Фазоимпульсный преобразователь угловых перемещений

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциапистичесииаРеспублии(23) Приоритет -ударствкнвй кемнтет СССР делам нзобретеннй н открытийипьнюсский филиал Экспериментаньного науч 1 сспедоватепьского института металдорежущи(71) Заявител Изобретение относится к станкостроительной и иэмеритепьной технике и может быть применено дпя высокоточных измерений угловых перемещений вала, а также для управления его позиционированием.Наибопее бпизким по технической сущности и достигаемому эффекту к предпагаемому является фаэоимпупьсный преобразоватепь угловых перемещений, содержащий корпус, основное растровое сопряжение, состоящее иэ связывающего с поворотным валом измерительного растра и связанного посредством пружин с корпусом преобразоватепя индикаторного растра, электромагниты, осуществляющие сканирование индикаторного растра, круговой осветитель, установленный со стороны измерительного растра, противопопожной распопожению индикаторного резистора оптическую систему, установпенную со стороны основного растрового сопряжения, противопопожной расположению кругового осветителя, фотоприемник, установленный на выходе оптической системы иблок регистрации, соединенный входом свыходом фотоприемника 11.Недостатком изВестного преобля является невысокая точность 5зоваъия угловых перемещений.Цепь изобретения - увеличение точности преобразования угловых перемещений,Указанная цепь достигается тем, чтопреобразователь угловых перемещенийснабжен двумя допопнитепьными растровыми сопряжениями, расположенными вппоскости основного растрового сопряжения по его диаметрально противопопожным 15 . сторонам и выполненными с шагом, отпичным от шага основного растровогосопряжения, подвижные растры которыхжестко соединены со сканирующим индикаторным растром, а неподвижные растры ,20 жестко соединены с корпусом преобраэователа двумя фотоприемниками, установленными напротив дополнительных растровыхсопряжений и соединенными выходами с3 95482На фиг. 1 изображен преобразователь;на фиг, 2 - сечение А-А на фиг. 1; нафиг. 3 - принципиальная схема блока регистрации; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в цепом; на фиг. 5 - взаимное расположение растров, соответствующее определенным моментам временной диаграммы на фиг. 4; на фиг, 6 - графическипоясняется эффект исключения влияния 1 О.аксцентриситета и смешения оси сканирования при данном конструктивном выполнении преобразователя; на фиг. 7 а б и вимпульсные диаграммы, соответствующие,различным вариантам положения оси сканирования, изображенным на фиг. 6,Преобразователь состоит из индикаторного растра 1 с нанесенной по диаметруделитепьной окружности дорожкой штрихов 2 (фиг, 2), поддерживаемого кольцом 203, при помощи выступов 4-7 (фиг. 2) иподвешенного на четырех плоских пружинах 8 (фиг. 1), которые на фиг, 2 показаны в разрезе.,П,ругим концом эти пружины 8 жестко соединены с корпусом 25 .преобразователя (в дальнейшем условнопринимается как неподвижная система ина фигурах не показан), Измерительныйрастр 9, угловое перемещение которогоследует измерить, жестко соединен с ва- эОлом 10, вращающимся в подшипниках 11,и содержит такую же круговую дорожкуштрихов как и растр 1, причем обарастра 1 и 9 выполнены с одинаковымшагом ( Круговой эпектропюминесцент- Зный осветитель 12 и круговые шелевыедиафрагмы 13 и 14 выполнены так, чтоих диаметры равны диаметру делитепьныхокружностей растров 1 и 9, Круговоеконусное зеркало 15 обеспечивает соби лрание световых лучей от осветителя 12на фотоприемник 16.Индикаторный растр 1 и измерительный растр 9 представляют собой основное растровое сопряжение. Эпектромагни-.45ты 17 (фиг. 2) расположены определенным образом относительно выступов 4 и5, а их входы подключены к одноименнымвыходам коммутирующей схемы (например,к диодному мостику), которая на чертежене показана. Преобразователь содержиттакже дополнительные растровые сопряжения, расположенные по диаметральнопротивоположным сторонам основногорастрового сопряжения и состоящие иэподвижных растров 18 и 19, которые че.