1081

10.2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОЛОЖЕНИЯ

Фотоэлектрические преобразователи положения получили в последнее время широкое распространение в станках с ЧПУ, в робототехнике и других промышленных позиционных и следящих системах. Это связано, во-первых, с удобством сопряжения фотоэлектрических датчиков с микроЭВМ, широко применяемых в настоящее время. Во-вторых, технический прогресс в области оптоэлектроники и лазерной техники позволяет создавать в настоящее время фотоэлектрические датчики с требуемой точностью, недостижимой в других датчиках положения.

Конструкция и принцип работы кругового фотоэлектрического датчика ВЕ-178 показаны на рис. 10.27. Он состоит из трех частей: механической, оптической и электронной.

Рис. 10.27. Основные конструктивные элементы фотоэлектрического преобразователя

Механическая часть служит для точного вращения входного вала преобразователя относительно корпуса. Базовая поверхность для установки и присоединения фотоэлектрического преобразователя к станку обеспечивает соосное расположение его оптической и электронной частей. Преобразователь защищен от пыли, влаги и механического воздействия. Оптическая часть содержит светодиод 1, линзу 2,

381

растровую индикаторную пластину 3 и растровый диск 4. Световой поток светодиода 1 проходит через линзу 2, растровую индикаторную пластину 3 и растровый диск 4. При вращении растрового диска 4 меняется интенсивность света, пропускаемого через растровое сопряжение, образуемое диском 4 и пластиной 3. В результате меняется фототок через основные фотодиоды 5 и фотодиоды 6, служащие для выработки компенсационных сигналов.

На индикаторной пластине растры расположены в два сектора и сдвинуты один относительно другоro на 1/4 шага растров. Два фотодиода, установленные под каждым из этих секторов и сопрягаемыми с ними растрами диска, выдают первичные сигналы sin τ0 и сos τ0, где τ0 – относительное смещение подвижного и неподвижного растров. Фотодиод, расположенный в центральной части растрового диска, выдает третий сигнал начала отсчета (нулевой сигнал).

Первичные сигналы всех трех каналов поступают вначале на усилители напряжения, а затем на формирователи, преобразующие синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы, амплитуда и форма которых не зависят от изменения амплитуды синусоиды. После формирователей сигналы передаются на усилители мощности

иинверторы. В результате на выходе образуются шесть сигналов (три основных и три инверсных). С помощью этих шести сигналов определяются начальная точка отсчета перемещения, пройденный угол и направление вращения датчика.

Наличие двух каналов датчика (sin τ0 и сos τ0) обусловлено необходимостью определения направления вращения, и вместе с тем это дает возможность при числе сигналов z за один оборот вала датчика формировать z, 2z и 4z импульсов в измерительной системе. Кроме того, за счет интерполяции сигналов датчика в каждом из каналов можно по-

лучить количество сигналов vиz, где vи – кратность интерполяции. Так, в датчиках ROD (ФРГ) при количестве рисок 36 000 число измерительных импульсов равно 3 600 000 (тип датчика ROD-800, v = 100).

Поскольку учетверение (удвоение) числа импульсов и определение направления вращения характерны для любого типа импульсного датчика, то далее приводятся функциональные схемы

ивременные диаграммы устройств умножителей импульсов и

382

дискриминаторов направления вращения, реализующих эти функции. На рис. 10.28, а представлена схема умножителя, осуществляющая учетверение импульсов, получаемых от датчика, а на рис. 10.28, б – временные диаграммы.

Рис. 10.28. Учетверение сигналов датчика: а – схема, б – временная диаграмма сигналов

Формирователи ФП1 и ФП2 преобразуют входные сигналы sin τ0 и сos τ0 в импульсы прямоугольной формы, которые после прохождения через инверторы И1 и И2 поступают на формирователи ФИ1-ФИ4, на выходе каждого из которых формируются импульсы на передних фронтах. На выходе сумматора С образуется последовательность импульсов, частота которой в 4 раза превышает исходную.

На рис. 10.29, а представлена функциональная схема дискриминатора направления вращения.

383

Технические характеристики ПДФ-9: датчик поворотный дискретный фотоэлектрический для формирования и выдачи в дискретной форме сигналов управления преобразователями частоты в регулируемом электроприводе с двигателями постоянного и переменного тока, а также сигналов обратной связи для построения на базе такого электропривода следящей системы по скорости и положению.

Всего выходных сигналов – 11, из них: 6 сигналов – датчик положения для следящих приводов, 3 сигнала – датчик положения ротора для вентильного электропривода, 2 сигнала – аналоговый бесконтактный тахогенератор. Длительность фронтов – не более 1 мкс. Наработка на отказ – не менее 10 000 ч.

Разновидностью фотоэлектрических преобразователей являются так называемые оптические линейки. К ним относится преобразователь отечественного производства типа ВЕ-162. Он состоит из трех частей: растровой линейки в корпусе с пыле- и брызгозащищенными крышками, преобразующей головки с индикаторным растром и свето- и фотодиодами предварительного усилителя сигналов.

