Конспект лекций по КММ

Рис. 13.3

Рис. 13.4

Следует отметить, что в многооборотных потенциометрических датчиках типа СПМЛ-И с большим числом витков предусмотрено несколько промежуточных выводов.

Цифровые датчики положения в настоящее время начинают более широко использовать в различных областях техники, в частности в мехатронике.

Их делят на кодовые и импульсные. Кодовые датчики обеспечивают абсолютную систему отсчета, т.е. однозначно определяют положение выходного вала мехатронного модуля во всем рабочем диапазоне перемещений, а импульсные датчики являются датчиками относительного отсчета.

Рассмотрим назначение, устройство, принцип действия и технические характеристики некоторых цифровых датчиков положения.

Фотоэлектрические датчики. Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на использовании физического эффекта периодического изменения освещенности в зависимости от перемещения (угла поворота). Эти датчики являются бесконтактными и дискретными.

Т а б л и ц а 13.1

Технические характеристики потенциометров

В цифровых фотоэлектрических кодовых датчиках измеряемое непрерывное значение угла поворота вала преобразуется в цифровой двоичный (реже десятичный) код, т.е. кодовую комбинацию электрических сигналов. В таком виде они могут непосредственно поступать в ЭВМ без дополнительных преобразований.

Наибольшее распространение получили кодовые датчики, выполненные в виде кодирующего диска с фотоэлектрической (оптической) системой считывания. Диск устанавливают на валу датчика, который представляет собой стеклянное основание с кодовой маской, состоящей из кодовых дорожек, число которых равно требуемому числу разрядов выходного сигнала. На дорожке чередуются прозрачные и непрозрачные для света участки, первые имитируют 1, вторые

– 0 двоичного кода. Следует отметить, что для устранения неоднозначности при считывании кодовую маску наносят в соответствии с кодом Грея (циклическим кодом), но могут быть использованы и другие коды.

Кодовые датчики, также как и потенциометрические, по величине рабочего диапазона делят на одно- и многооборотные. Они являются датчиками абсолютного отсчета.

Основное достоинство кодовых датчиков – их высокая разрешающая способность. К недостаткам следует отнести конструктивную сложность и громоздкость.

При проектировании мехатронного модуля выбор кодового датчика целесообразен в том случае, если требуется высокая точность перемещения выходного звена, система управления имеет цифровой вход и при этом нет существенных ограничений на массогабаритные показатели.

Внешний вид кодового датчика типа ФЭП-15 показан на рис. 13.5, а технические характеристики приведены в таблице 13.2

Рис. 13.5

Т а б л и ц а 13.2

Технические характеристики кодового датчика типа ФЭП-15

В цифровых фотоэлектрических импульсных (фотоимпульсных) датчиках измеряемая непрерывная величина угла поворота вала преобразуется в определенное число электрических импульсов, которые в специальных схемах счета импульсов преобразуются в цифровой код.

Импульсный датчик имеет два канала и вырабатывает сигналы прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 90о, что позволяет определить направление движения звена. Он не имеет ограничений по диапазону углов поворота и измеряет только приращения перемещений

(относительное измерение). Для устранения ошибок, вызванных помехами, и организации абсолютного отсчета вводится синхронизирующий импульс (ноль - импульс), который подается в третий канал при каждом проходе через отсчетное положение датчика. Для определения начала отсчета необходимо применение специальных схемных решений и дополнительных калибровочных датчиков, например потенциометров, точных механических упоров с концевыми выключателями, рисок и т.п. Основным показателем импульсных датчиков является разрешающая способность. Импульсные датчики по сравнению с кодовыми имеют более простую конструкцию, но требуют специальных схем счета импульсов и калибровки.

При выборе импульсного датчика необходимо учитывать предельную скорость вращения его вала и требуемую точность позиционирования выходного звена мехатронного модуля.

Соединение валов импульсного датчика и мехатронного модуля производят с помощью специальных соединительных муфт или безлюфтового кинематического преобразователя движения.

Внешний вид импульсных датчиков типов ПУФ-МИНИ, ФЭП и ВЕ-178 показан на рис. 13.6 и рис. 13.7 соответственно, а технические характеристики приведены в табл. 13.3.

Рис. 13.6

Рис. 13.7

Т а б л и ц а 13.3

Технические характеристики фотоимпульсных датчиков

К фотоимпульсным датчикам перемещений относят преобразователи линейных и угловых перемещений ЛИР, выпускаемые Санкт-Петербургским специальным конструкторским бюро станочных информационно-измерительных систем (СКБ ИС). Они предназначены для различных моделей металлорежущих станков и обрабатывающих центров, поворотных систем, приборов, робототехнических комплексов, технологических установок, мехатронных систем и т.п.

Принцип действия преобразователей перемещений ЛИР основан на фотоэлектронном сканировании штриховых растров. В качестве осветителей используют инфракрасные светодиоды, а приемниками излучения служат кремниевые фотодиоды.

Поток излучения светодиода 1 (рис. 13.8 и 13.9) модулируется растровым сопряжением, создаваемым перемещающимися относительно друг друга растровой шкалой 2 и индикаторной пластиной 3 с растровым анализатором, и регистрируется фотодиодом 4.