рез посредство выступов 6 и 7 (фиг, 2)жестко связаны с индикаторным растром 1 41, а также из неподвижных растров 20 и 21, жестко связанных через посредство держателей 22 и 23 с корпусом. Оба дополнительных растровых сопряжения 18-21 выполнены с одинаковЬм шагом (,меньшим шага ( основного растрового сопряжения 1 и 9, 11 алее следуют щели 24 и 25, линзы 26 и 27, призмы 28 и 29, фотоприемники 30 и 31 допопнительных растровых сопряжений 18-21,Принципиальная схема блока регистрации, формирующей опорный сигнал (фиг.3) содержит фазоврашатепь 32, триггер 33 Шмита, формирователи 34-36 импульсов, соответствующих максимумам сигналов, генератор 37 импульсов заполнения и счетные триггеры 38 и 39, схемы 40- 44 совпадения, триггеры 45 и 46 формирователи 47 и 48 импульсов от переднего фронта сигнала с нулевого и единичу ного плеч счетного триггера 38, ревер. сивные счетчики 49 и 50, схему 51 собирания и схему 52 формирования сигнала, проиорционапьного смещению измерительного растра 9. Преобразователь работает следуюшимобразом,Лучи света от кругового эпектронюмисцентного осветИтеля 12 проходят кру говую шепевую диафрагму 13, измерительный растр 9, индикаторный растр 1, круговую шелевую диафрагму 14, отражаются от конусных поверхностей кругового конусного зеркала 15 и попадают на фотоприемник 16. На выходе фотоприемника 16 возникает сигнал, величина которого пропорциональна взаимному положению растров 9 и 1, Электромагниты.17 работают таким образом, что одновременно и попарно подается ток на входы фотоприемника 16, Благодаря этому одновременно притягивают два электромагнита 17, расположенные по диагонали, а затем ток подается на другие два диагонально расположенные электромагнита 17. Б результате индикаторный растр 1. совершает возвратно-поступательное угловое перемещение (сканирование) относительно измерительного растра 9, Дпя получения фаэоимлупьсного метода измерения амппитуда колебаний индикаторного растра 1 устанавливается такой, чтобы она превышала половину шага ( растров 1 и 9. При этом эа один период сканирования происходит полное изменение светового потока, пропускаемого растровым сопряжением 1 и 9, не менее двух раэ,1 6Пусть центр 06 индикаторного растра1 будет смещен в положение 0 (фиг.6), а значение эксцентриситета при этом равно 8, При этом пусть ось сканирования, относительно которой колеблется индикаторный растр 1, представляет собой линию 0-0, параллельную пинии 00 Очевидно, что в этом случае отсчет перемещений должен производиться в тот момент, когда ось 09-04 индикаторного растра 1 совпадает с линией 0-04, Это реализовано следуюшим образом, Под воздействием электромагнитов 17 (фиг. 2) .индикаторный растр. 1 (фиг, 2) колеблется (сканирует), поворачиваясь вокруг оси 0 и совершая отклонения одинаковой ве 6личины относительно оси сканирования 004 равные амплитуде сканирования. А,которая, как было указано выше, большеполовины шага /, растров основного растрового сопряжения 1 и 9, При этом следует иметь в виду, что эксцентриситетЮ в вйсокоточных преобразователях составляет небольшую долю от шага ,.,Предположим, что ось Оиндикаторного растра 1 в процессе сканирования в некоторый момент времени повернута так относительно оси сканирования,что он проходит левее точки О,/, черезточку 06, а также правее точки 04,:и совершает поворот вокруг точкиО по стрелке А и В (фиг. 6). Преобразователь должен выдать сигнал в тот момент, когдаось 0-0 в процессе вращения совпадает е линйей 0-04, Для этого сначала фиксируе ся момент совп дения нии оу с линией О -О, чему соответствует сов/.падение зрачков подвижного и неподвижного растров 19 и 21 первого дополнительного растрового сопряжения (фиг. 1 ), С этого момента начинается отсчет времени, который продолжается до тех лор, пока линия О-О повернется на уголФК,+// и совпадет с пинией С-О, чему соответствует совпадение зрачков растров 18 и 20 второго дополнительного растрового сопряжения. Отсчет времени заканчивается; запоминается количество импульсов, пропорциональное интервалу времени от момента совпадения зрачков первогорастрового сопряжения 19 и 21 до мо; мента совпадения зрачков второго растрового сопряжении 18 и 20, и тем самым пропорциональное углу Ы, + ю,", Преобразователь хранит также и результат измерения этого же интервала времени, но полученного в предыдущем периоде сканирования, В процессе измерения происходит суавнение деленного пополам предыРассмотрим подробней особенности взаимодействия растров основного 1, 9 и дополнительных 18-21 сопряжений, Обозначим линию, проходящую через цент- З 0 ральные зрачки неподвижных растров 20, 21 (фиг, 1) и лежащую в плоскости сечения А-А квк 0,-0 (фиг. 6), а линию проходяшую через центральные зрачки подвижных (колеблющихся) растров 18 и35 19, как 0-04 (фиг. 2). Ввиду наличия эксцентриситета Е и возможного углового смешения ь Ы индикаторного растра 1 линии.