшем лимб, жестко связанную с выходным валом датчика, и растровый анализатор 2, связанный с неподвижным корпусом датчика. Радиальная растровая шкала содержит две концентрические информационные дорожки: регулярного растра и растра референтных меток Б.

Растровый анализатор содержит окна накапливающего считывания (А, /А, В, /В) и участок референтных меток Д. Окна позиционно согласованы с дорожками регулярного растра. Схема расположения окон растрового анализатора показана на рис.

Окно накапливающего считывания имеет в своем составе растры (А, /А и В,/В), при этом все перечисленные растры имеют шаг равный шагу лимба, в то же время растр А смещен по отношению к растру /А на величину равную a = (n*t + ½ t), на такую же величину и растр В смещен по отношению к растру /В, а взаимное смещение растров А и В составляет величину: b = (m * t + ¼ t)

При повороте входного вала, и соответственно лимба, растровые сопряжения лимба и анализатора модулируют проходящие через них световые потоки, воспринимаемые соответствующими секциями квадрантного фотодиода. Приведенные выше сочетания пространственных фаз растров, формируют аналогичные фазовые соотношения электрических сигналов, снимаемых с квадрантных фотодиодов. Данное обстоятельство позволяет сформировать два ортогональных координатно-периодических сигнала |A и |B, исключив из них постоянную составляющую. На рис. показаны диаграммы полученных сигналов. Взаимное расположение сигналов |A и |B определяет направление движения датчика, а число колебаний, соответствующее числу меток лимба, определяет величину перемещения рабочего органа. Специальная обработка сигналов |A и |B позволяет контролировать величину перемещения с дискретностью много меньшей, чем шаг растра.

Для определения начала отсчета используется участок анализатора, связанный с растром референтной метки, формирующий синусоидальный сигнал с ярко выраженным максимумом в течение одного оборота лимба.