Варианты конструкции однокорпусных оэпуп

На рисунке 14 приведено конструктивное решение одного из самых распространённых типов преобразователя угловых перемещений модели ЛИР-158 производства ОАО «СКБ ИС», Санкт-Петербург, Россия.

На корпусе 8 преобразователя установлены индикаторный лимб 2 с конденсором 7, ПИД 3 и фотодиод 5 измерительного канала, ПИД 4 и фотодиод 6 канала формирования сигнала референтной метри (РМ), электронная плата 9 с реализованным на ней НП. Ось вращения измерительного лимба 1, закрепленного на выходном валу 10, организована подшипниками 11.

При повышенных требованиях к точности преобразователя в конструкции предусмотрена возможность реализации двустороннего считывания информации с растрового сопряжения на диаметрально противоположных участках измерительного растра. В этом случае используется индикаторный лимб с двумя разнесенными на 180° растровыми анализаторами и формируется дополнительный измерительный канал со своими ПИД, конденсором и фотодиодом. Суммирование соответствующих сигналов, вырабатываемых в измерительных каналах, позволяет значительно уменьшить влияние радиального биения измерительного растра на погрешность измерения угловых перемещений.

Представленная на рисунке конструкция относилась к ОЭПУП инкрементного типа. Конструктивное решение для аналогичного ОЭПУП абсолютного типа ЛИР-ДА158 производства ОАО «СКБ ИС» приведено на рисунке 15.

Напомню, что принцип действия абсолютного ОЭПУП основан на явлениях, возникающих при освещении или затемнении фотоэлементов, которые преобразуют энергию падающих на них потоков оптического излучения в электрические сигналы. Входной величиной датчика является угловое положение вала, на выходе - усиленные сформированные напряжения высоких и низких уровней, соответствующих единицам и нулям цифрового кода.

Абсолютный ОЭПУП включает в себя подвижную систему, систему считывания информации, электронную схему, а также корпус и другие монтажные детали.

Подвижная система объединяет вал 1, измерительный лимб 2 с нанесенной кодовой маской - концентрическими кодовыми дорожками с прозрачными и непрозрачными сегментами (см. рисунок 16), отображающими циклический код – двоичный или код Грея, подшипники качения 3.

Систему считывания информации составляют ПИД 4, индикаторный лимб 5 с нанесенной щелевой анализирующей диафрагмой (см. рисунок 17), матрица фототранзисторов 6 (см. рисунок 15). Фототранзисторы размещены на плате 7 электронной схемы.

Подвижная система и ПИД установлены в корпусе 8, к которому крепятся индикаторный лимб в оправе, платы электронной схемы и фланец 9.

В момент съема информации об угловом положении вала 1 поток излучения ПИД 4, проходя сквозь прозрачные сегменты кодовых дорожек измерительного лимба 2, освещает соответствующие фототранзисторы матрицы 6, усиленные и дискретизированные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фототранзисторов, перекрытых непрозрачными сегментами, соответствует двоичным нулям. Таким образом, каждому углу присуща своя комбинация электрических сигналов, являющаяся цифровым выражением данного угла.

Нанесенный на измерительный лимб циклический код (см. рисунок 16) позволяет снимать информацию об угле положения вала в 12 разрядах. Для получения информации ещё в четырех разрядах организовано растровое сопряжение внешней кодовой дорожки младшего разряда измерительного лимба и нанесенных с тем же шагом растров в двух группах окон индикаторного лимба (см. рисунок 17). Каждая группа состоит из 4 окон, растры в которых пространственно сдвинуты на 1/4 шага (см. рисунок 18), и совместно с пространственно согласованными с ними фотоприемными площадками (секциями) двух квадрантных фотодиодов и двумя ПИД (на рисунке 15 не показаны) образуют два канала считывания информации. Наличие двух диаметрально расположенных каналов считывания обусловлено требованием повышения точности.

Принцип работы такого канала основан на регистрации относительной величины прошедшего через растровое сопряжение потока оптического излучения как координатно-периодической функции взаимного углового положения измерительного и индикаторного лимбов. При повороте вала 1 (см. рисунок 15) и жестко связанного с ним измерительного лимба 2 сопряжения кодовой дорожки младшего разряда с неподвижными растрами А, В и , (см. рисунок 18) индикаторного диска 5 (см. рисунок 15) модулируют проходящие через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими секциями квадрантного фотодиода. Упомянутое выше сочетание пространственных фаз растров А, В и , обуславливает аналогичные фазовые соотношения снимаемых с секций фотодиода электрических сигналов, что позволяет сформировать два ортогональных координатно-периодических токовых сигнала I_a и I_в. Эти сигналы поступают на преобразователь, выполненный по схеме резистивного фазовращателя, который по соотношению амплитуд вырабатывает код положения вала внутри шага кодовой дорожки младшего разряда.