О/-02, а также Ов общем случае не совпадают. Поэтому в общем , случае не совпадает и центр О индикаторного растра 1 (фиг. 2) с точкой Ор, означающей идеальное положение центра индикаторного растра 1 и лежащей на середине отрезка О,/-0. Примем линию 0-02 (фиг. 6) эа начало отсчета. Для стабильной работы необходимо, чтобы в процессе сканирования отсчет перемещений производился бы всегда при одном и том же угле поворота индикаторного50 . растра 1 относительно неподвижных, связанных с корпусом элементов. В данном случае это условие будет выполнено, если отсчет будет производиться в момент, когда линия Освязанная с коцебпюшимся индикаторным растром 1, совпв 55 дает или является параллельной линии 0-0, связанной с неподвижными растрами 20 21 (фиг, 1). 5 95482Одновременно вместе с индикаторным 1 растром колеблются и дополнительные подвижные растры 18 и 19, выполненные с шагом й меньшим шага (основъ 2ного растрового сопряжения, Световой поток от осветителя 12 через щели 24 и 25 линзы 26 и 27 попадает на призмыо 28 и 29, отражается под углом 90 и проходя неподвижные растрь 1 20, 21 и подвижные растры 18 и 19 допопнитель ных растровых сопряжений модулируется благодаря колебанию растров 18 и 19, а затем попадает на фотоприемники 30 и 31, на выходах которых возникают сигналы, полное изменение которых (от 15 пика к пику) происходит с большей частотой чем соответствующее изменение сигнала на выходе фотоприемника 16, т.е. измерительного сигнала. Соотношение частот сигналов зависит от соотно шения шагов , и / растров 1, 9 и от соотношения диаметров Э депитепьной окружности основного растрового сопряжения 1, 9 и расстояния 1между дополнительными растрами 18-21 (фиг,2)2521 1049 производится от формирователя 47, соединенного тоже с нулевым ппечом счетного триггера 38, то это означает, что в период сканирования Т предшествующий периодусчетчик 49 работап на сложение и к началу периода Чв нем содержится чиспо, пропорциональное интервапуЕ 2. В период Г к открывается схема 41 совпадения, управляющая вычитанием, соединенная с единичным плечом счетного триггера 38, другой вход которой подключен прямо к выходу генератора 37. Поэтому в спучае вычитания на счетчик поступает в два раза больше импупьсов за время, определяемое сигналом 4 Ю, чем за этот же интервап времен при сложении. Следовательно, по истечении времени(, 2 содержание счетчика 49 будет равным нулю и затем на его выходе возникает сигнал займа, который поступает на вход схемы 51 сборки и передний фронт которого соответствует опорному импульсу. По истечении периода Г реверсивный счетчик 4 о гасится и при срабатывании триггера 45 в периоде сканирования Тчерез схему.40 совпадения нв его вход сложения начинают поступать .:мпупьсы с выхода счетного триггера 39 и он запоминает число, пропорционапьное 12 в то время через схему 43 совпадения открывается вычитающий вход счетчика 50 и при истечении времени 12 он выдает сигнал займа на схему 51 сборки, Затем цикл повторяется.Таким образом, каждый счетчик 49 и 50 выдает сигнал займа через один период сканирования, а на выходе схемы 51 сборки возникают сигнапы за каждый период сканирования (фиг, 4 ), Зти сигналы поступаютна вход схемы 52, формирующей сигнал, пропорциональный смешению измерительного растра 1, на другой вход которбй подаются импульсы 4 1 ,с выхода формиромтепя 36. Из всей поспедоватепьности импупьсов 4 1 имеют значение только те, которые определяют интервал времени 1 1 пропорционапьный шагу (фиг, 41) и вкпючающий ойорный импульс 4 Р, При смещении измерительного растра 9 (фиг, 1) относитепьно индикаторного растра 1 смешаются также импупьсы 4относительно опорного импульса 4 пропорционапьно углово му смешению растра 9, что выражается изменением соотношения интермпов врвмении т,4 (фиг. 41), а это означает, что эти интермлы могут быть использованы как мера перемещения, В данном 9 9548 тромагнитов 17, С помощью фазоврашвтеля 32 это напряжение поворачивается на такой фазовый угол, чтобы переход через нуль сигнала 4 Ь на его выходе предшествовап возникновению максимума6 сигнала 4, С помощью триггера. 