Растровая линейка представляет собой стеклянную полоску с нанесенными на ней штрихами с шагом 20 или 40 мкм.

385

Т а б л и ц а 1 0 . 1 2

Технические характеристики фотоэлектрических датчиков положения

Преобразующая головка состоит из индикаторной решетки, четырех светодиодов, четырех осветительных линз, четырех зеркал, четырех фотодиодов, четырех собирающих линз и ряда механических деталей.

Предварительный усилитель сигналов усиливает сигналы, поступившие от приемников излучения, и осуществляет их инверсию.

Действие измерительного преобразователя линейных перемещений основано на модуляции светового потока по амплитуде при

386

прохождении его через сопряжение двух перемещающихся друг относительно друга растров.

Оптическая схема приведена на рис. 10.30.

Рис. 10.30. Линейный растровый преобразователь перемещения

Световые потоки от светодиодов 1 направляются к фотодиодам 8 через растровое сопряжение, состоящее из растровой линейки 4 и индикаторного растра 6, с помощью осветительных линз 2, зеркал 3 и 6 и собирающих линз 7. Индикаторная решетка представляет собой стеклянную пластину с нанесенными на ней четырьмя группами штрихов с шагом деления 20 или 40 мкм. Штрихи каждой группы смещены друг относительно друга на четверть периода растра. При перемещении преобразующей головки вдоль растровой линейки световой поток модулируется растровым сопряжением и, попадая на фотодиоды 8, преобразуется в электрические сигналы, изменяющиеся по закону, близкому к синусоиде. Поскольку штрихи четырех групп индикаторной решетки смещены друг относительно друга на четверть периода растра, то фазовый сдвиг между четырьмя формирующими синусоидами составляет угол 90 эл. град. Над каждой из групп штрихов установлена пара фотодиодов, сдвинутых на 1/2 шага. Они вклю-

387

чены встречно, поэтому постоянные составляющие сигналов компенсируются, а амплитуда удваивается. Четыре синусоидальных сигнала, получаемых на выходе измерительного преобразователя линейных перемещений, дают информацию как о перемещении, так и направлении движения узла станка.

Измерительный преобразователь линейных перемещений ВЕ-162 имеет несколько модификаций в зависимости от диапазона перемещений, составляющего 250÷800 мм. Габаритные размеры унифицированы по ширине и толщине 82х28 мм и изменяются лишь по длине

(410÷960 мм).

Техническая характеристика измерительного преобразователя линейных перемещений ВЕ-162

10.3. КОДОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ

Недостаток круговых импульсных датчиков положения – относительная система координат. Если происходит кратковременное прекращение питания датчика, то уже не удастся определить, в каком положении внутри оборота находится механизм. Приходится производить «нулирование» – возвратное перемещение механизма по всем координатам в начальное положение в точку, от которой производится отсчет координат, а затем уже возвращаться к точке, где произошло прерывание программы. Таким образом, отсчет координат происходит только от исходной точки механизма.

Кодовые датчики положения позволяют сразу после включения питания дать информацию о положении внутри оборота. Все кодовые датчики работают в коде Грея.

388

Код Грея – двоичный код датчика положения, в котором между двумя соседними значениями кода имеется разница только в одном разряде.

Для четырехразрядного числа обычный код и код Грея имеют следующий вид:

Код Грея построен на основе диаграммы Карнауга (рис. 10.31). На этом же рисунке изображены 4-разрядные датчики положения, которые работают по обычному коду и коду Грея. Можно увидеть, что в датчике 1-го типа в одном из положений происходит изменение сразу по четырем разрядам (0000–1111). Это не позволяет получить простые достоверные датчики положения.

Рис. 10.31. Диаграмма Карнауга и кодовый датчик положения, работающий: а) в двоичном коде; б) в коде Грея

389

Кодовые датчики положения имеют от 12 до 16 разрядов, что позволяет получить высокую точность.

Перевод кода Грея в обычный двоичный код осуществляется по следующим правилам: первая единица со стороны старших разрядов остаѐтся без изменения, последующие цифры остаются без изменения, если число единиц им предшествовавших старших разрядов чѐтно, и инвертируется, если число единиц нечѐтно.

Кодовые датчики используется в позиционных системах станков и роботов, особенно в ранних версиях. Такой датчик использовался на колесах первого советского лунохода.

Для вентильных двигателей обязателен к применению датчик положения ротора, чтобы в зависимости от положения ротора менять с помощью бесконтактного коммутатора направление тока в секциях обмотки статора. Такой датчик проще всего реализуется фотоэлектрическим способом. Обычно при трехфазной обмотке число полюсов вентильного двигателя 2р = 6 или 2р = 8 (рис. 10.32).

Рис. 10.32. Принцип формирования сигналов управления вентильным двигателем: а – вид диска и чувствительных элементов датчика положения ротора; б – диаграмма сигналов управления

390