Система измерения параметров вращательного движения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 51)5 С 3/489 С 01 1, 3/ ГО ПО О АНИ РЕТЕНИЯ ВТОРСН СВИДЕТЯЛЬСТ ьство СССР 489, 1984, тво СССР /О, 1980. ПАРАМЕТРОВ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯИ ГННТ СССР(54) СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерению углового положения, скорости ускорения и момента вращения вала. Целью изобретения является повышениеточности измерений и расширение функциональных возможностей. Блоки 1 и 2 вычисления углового положения формируют на выходах двоичные коды, соответствующие угловому положению дисков 10 и 11 в каждый момент времени, а также направления вращения дискаОБлок вычисления угловой скорости служит для формирования на выходе двоичного кода значения мгновеннойскоростиБлок индикации служит дляиндикации углового положения угловойскорости и углового ускорения диска10, а также момента вращения вала 12.1 з.п .ф-лы, 5 ил ., 1 табл.1582133 Изобретение относится к измерению углового положения, скорости, ускорения и момента вращения вала и может бнть использовано в качестве много 5 функционального прибора при экспериментальных исследованиях и оценке качества механизмов позиционирования промьппленных роботов и технологического контроля вращения валов в точных цифровых системах автоматического управленияЦель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей системы .На фиг. 1 представлена общая блоксхема системы измерения параметров вращательного движения; на фиг,2 - схема первого и второго блоков вычисления углового положения, на Фиг, 3 - 20 Схема блока вычисления угловой скорости; на фиг. 4 - схема блока вычисления углового ускорения и момента вращения и блока индикации; на фиг. 5 - фрагмент участка цилиндрической по верхности диска с нанесенными на ней штрихами и их расположение относительно оси вращения вала, излучателя света и фотоприемника.Система состоит из двух идентичных 30 блоков 1 и 2 вычисления углового положения, вала, блока 3 вычисления угловой скорости, блока 4 вычисления ускорения и момента. вращения и блока5 индикации(фиг.1).35Блоки 1 и 2 (фиг 2) содержат блоки 6 и 7 из (К+1) светодиодов, выполняющих роль излучателей света, блоки 8 и 9 из (К+1) фотодиодов, выполняюших роль Фотоприемников, где К - число фотоэлементов, соответствующих одному шагу грубого отсчета, элементы прерывания оптической связи, выполненные в виде дисков 10 и 11, укрепленных .на контролируемом валу 45 1 2 на расстоянии базы 1 один от другого, с нанесенными на их цилиндрические поверхности штрихами наклонно к оси вращения вала .(Фиг.5), блоки 13 и 14 усилителей сигналов Фотоприемников, блоки 15 и,16 определения направления вращения, состоящие из первого - восьмого преобразователей кода 17-24, первого - четвертого регистров 25-28, первого - четвертого элементов 29-32 сравнения, первого и второго блоков одновибраторов 33 и 34, первого и второго элементов ИЛИ 35 и 36, первого и второго элементов эа 4держки 37 и 38, первый и второй реверсивные счетчики 39 и 40 и выходную колодку 41.Блок 3 (фиг.3) вычисления угловой скорости содержит входную колодку 42, генератор 43 импульсов, Т-триггер 44, первый - восьмой элементы И 45-52, первый и второй элементы 53 и 54 задержки, первый и второй счетчики 55 и 56, первый и второй элементы И-НЕ 57 и 58, первый и второй регистры 59 и 60, задатчик 61 кода, первый и второй элементы 62 и 63 деления, ВЯ-триггер 64, элемент ИЛИ 65 и выходную колодку 66.Блок 4 (фиг,4) вычисления ускорения и момента вращения содержит входную колодку 67, первый и второй демультиплексоры 68 и 69, первый - третий элементы ИЛИ 70-72, первый и второй. элементы И 73, 74, первый и второй элементы 75 и 76 вычитания, элемент 77 деления, элемент 78 задержки и выходную колодку 79. Блок 5 (Фиг.4) индикации содержит входную колодку 80, элемент 81 индикации углового положения диска 1 О, элемент 82 индикации угловой скорости ю вращения диска 10, элемент 83 индикации углового ускорения Я вращения диска 10 и элемент 84 индикации момента М вращения вала.Блоки 1 и 2 вычисления углового положения служат для формирования на выходах 4 и 5 двоичных кодов, соответствующих угловому положению дисков, 10 и. 11 в каждый момент времени, на выходе 3 - последовательности импульсов, соответствующих шагу точного отсчета, на выходах 1 и 2 - импульсов знака скорости вращения диска 10. Блок 3 вычисления угловой скорости служит для Формирования на .выходе 7 двоичного кода значения мгновенной угловой скорости вращения диска 10, формирования на выходах 1 и 2 кодов времени между двумя импульсами шага точного отсчета, формирования на выходах 3 и 4 двоичных кодов, соответствующих предыдущему и текущему значениям скорости вращения диска 10, формирования на выходах 1 и 2 кодов времени между двумя импульсами шага точного отсчета, формирования на выходах 3 и 4 двоичных кодов, соответствующих предыдущему и текущему значениям скорости вращения диска 10, Формирования на5 1582133 выходах 5 и 6 сигналов управления блоком 4 вычисления ускорения и момента вращения, Блок 4 вычисления углового ускорения и момента вращения служит5 для Формирования на выходе 2 двоичного ко:,а углового ускорения вращения диска 1 О и на выходе 1 - двоичного кода момента вращения вала 12 на длине базы 1. Блок 5 индикации служит для индикации углового положения диска 10, угловой скорости и углового ускорения вращения диска 10, а также момента вращения вала 12.Система работает следующим образом.5Информация с выхода 4 блокав виде двоичных кода, соответствующего угловому положению диска 10, поступает на вход 4 блока 5 индикации для индикации углового положения диска 10, а 20 также на вход 7 блока 4, на вход 8 которого с выхода 5 блока 2 поступает информация в виде двоичного кода, соответствующего угловому положению диска 11, для вычисления момента вра щения вала 12 на длине базы 1. С выхода 3 блока 1 на вход 3 блока 3 и вход 9 блока 4 поступает последовательность импульсов, соответствующая шагу точного отсчета диска 10, для вы числения угловой скорости вращения и времени между двумя соседними импульсами шага точного отсчета. С выходов 1 и 2 блока 1 на вкоды 1 и 2 блока 3 подаются импульсы определения знака скорости вращения диска 10, С выходов 1 и 2 блока 3 на входы 1 и 2 блока 4 поступают двоичные коды, численно равные времени между двумя импульсами, соответствующими шагу 40 точного отсчета диска 10. С выхода 7 блока 3 на вход 3 блока 5 поступает двоичный код., численно равный угловой скорости вращения диска 1 О, для индикации, С выходов 3 и 4 блока 3 на 45 входы 3 и 4 блока,4 поступают двоичные коды, соответствующие предыдущему и текущему значениям угловой скорости вращения диска 10, для вычисления углового ускорения. 50 Сигналы с выходов 5 и 6 блока 3 поступают на входы 5 и 6 блока 4 для управления его работой. С выхода 2 блока 4 на вход 2 блока 5 поступает код, соответствующий угловому ускорению вращения диска 10, для индикации. С выхода 1 блока 4 на вход 1 блока 5 поступает код, соответствующий моменту вращения вала 12 на длине базы 1, для индикации,Блоки 1 и 2 измерения углового положения работают следующим образом.При подаче напряжения питания сос"тояние регистров 25-28 и счетчиков39 и 40 не определено, Начальная установка регистров 25-28 и счетчиков39-40 производится поворотом вала12 в начальное угловое положение. После установки вала 12 в начальноеположение сигналы с выходов фотодиодов начальной установки (фиг.5)блоков 8 и 9 через блоки 13 и 14 усилителей поступают на К-входы счетчиков 39 н 40, устанавливая их в нулевое состояние.Световые потоки блоков 6 и 7 непрерывно излучаются в зону вращениядисков 10 и 11 и воспринимаются фотодиодами блоков 8 и 9,При попадании штриЪхов в зону излучения световых потоковпроисходит прерывание оптической связимежду светодиодами и фотодиодами блоков 6-9. В результате этого при вращении дисков 10 и 11 на выходах блоков 8 и 9 формируются импульсы прерывания оптической связи, которые че.рез блоки 13 и 14 усилителей поступают на входы преобразователей 17-24кодов. Преобразователи 17 и 21 формируют двоичные коды текущего значения углового положения дисков 1 О и 11,преобразователи 18 и 22 формируюткоды на единицу больше, преобразователи 19 и 23 - на единицу меньше кодов, Формируемых преобразователями17 и 21, а преобразователи кода 20 и24 Формируют код "1 из 2".При начальном положении дисков 1 Ои 11 на выходах блоков 8 и 9 устанавливаются коды в соответствии с позицией 1 таблицы (составленной для случая К = 5), которые поступают на входы преобразователей 17-24. В результате этого на выходах преобразователей 17 и 21 кодов устанавливается двоичный код "001", соответст- вующий текущему значению положения вала 12 в начале шага грубого отсчета (Фиг.5). На выходах преобразователей, 8 и 22 устанавливается код "010", т.е. на единицу больший кода, установившегося на выходах преобразователей 17 и 21. На выходах преобразователей 19 и 23 устанавливается код "000", т.е. на единицу меньшей кода,15823 установившегося на выходах преобразователей 17 и 21. На выходах преобразователей 20 и 24 кода устанавливается код "О 1 " (см.поз.1 таблицы). Коды5 с выходов преобразователей 20 и 24 поступают на входы блоков 33 и 34, состоящих из двух одновибраторов, На выходах одновибраторов Формируются , короткие импульсы по переднему Фронту 10входных сигналов, которые поступают ,на входы элементов ИЛИ 35 и 36, на выходе которых формируются импульсы, , соответствующие шагу точного отсчета.цгналы1 с выходов элементов ИЛИ 35 и Зб поступают на входы элементов 37 и 38 задержки, а по истечении заданного времени - на С-входы разре-щения записи регистров 25-28 и положительным Фронтом осуществляют записькодов с выходов преобразователеи 18,н19 и 22, 23 через информационные входы в регистры 25-28. Времявыдержки элементов 37 и 38 устанавливаетсяэкспериментально в соответствии с соотношениемТ мииС ( -ьш щт где Т- минимальное время одногом ноборота диска (при минимально допустимой скорости вращения вала);ш - число шагов грубого отсчета в пределах одного оборота диска; 35ш - число шагов точного отсчетта на одном шаге грубогоотсчета;- время выполнения операцииосравнения кодов. 40Коды с выходов р егистров 25- 28 поступают на вторые входы элементов 29- 32 сравнения, на первые входы которых в этот момент поступают коды с выходов преобразователей 17 и 21, 45 Вследствие несовпадения кодов на вхо дах элементов 29-32 сравнения на ихвыходах установлены сигналы ОВ рассматриваемой системе в ал 1 2 от начального положения пов орач ив а ется в к ак ом- то одном направлении ( как., например , в следящих системах позиционирования промышленных роботов ) . При этом при повороте кена- Груженного вала 1 2 на один ша г точ - 55 ного отсчета появится к од в со о тв е тствии с поз . 2 таблицы , в р.е з уль тате чего на выходах преобразователей 1 7 3 ви 21 установится код, на единицу больший предыдущего значения, который поступает на первые входы эле. - ментов 29-32 сравнения, и на выходах элементов 29 и 31 сравнения установятся сигналы "1" ввиду совпадения кодов именно на входах этих элементов сравнения . Сигнал "1" с выходов элементов 29 и 31 сравнения поступает на суммирующие "+1" входы счетчиков 39 и 40, увеличивая его содержимое на единицу, и на выход 1 колодки 41, Одновременно на выходах преобразователей 18 и 22 устанавливаются коды, на единицу большие текущие значения, а на выходах преобразователей 19,и 23 - на единицу меньшие текущего значения, которые через время 1 выдержки заносятся в регистры 25-28, изменяя их содержимое соответственно на единицу большее и меньшее, от- носительно текущего значения и подготавливая регистры к следующей операции сравнения.При повороте вала 12 на следующие шаги точного отсчета в том же направлении работа элементов схемы происходит в аналогичном порядке, и счетчики 39 и 40 каждый раз увеличивают содержимое на,единицу, фиксируя таким образом коды текущего значения углового положения вала 12.При повороте вала 12 на один шаг точного отсчета в обратном направлении работа узлов 1 5 и 1 б различения направления происходит следующим образом.После обратного поворота .вала на один шаг точного отСчета на выходах преобразователей 17 и 21 появляются коды, на единицу меньшие предыдущег о значения . Тогда сигналы 1 установятся на выходах т ех элементов сравнения , на вторых входах которых в э тот момент действуют коды , на единицу меньшие предыдущего значения , т , е . элементов 3 0 и 3 2 . Сигналы " 1 "поступают на вычи тающие - 1 входы счетчиков 3 9 и 4 О, уменьшая их с одержимое на единицу после обратного поворота вала на каждый ш а г точного о тсчета, и на выход 2 колодки 4 1 . Таким образом, в зависимости от направления вращения вала 12 счетчики 39 и 40 будут прибавлять или вычитать единицу при повороте на каждый шаг точного отсчета, При повороте вала наодин шаг грубого отсчета на выходах преобразователей 17-24 вновь устанавливаются коды в соответствии с позициейтаблицы и счет импульсов счет 5 чиками 39 и 40 производится в том же порядке.Б рассматриваемой. системе блок 2 измеряет угловое положение конца вала (диск 11) , присоединенного к двига О телю, а блок .1 - угловое прложение нагруженного конца вала 1 2 (диск 1.О), Код с выхода счетчика 39, Фиксирующего угловое положение диска 10, с выхода 4 колодки 4 поступает на вход 7 15 колодки 67 и далее - на первый вход элемента 76 вычитания, а также на вход 4 колодки 80, связанный с входом элемента 81 индикации текущего значения углового положения 20 о вала 12. Одновременно код с выхода счетчика 4 С, Фиксирующего угловое положение диска 11, с выхода 5 колодки 41 поступает на вход 8 колодки 67 и далее - на второй вход элемента 76 25 вычитания. При ненагруженном вале значения кодов, Фиксируемых счетчиками 39 и 40, одинаковы и на выходе элемента 76 вычитания Формируется код нулевого момента. 30Прн нагружении вала некоторым крутящим моментом М.происходит дополнительный,поворот одного диска 10 относительно другого диска 11. Величина этОГО поворота Определяется уГлом закручивания, пропорционального крутящему моменту на оси вала, Код раз-. ности углового положения дисков 1 О и 11, Формируемый на выходе элемента 76 вычитания, выраженный в единицах 40 момента вращения, поступает через выход 1 колодки 79 на вход 1 колодки 80, связанный,с входом элемента 84 индикации момента вращения М.Блок 3 вычисления угловой скорости 45 работает следующим образом.Импульсы с выхода элемента ИЛИ 35 блока 1 поступают на выход 3 колодки 41 и через вход 3 .колодки 42 - на Т-врод Т-триггера 44 и на вторые входы элементов И 46 и 48, На прямом и инверсном. выходах Т-триггера 44 формируются юпульсы, длительность которых равна периоду следования входных импульсов, причем на прямом выходе триггера формируется импульс длительностью Т на инверсном - Т;, где:- порядковый номер входного импульса в пределах шага грубого отсчетаИмпульс с прямого выхода Т-триггера 44 поступает на второй вход элемента И 45 и разрешает-,прохождение импульсов с выхода генератора 43 через элемент И 49 на С-вход счетчика 55, который осуществляет их подсчет.Установившийся иа выходе счетчика 55 по окончании импульса Т; код, пропорциональный длительности Т;, записывается в регистр 59 по сигналу с выхода элемента И 46. Сброс счетчика 55 осуществляется сигналом с выхода элемента И 46 через элемент 53 задержки,Импульс с инверсного выхода Т-триггера 44 поступает на первый вход элемента И 47 и разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 43 на С-вход счетчика 56 через элемент И 50. Установившийся на выходе счетчика 56 по окончании импульса Т , код, пропорциональный длительности Т. , за Ф 1 писывается в регистр 60 по сйгналу с выхода элемента И 48. Сброс счетчика 55 осуществляется сигналом с выхода элемента И 48 через элемент 54 задержки, Элемент И-НЕ 57 и 58 используются для запрещения счета счетчиков 55 и 56 при остановке диска 10, в этом случае счетчики достигают максимального числа н сигналы, поступившие на вторые входы элементов И 49 и 50 с выходов элементов И-НЕ 57 и 58 соответственно, запрещают прохождение импульсов с выхода генератора 43 на С-входы счетчиков 55 и 56 и одновременно поступают на первые входы эле" ментов И 51 н 52, на вторые входы которых пОСтупают коды с выходов элементов 62 и 63 деления.:%оды с выходов регистров 59 и 60 поступают на выходы 1 и 2 колодки 66, и на вторые входы элементов 62 и 63 деления, на первые входы которых поступает код постоянной величины о соответствующий величине угла шага точного отсчета. Для управления работой элементов 62 и 63 деления на их четвертые входы поступают сигналы синхронизации с выходов элементов 53 и 54 задержки. На третьи входы элементов 62 и 63 поступает сигнал. с выхода КЯ-триггера 64, формирующего сигнал знака величины скорости по сигналам с выходов элементов 29 и 30 сравнения, поступающим через выходы 1 и 2 колодки 41 и входы 1 и 2 ко 1582133 12лодки 42 на Я- и К-входы КБ-триггера 64 соответственно.На выходе элемента 62 деления формируется код, численно равный величине 9,=о,/Т а на выходе элемента 63.деления - код, численно равный величине ьо, Ы /Т где ш - угловаяЙ е Файфскорость вращения диска 10, Коды с вы, ходов элементов 62 и 63 деления через элементы И 51 и 52 поступают нэвыходы 3 и 4 колодки 66 и на входыэлемента ИЛИ 65, с выхода которогона выход 7 колодки 66 поступает код,численно равный текущему значению угловой скорости вращения ьо диска 10.. Прн остановке диска 10 сигналы свыходов элементов И-.НЕ 57 и 58, поступая на первые .входы элементов И 51и 52, запрещают прохождение кодов навыходы 4 и 5. колодки бб и на входыэлемента ИЛИ 65, в результате чегона выходах 3,4 и 7 устанавливаютсякоды, численно равные ьо = О,Блок 4 вьиисления углового ускоре ния и момента вращения работает следующим образом.Коды с выходов 3 и 4 колодки 66через входы 3 и 4 колодки 67 поступапают на инФормационные Х-входы демуль типлексоров 68 и 69,.на адресные Авходы управления которых с выходов 5и 6 колодки 66 через входы 5 и 6 колодки 67 поступают импульсы управления с прямого и инверсного выходовТ-триггера 44. С выходов У, и У демультиплексоров 68 и. 69 коды, численно равные М, и и); поступают навходы элементов ИЛИ 70 и 71, причемна выходе элеиента ИЛИ 70 формирует. ся код, численно равный Ф; а навходе элемента 71 - ю 1 в каждый момент времени.Коды с выходов элементов ИЛИ 70 и71 поступают соответственно на первый и второй входы элемента 75 вычитания, на выходе которого формируется код, численно равный разностиаМ.= ь,-. Ж;, поступающий на первый вход элемента 77 деления. На второй вход элемента 77 деления поступает код, численно равный Т;, свыхода элемента ИЛИ 72, на входы которого с выходов 1 и 2 колодки 66через входы 1 и 2 колодки 67 и элементы И 73 и 74 поступают коды, чис-,ленно равные Т и Т 1 . Управлениеиэлементов 77 деления осуществляетсяимпульсами, поступающими на его третий вход с выхода 3 колодки 41 через вход 9 колодки 67 и элемент 78 задержки, На выходе элемента 77 деления формируется код, численно равный величине углового ускорения Е = =До /Т; , который поступает на выход 2 колодки 79Вычисление момента вращения осуществляется элементом 76 вычитания, на первый вход которого с выхода 4 колодки 41 через вход 7 колодки 67 поступает код углового положения диска 10, а на второй вход с выхода 5 колодки 41 через вход 8 колодки 67 - код углового положения диска 11, На выходе элементе 76 вычитания Формируется код, пропорциональный моменту вращения нала 12, поступающий на выход 1 колодки 79.Формула изобретения1, Система измерения параметров вращательного движения, содержащая два закрепленных на концах упругого вала измерительных диска с равномерными штрихами, датчики считывания импульсов и блок индикации, о т - л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, введены последовательно соединенные первый блок вычисления углового положения; блок вычисления. угловой скорости и блок вычисления углового ускорения и момента вращейия, второй блок вычисления углового положения соединен с восьмым входом блока вьиисления углового ускорения и момента вращения, первый и второй выходы которого соединены с,первым и вторым входами блока индикации, тре тий вход которого соединен с седьмым выходом блока вычисления угловой скорости,.а инверсный вход соединен с четвертым выходом первого блока вычисления углового положения и седьмым входом блока вычисления углового ускорения и моментов вращения, девятый вход которого соединен с третьим выходом первого блока вьиисления углового положения,2. Система по п. 1, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый из блоков вычисления углового положения выполнен в виде последовательно соединенных датчика считывания штрихов, Б усилителей, блока определения1582133 Выходной код преобразователя кодов Входной код поэ,17 и21 18 и 22 19 и 23 20 и 24 О 1 О О О 1 1 1 1 О ОО 1 1 1 1 О 1 1 1 1 О О О О О 1 О О 1 1 1 1 О О О 1 1 1 О О 1 1 1 1 О 1 1 1 1 1 О 1 1 1 1 О О 1 1 1 О О О 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1О О О 1, 1 О 1 1 О О О 1 О О О О О 1 О 1 О О 11 О О 1 О 1 1О 1 1 1 О 1 1О О 1 1 О О 1 1 О О 1 1 О направления движения и реверсивного счетчика, где И - количество фотоприемников в датчике считывания штрихов, причем датчик считывания штрихов вы 5 полнен в виде линеек из Б светодиодов и Б фотодиодов, расположенных параллельно оси вращения дисков, а штрихи нанесены на цилиндрической поверхности дисков наклонно к оси вращения, причем ширина наклонного штриха равна половине шага грубого отсчета, а высота составляет Б)/И высоты дисков, на остальной цилиндрической поверхности дисков расположен один штрих начальной установки прямоугольной формы у основания одного из на. клонных штрихов шириной, равной ширине наклонного штриха, и высотой 1/Б высоты дисков, блок различения направления движения содержит первый, второй, третий и четвертый преобразователи кода, первый и второй регистры, два элемента сравнения, блок одновибраторов, элементы ИЛИ и элемен ты задержки, причем одноименные входы преобразователей кода объединены исоединены с выходами Кусилителей,первые входы элементов сравнения объединены и соединены с выходом первогопреобразователя кода, информационныйвход первого регистра соединен с выходом третьего преобразователя кода,спнхронизирующие входы первого и. второго регистров объединены и. соединенычерез элементы. задержки. с,выходомэлемента ИЛИ, вход которого соединенс выходом блока одновибраторов, входкоторого соединен с выходом четвертогопреобразователя кода, вторые входыпервого и второго элементов сравнения соединены с выходами соответственно первого и второго регистров,вход первого элемента сравнения соединен с суммирующим входом, а выходвторого элемента сравнения с - с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход усилителя начальной установки соединен с входом обнуления реверсивного счетчика, 1582133. 5 сга атсчгта Фиг. Р гага лх юула отецт Составитель В. Парамонов Техред Л.Олийньп( Коррек ГШевкун Ре Мак тор ая раж изобретениям 5, Раушская наоизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Заказ 2086ВНИИПИ Государственного комитета113035, Москва,Лйа тИиИ рчола- ОГЮ. Подписноеткрьггиям при ГКНТ СЧСР д. 4/5