Построенные таким образом каналы считывания представляют собой систему точного отсчета, а система считывания 12 разрядов по кодовым дорожкам измерительного лимба - систему грубого отсчета. Согласование двух систем отсчета осуществляется логическим устройством, выполненным на базе ПЛИС ALTERA 3064АТС44-10. На выходе устройства формируется 16-ти разрядный код положения вала с точностью ±0,5^.q, где q - младший разряд кода.

Другие варианты конструктивного исполнения ОЭПУП для преобразователей модели ЛИР-1170 (с цельным валом) и ЛИР-3170 (с полым валом и встроенной муфтой) приведены на рисунках 19 и 20, соответственно.

Конструктивное решение ОЭПУП модели ЛИР-1170 представлено на рисунке 19. На неподвижных элементах преобразователя установлены индикаторный лимб 1, осветители 2, включающие ПИД и конденсоры, и фотодиоды 3 измерительных каналов, осветитель 4, включающий ПИД и конденсор, и фотодиод 5 канала формирования РМ, электронная плата 6 с реализованным на ней НП. Ось вращения измерительного лимба 7, закрепленного на выходном валу 8, организована подшипниками 9. Герметичность конструкции обеспечивают защитный кожух 10 и манжета 11.

Конструктивное решение ОЭПУП модели ЛИР-3170 представлено на рисунке 20.

На неподвижных элементах преобразователя установлены индикаторный лимб 1, осветители 2, включающие ПИД и конденсоры, и фотодиоды 3 измерительных каналов, осветитель 4, включающий ПИД и конденсор, и фотодиод 5 канала формирования PM, электронная плата 6 с реализованным на ней НП. Ось вращения измерительного лимба 7, закрепленного на полом выходном валу 8, организована подшипниками 9. На выходном валу закреплен хомут 10, которым с помощью винта 11 обжимается разрезная часть выходного вала для крепления преобразователя на оси потребителя. Герметичность конструкции обеспечивают фланец 12 с сальником 13 и кожух 14 с сальником 15.

Данная модель преобразователя имеет встроенную муфту 16, которая осуществляет упругую связь между фланцем 12, стыкующимся с объектом потребителя, и корпусом 17, кинематически связанным через подшипники 9 с выходным валом 8.

Таким образом, за счёт встроенной муфты обеспечивается работа преобразователя при аксиальном смещении выходного вала до 0,05 мм.

Схема крепления ОЭПУП с цельным валом и внешней муфтой на поворотном столе станка представлена на рисунке 21.

Схема крепления ОЭПУП с полым валом и встроенной муфтой на поворотном столе станка представлена на рисунке 22.

Варианты конструкций открытых (двухкорпусных) ОЭПУП

Открытые ОЭПУП, аналогично открытым ОЭПЛП, состоят из двух перемещающихся друг относительно друга узлов: углового диска со шкалой и считывающей головки. Перемещающееся или неподвижное состояние этих узлов во время эксплуатации ОЭПУП определяется конструкцией объекта, на который устанавливается ОЭПУП.

Варианты конструкций открытых ОЭПУП представлены на рисунке 23.

Выходные сигналы ОЭПП

Основными выходными сигналами для ОЭПП инкрементного типа являются синусоидальные сигналы по напряжению и току, а также прямоугольные импульсные сигналы различной амплитуды. На выходе же ОЭПП абсолютного типа присутствует цифровой сигнал различных интерфейсов RS-232, RS-422, RS-484, SSI/BiSS, CAN, EnDat и т.д.

ОЭПП с выходными синусоидальными сигналами по напряжению с интерфейсом выдают потенциальные синусоидальные сигналы, которые могут быть интерполированы с высокой степенью.

Синусоидальные инкрементальные сигналы А и В имеют сдвиг фаз друг относительно друга 90° и амплитуду 1 В.

Представленная на рисунке 24 последовательность выходных сигналов (сигнал В запаздывает по отношению к сигналу А) позволяет определять направление движения.

Полезная составляющая G сигнала референтной метки R составляет около 0,5 В. Вблизи референтной метки выходной сигнал может упасть относительно номинального значения Н до 1,7 В. Это не должно приводить измерительную электронику к перегрузке, т.к. и при пониженном уровне сигнала вершина его полезной составляющей может достигнуть амплитуды G.

Амплитуда сигнала 1 В действительна только при напряжении питания преобразователя, заданном в технических характеристиках. Ее величина определяется падением напряжения на концах сопротивления в 120 Ом, включенного между соответствующими выходами. Амплитуда сигнала уменьшается с увеличением частоты. Частота среза - это такая частота, при которой воспринимается определенная часть первоначальной величины сигнала:

• –3 dB при 70 % величины сигнала;

• –6 dB при 50 % величины сигнала.

Характеристики, приведенные в описании сигнала, действительны при колебаниях частоты среза –3 dB - до 20%.

Обычно для получения наилучшего разрешения выходные сигналы интерфейса 1 V_SS интерполируются в измерительной электронике. Для управления скоростью используется степень интерполяции более 1000, это позволяет получать корректную информацию о скорости и при пониженных оборотах.

Для определения положения в технических характеристиках указывается рекомендуемый шаг измерения. Для особых случаев возможны также другие разрешения.

Некоторые параметры синусоидальных сигналов, показанных на рисунке 24, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Инкрементный сигнал	2 сигнала А и В, близкие по форме к синусоидальному Амплитуда сигнала М: от 0,6 до 1,2 VSS; Погрешность симметрии |P – N| / 2M: не более 0,065; Отношение сигналов МА / МВ: от 0,8 до 1,25; Угол сдвига фаз |1 + 2| / 2: 90  10.
Сигнал РМ	1 или более вершин сигнала R Полезная составляющая G: не менее 0,2 В; Номинальное значение Н: не менее 1,7 В; Отношение сигнал/шум E, F: 0,04 до 0,68 В; Переход через нуль K, L: 180  90.

Инкрементные ОЭПП с TTL-интерфейсом (выходными прямоугольными импульсами) содержат электронику, которая оцифровывает синусоидальный сигнал с интерполяцией или без нее.

Инкрементные сигналы (см. рисунок 25) представляют собой прямоугольные последовательности U_a1 и U_a2 со сдвигом фаз 90°. Сигнал референтной метки состоит из одного или более импульсов U_a0, которые согласованы с инкрементальными сигналами. Встроенная электроника дополнительно генерирует инверсные сигналы , и для повышения помехозащищенности. Представленная последовательность выходных сигналов (–U_a2 запаздывает относительно U_a1), что позволяет определять направление движения.

Сигнал помехи говорит о неисправностях, таких как обрыв питающего кабеля, выход из строя источника света и т.д.

В условиях автоматизированного производства эта функция может быть использована, например, для реализации функции аварийного отключения станка.

Шаг измерения получается равным расстоянию между фронтами двух инкрементных сигналов U_a1 и U_a2 путем одно-, двух- или четырёхкратной интерполяции.

Измерительная электроника должна быть настроена таким образом, чтобы она могла фиксировать каждый фронт прямоугольного сигнала. Заданный в технических характеристиках минимальный распознаваемый сигнал а действителен при заданном входном подключении, кабеле длиной 1 м и определяется разницей измеренных значений на выходе дифференциального приемника шины. Зависимый от длины кабеля сдвиг фаз уменьшает распознаваемый сигнал на 0,2 нс на метр кабеля.

Чтобы избежать ошибок счета, последующая электроника должна быть настроена так, чтобы она обрабатывала до 90 % распознаваемого сигнала. Максимально допустимое число оборотов, т.е. скорость вращения, нельзя превышать даже кратковременно.

Предельная длина кабеля для передачи прямоугольного сигнала TTL к измерительной электронике зависит от распознаваемого сигнала а. Она составляет максимум 100 и 50 м для сигнала помехи. При этом должна быть гарантирована подача питающего напряжения к преобразователю. Напряжение на ОЭПП можно контролировать посредством соединяющего кабеля и при необходимости отрегулировать с помощью устройства управления (дистанционное измерение напряжения питания).

Некоторые параметры синусоидальных сигналов, показанных на рисунке 25, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Инкрементный сигнал	2 прямоугольных сигнала TTL Ua1 и Ua2 и их инверсные сигналы ,
Сигнал РМ Ширина импульса Время задержки	1 или более прямоугольных импульсов TTL Ua0 и их инверсные сигналы 90 |td|  50 нс
Сигнал помехи Ширина импульса	1 или более прямоугольный сигнал TTL Ошибка: НИЗКИЙ Датчик исправлен: ВЫСОКИЙ tS  20 мс
Амплитуда сигнала	Дифференциальный магистральный усилитель EIA-стандарт RS-422 UH  2,5 B при –IH = 20 мА UL  0,5 B при IL = 20 мА
Допустимая нагрузка	Z0  100 Ом между соответствующими выходами |IL|  25 мА максимальная нагрузка на выход при 0В. Снагр.  1000 пФ. Выходы защищены от короткого замыкания на 0В.
Время срабатывания (10% до 90%)	t+ / t-  30 нс (типовое – 10 нс) с кабелем 1 м и заданной входной схемой.