Для обеспечении информации о перемещении растровый анализатор имеет поле считывания «А», « A », «В», « B » с шагом растра, соответствующим шагу растра шкалы 2. Эти четыре поля считывания образуют две пары полей «А» - « A » и «В» - « B », в каждом из которых растры имеют пространственный сдвиг относительно друг друга в 1/2 шага растра, что позволяет скомпенсировать постоянную составляющую основного сигнала. Поля одной пары «А» - « A » имеют пространственный сдвиг растров относительно полей другой пары «В» - « B » в 1/4 шага растра.

Впреобразователях линейных перемещений (ПЛП) (рис. 13.8) каждое поле считывания растрового анализатора индикаторной пластины 3 имеет собственные источник и приемник излучения, то есть в канале считывания задействованы по четыре светодиода 1 и фотодиода 4.

Впреобразователях угловых перемещений (ПУП) (рис. 13.9) все четыре поля считывания охвачены единым параллельным световым пучком, излучаемым светодиодом 1 и сформированным конденсором 9, а фотодиод 4 имеет четыре светочувствительные площадки, включенные определенным образом.

Независимо от формы построения канала считывания, преобразователь перемещений позволяет получить два ортогонально сдвину-

тых токовых сигнала А и В, позволяющие определить перемещение в пределах шага растра, что дает возможность повысить разрешающую способность преобразователя и определить направление перемещения.

Оптическая схема преобразователя перемещений также содержит канал формирования референтной метки.

Впреобразователях линейных перемещений растровая шкала 2 в зоне Е содержит поля референтных меток. Поле референтной метки представляет собой непериодическую (кодовую) шкалу, закон формирования которой обеспечивает получение автокорреляционной функции кода с явно выраженным максимумом. На индикаторной пластине 3 имеется поле считывания Д с кодом, инверсным по отношению к коду референтной метки шкалы, и поле диафрагмы Г, участвующей вместе со светодиодом 5 и фотодиодом 6 в выработке опорного сигнала для формируемого каналом сигнала референтной метки. При относительном перемещении растровой шкалы 2 и индикаторной пластины 3 в зоне совмещения поля референтной метки и поля считывания Д происходит модуляция светового потока, излучаемого светодиодом 1, и на выходе фотодиода 8 формируется токовый сигнал автокорреляционной функции кода референтной метки.

Впреобразователях угловых перемещений сигнал референтной метки вырабатывается в общем случае один раз за оборот вала.

Вканале формирования референтной метки для выработки опорного сигнала и сигнала референтной метки задействованы общий светодиод 10 (рис. 13.9) и фотодиод 11, идентичный фотодиоду 4, но с другой схемой включения светочувствительных площадок. Опорный сигнал вырабатывается с помощью поля диафрагмы Г индикаторного лимба 3, а специальный код поля референтной метки Е измерительного лимба 2 и инверсный код поля считывания Д, в случае их совмещения при относительном перемещении лимбов, модулирует световой поток, что приводит к формированию на выходе фотодиода токового сигнала автокорреляционной функции кода референтной метки.

Максимальный диапазон преобразования линейных перемещений – 3220 мм, угловых – неограничен.

Преобразователи линейных перемещений выпускают 4 и 3 классов точности, а преобразователи угловых перемещений, в зависимости от моделей, – 8…3 классов точности.

Каждому i – му классу точности соответствует предельная по-

грешность перемещения i – наибольшее отклонение от действительного значения между двумя любыми точками во всем диапазоне пе-

ремещения. Для преобразователей линейных перемещений i – го класса соответствует предельная погрешность, мкм: 4= 5,0 + 8,0L; 3 = 2,0 + 4,5L; 2 = 1,0 + 2,5L; для преобразователей угловых перемещений i – го класса соответствует предельная погрешность, (…''):

8 = 300''; 7 = 150''; 6 = 60''; 5 = 30''; 4 = 7,5''; 3 = 2,5''.

Преобразователи линейных перемещений имеют степень защиты 1Р64, 1Р53, 1Р50, преобразователи угловых перемещений – 1Р65, 1Р64, 1Р50 по ГОСТ 14254-80. Первая цифра шифра характеризует степень защиты от воздействия твердых тел, вторая цифра – степень защиты от воздействия воды.

Типы выходных сигналов преобразователей перемещений: синусный токовый сигнал типа СТ, синусный сигнал напряжения типа СН, прямоугольный импульсный сигнал типа ПИ.

На рис. 13.10, рис. 13.11, рис. 13.12 и рис. 13.13 приведены геометрические параметры, а в табл. 13.4 технические характеристики преобразователей линейных перемещений ЛИР-7, ЛИР-9, ЛИР-14, ЛИР-15 и ЛИР-17 соответственно.

ЛИР – 7

Рис. 13.10

ЛИР – 9

Рис. 13.11

ЛИР – 14

Рис. 13.12

ЛИР – 15 и ЛИР – 17

Рис. 13.13

На рис. 13.14, рис. 13.15, рис. 13.16, рис. 13.17, рис. 13.18, рис. 13.19, рис. 13.20, рис. 13.21, рис. 13.22, рис. 13.23, рис. 13.24 и рис.

13.25 приведены геометрические параметры, а в табл. 13.5 и табл. 13.6 технические характеристики преобразователей угловых перемещений ЛИР-119А, ЛИР-128А-3, ЛИР-137А, ЛИР-158А-1, ЛИР-180А-

1, ЛИР-190А, ЛИР-1170А, ЛИР-219А, ЛИР-237А-3, ЛИР-337А-3,

ЛИР-350А и ЛИР-390А соответственно.

ЛИР – 119А

Рис. 13.14