33 Шмита формируется сигнал 43, а с помощью формирователей 36, 35 и 34, входы которых соединены с выходами фото.- приемников 16, 31 и 30 соответственно,16 формируются импупьсы 4, 4 й и 4 при достижении этими сигнапами своих максимальных значений, Переднимфронтом сигнапв 4запускается триггер 46 (фиг, 46), который соединен с входом35 схемы 44 совпадения и подготавпивает к срабатыванию триггер 45. Первый импульс 4 й (поспе срабатывания триггера 46) с выхода формироватепя 35 через схему 44 совпадения запускает триггер 2 О45 (фиг. 4 щ), который гасится одновременно с триггером 46 импульсом 4 о с выхода формирователя 34. Как видно по временной диаграмме, длитепьность импульса 4 Ю соответствует интервалу вре мени между максимумами 6 и 3 сигналов 49 и 4 о. Триггер 45 подготавливает к работе схемы 40-43 совпадения. Импульсы 4с выхода триггера Шмита 34 поступают также на счетный триггер 38,30на единичном выходе которого формируется сигнал 4 . Этот сигнал подается на формирователь 48, формирующий импульсы от переднего фронта (не показано), которые устанавливают реверсивный счет чик 50 в нуль, Единичный выход триггера 38 подкшочен также ко входу схемы 42 совпадения, другой вход которой соединен с выходом счетного триггера39, который в свою очередь соединен с 40 выходом генератора 37 импульсов заполнения, Выход схемы 42 совпадения соединен с входом спожения реверсивного счетчика 50. Поэтому в период сканирования Т (фиг, 4 с) этот счетчик считает 45 импульсы (фиг, 4 п), частота которых вдвое меньше, чем частота генератора37, и таким образом запоминает. числоимпульсов, пропорционапьное половине интервапа; соответствующего дпительности импульса 4 а и рввное 1 ф(ф,(где.1=12 квк уже показано выше.Поскольку вход сложения реверсивного счетчика 49 управляется через схе 55 му 40 совпадения от нупевого плеча счетного триггера 38, а другой ее вход сое.динен с единичным плечом счетного триггера 39, причем сброс в нуль счетчика11 954821 12случае используется интервал времени с 4,В этом случае, когда 4 =О судят о совмещении опорного сигнала с максимумомизмерительного сигнала 4 с, что удобнопри позиционировании связанного с валом10 (фиг, 1) делительного стопа (не показан )Нв фиг, 7 даны импульсные диаграммы, "выхваченные" .из временных диаграмм на фиг. 4 при увеличенном масштаОбе времени, соответствующие различнымвариантам положения оси сканирования,изображенным на фиг, 6. Они поясняютвчияние смешения оси сканирования наточность отсчета перемещений измеритель.ного растра 9. На виг. 7 а изображены. временные соответствия импульсов 41,4, 4 и.4, соответствующие эксцентриситету е (фиг. 6) и положению оси ска-,нирования 0 -0-0 т.е. условиям, при 26которых быпи построены временные диаграммы на фиг, 4, Углам поворота индикаторного растра 1 К и Ж, (фиг. 6)соответствуют интервалы времени 1 имежду импульсами 4/1 и 4 п, Так каке:(З/4и =,то момент совпадейия пинии О( /с осью сканирования 0-04, помещеннййкак 0 на фиг, 7 а, б и в совпадает с пе"редним фронтом опорного импульса 4 р,Импульсы, изображенные на фиг. 7 б и 39в, тоже соответствуют импульсам на временных диаграммах фиг. 4, но условияих формирования несколько изменены.Фиг. 7 б соответствует эксцентриситету Р и положению оси сканирования О- lи //,е0 -04 . Поскольку в этом случае й;атоси М о",то и смещению импульсов 4 ли 4относительно импульсов 4 р соответствуют большие интервалы времени/ и11, Поскольку в этом случае М)Фи Ц:1 щото и здесь наблюдается совпадение момен"та перехода оси сканирования 0-04 пиИнией Ос передним фронтом импульса 4. Несмотря на изменение эксцентриситета по сравнению со случаем 7 а, сме-шелия сигнала 4 не происходит, поскольку, как уже было сказано вьппе, в данном устройстве применен принцип кругового взаимодействия измерительногои индикаторного растров 9 и 1, исключающий влияние эксцентриситета и разныхпогрешностей положения отдельных штрихов растров 9 и 1 на точность формирования экстремальных точек (максимумов)измерительного сигнала. Я Фиг. 7 бсоответствует положению оси(//сканирования 0-0-04, когда кроме эксцентриситета возникает и угловое смешение Ао/ (фиг, 6). В этом случае момент перехода линией 0-0, оси сканирования0 -0 4 сдвигается относительно первого импульса 4 1 на величину Ь(, пропорциональную углу ЬЖ смешения осисканирования, чему соответствуют интервалы времени ( 1+ Ь 1 , и-АИнтервалы времени между импульсами 4 п, 4 с и4сохраняются такими же как и в случаях 7 а, б и в, т.е, равными., и ,поскольку они пропорциональны тем жеуглам б/", и о Опорный импульс формируется при сохранении тех же временных соотношений ( 1 и , ) относительно импульсов 4 1 измерительного сигнала. Вышеприведенный анализ показывает,что опорный импульс всегда формируетсяпри неизменных временных соотношенияхс импульсамй измерительного сигнала,независимо от эксцентрисистета и угловых смещений оси сканирования индикаторного растра 1; чем и определяетсястабильность работы преобразователя,Поскольку погрешность измерения вконечном счете проявляется как взаимное смещение импульсов 41 и 4 Р (фиг.4и 7), то отсюда вытекает необходимостьвозможно более точного формированияимпульсов 4) и 4(, Абсошотная погрешность, выраженная как временное смеше- .ние импульсов 4 л и 4 в одну или другую сторону относительнЬ импульсов 4 ,будет меньше при меньшем периоде сигналов 49 и 44 (фиг. 4). Чтобы выполнялось это условие, шаг Ч, дополнительныхрастровых сопряжений 18-21 уменьшенпо сравнению с шагомосновного растрового сопряжения 1 и 9,Из вышеприведенного описания следует, что для правильной работы преобразователя необходим некоторый начальныйэксцентриситет индикаторного растра 1(точка 06) относительно неподвижной точки О. (фиг. 2 и 6), чтобы импульс 4всегда предшествовал импульсу 4 (фиг,4и 7) при возможных дальнейших изменениях эксцентриситета и при данном смешении сигнала 4 (фиг, 4). Этот эксцентриситет устанавливается начальнойюстировкой дополнительных растровых сопряжений 18-21,Таким образом, эффективность изобретения заключается в том, что оно позволяет стабилизировать момент выдачи опорного сигнала и исключить влияние смешений оси сканирования и эксцентрисистета на точность йреобразователя в том случае, когда индикаторный растр 1 подве13 9548 шен на плоских пружинах, что необходимо для получения больших амплитуд сканирования при осуществлении фазоимпульсного способа, который, в свою очередь, позволяет контролировать взаимное перемешение растров в пределах шага с высокой точностью.ф орму ла изобретения 1 ОФазоимпу льсный преобразователь угловых перемещений, содержащий корпус, основное растровое сопряжение, состоящее из связываемого с поворотным валом из мерительного растра и связанного посредством пружин с корпусом преобразователя индикаторного растра, электромагниты, осуществляющие сканирование индикаторного растра, круговой осветитель, уста новленный.со стороны измерительного растра, противоположной расположению индикаторного растра, оптическую систему, установленную со стороны основного растрового сопряжения, противоположной25 21 14расположению кругового осветителя, фотоприемник, установленный на выходе оптической системы, и блок регистрации,соединенный входом с выходом фотоприемника, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения точности преобразования угловых перемещений, он снабжен двумя дополнительными растровымисопряжениями, расположенными в плоскости основного растрового сопряжения поего диаметрально противоположным сторонам и выполненными с шагом, отличным от шага основного растрового сопря-.жения, подвижные растры кОторых жесткосоединены со сканирующим индикаторнымрастром, а неподвижные растры жесткасоединены с корпусом преобразователя,двумя фотоприемниками, установленныминапротив дополнительных растровых сопря-.жений и соединенными выходами с вхо.дами блока регистрации.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР