Фотоэлектрический датчик угла поворота накапливающего типа

 

Известны два типа фотоэлектрического датчика угловых перемещений: абсолютного считывания значений и с суммированием приращений относительно некоторого начального отсчета – репера. Второй тип называют датчиком накапливающего типа. Благодаря простоте конструкции, меньшей массе и габаритам, высокой надежности он широко применяется в микропроцессорных локальных системах.

Структурная схема фотоэлектрического датчика накапливающего типа отличается от структурной схемы индукционного цифрового датчика (рисунок 2.12) тем, что вместо вращающегося трансформатора используется фотоэлектрический преобразователь (рисунок 2.13).

 

Рисунок 2.13

 

В состав преобразователя входят следующие элементы: источник света; оптическая система, создающая параллельный пучок света; подвижный измерительный растр; неподвижный индикаторный растр; четыре фотоприемника и два балансных усилителя.

Подвижный измерительный растр представляет собой диск с равномерно чередующимися прозрачными и темными (светопоглощающими) элементами. Ось диска кинематически связана с осью выходного вала локальной системы.

Индикаторным растром является неподвижная диафрагма с четырьмя
щелями, шаг которых на 1/4 меньше шага темных элементов измерительного растра. Растровое сопряжение со стороны фотоприемников показано на рисунке 2.14, где   –шаг штрихов (темных элементов) измерительного растра.  

Такая конструкция растрового сопряжения позволяет сформировать четыре элементарных световых потока, которые фиксируются фотоприемниками и преобразуются в напряжения E ₁, E ₂, E ₃, E ₄.

 

 

 

Рисунок 2.14

На рисунке 2.15 показаны зависимости напряжений E ₁, E ₂, E ₃, E ₄ на выходах фотоприемников при повороте измерительного растра на угол j_вых, эквивалентный шагу решетки .

 

Рисунок 2.15

 

Попарным вычитанием напряжений E ₁ и E ₂, E ₃ и E ₄ балансные усилители формируют сигналы

 

,

 

.

 

При этом устраняются постоянные составляющие и четные гармоники, присутствующие в выходных сигналах фотоприемников.

Структурная схема фотоэлектрического преобразователя угла поворота j_вых в напряжения U _s и U _c показана на рисунке 2.16.

 

Рисунок 2.16

 

В микропроцессорных локальных системах применяют различные типы фотоэлектрических датчиков: с аналоговыми sin/cos сигналами и напряжением 5 В; с импульсными сигналами разрешением 1000, 2500 и 5000 имп/об и напряжением 10…30 В; с цифровыми кодированными сигналами разрядностью от 8 до 16 разрядов и напряжением 24 В.

При расчете фотоэлектрического датчика накапливающего типа ориентируются на диапазон изменения выходной переменной j_вых, допустимую погрешность локальной системы d_max и наименьшее число дискрет датчика N. Причем при большом диапазоне изменения переменной, ограниченном, например, верхним пределом [j_вых]_в= 90º, этот диапазон разбивают на поддиапазоны [ ∆ j_вых], каждому из которых должен соответствовать один оборот делительного диска. Для локальных систем обычно принимают [∆j_вых] = 18^о.

Примечание. Для систем с прямолинейным перемещением нагрузки, например, в станочных приводах подач, поддиапазон [ ∆ S ] принимают равным 2 мм: [ ∆ S ] = 2мм.

Расчет проводят с помощью следующих формул:

Допустимая ошибка измерения

 

d_изм = (0,3…0,5) d_max.

 

Шаг квантования по уровню

 

h = k· d_изм,

 

где 0 < k < 1. Обычно полагают k = 1/3.

Требуемое число дискрет на один оборот делительного диска датчика

 

.

Из ряда стандартных значений N, равных 1000, 2500 и 5000 дискрет/об. выбираем наименьшее значение N, удовлетворяющее условию N ³ N _тр.

Число разрядов реверсивного счетчика

 

.

 

Средняя квадратическая погрешность

 

 

Пример. Технологический стол с четырьмя деталями нужно каждые 30 с поворачивать на угол 90º. Требуется рассчитать круговой фотоэлектрический датчик накапливающего типа, если допустимая погрешность ∆ позиционирования составляет 2 мм, отнесенная к наружному диаметру стола D, равному 2000 мм.

Решение.

а) допустимая погрешность позиционирования, отнесенная к углу поворота

 

 угловых минут;

 

б) допустимая ошибка измерения

 

d_изм = (0,3…0,5) d_max = 0,48×6,9 = 3,3 угловых минут;

 

в) шаг квантования по уровню (цена дискреты) при k = 1/3

 

 угловых минут;

 

г) требуемое число дискрет на один оборот делительного диска при [∆j_вых] = 18^о

 

 дискрет /об.

 

По цене дискреты и требуемому числу дискрет выбираем датчик ВЕ-178 четвертого класса точности с числом N = 1000 дискрет/оборот.

д) число разрядов реверсивного счетчика

 

;

е) средняя квадратическая погрешность

 угловых минут.

Вопросы для проверки усвоения материала

 

1 Какие функции выполняют датчики и измерительные устройства в локальных системах?

2 Перечислите основные требования, предъявляемые к датчикам и измерительным устройствам рассогласования.

3 Какие устройства используются в качестве датчиков и измерителей рассогласования?

4 Назовите области применения потенциометрических датчиков и измерителей рассогласования.

5 Изобразите принципиальную схему потенциометрического измерителя рассогласования углового перемещения. Напишите уравнение связи выходной и входной переменной.

6 Назовите области применения измерительных устройств на сельсинах и вращающихся трансформаторах.

7 Изобразите статическую характеристику одноканального измерителя рассогласования на сельсинах. Покажите на рисунке, как можно определить коэффициент преобразования измерителя.

8 Изобразите одноканальную схему измерительного устройства на сельсинах. Укажите, что является входом и выходом устройства.

9 Для одноканального сельсинного измерителя рассогласования написать аналитическое выражение статической характеристики, коэффициента преобразования и указать его размерность.

10 Изобразите двухканальную схему измерителя рассогласования на сельсинах. Поясните принцип работы измерителя.

11 Поясните преимущества измерителя рассогласования на вращающихся трансформаторах по сравнению с измерителем на сельсинах.

12 Назовите область применения фотоэлектрических датчиков угловых перемещений. Перечислите достоинства датчиков.

Исполнительные устройства

 

Выбор элементов исполнительного устройства требует решения следующих задач: рассчитать мощность исполнительного двигателя и выбрать исполнительный двигатель; рассчитать передаточное число силового редуктора; определить требования к силовому преобразователю; составить передаточные функции элементов и исполнительного устройства.

Ниже расчеты приводятся для исполнительного устройства на основе двигателей постоянного тока. Однако приведенная методика расчетов может быть использована для исполнительных устройств на основе других типов двигателей.

Исходными данными для расчетов являются физические величины:

– при линейном перемещении нагрузки – масса m _н, сила сопротивления F _с.н, допустимые значения скорости V _н и ускорения a _н;

– при вращательном движении – момент инерции нагрузки J _н, момент сопротивления М _с.н, допустимые значения угловой скорости W_н и углового ускорения e_н.

Если некоторые величины не указаны, то их определяют расчетным путем.

 

3.1 Выбор исполнительного двигателя и расчет передаточного числа
редуктора при произвольном законе движения

 

В локальных системах применяют электрические, гидравлические и пневматические двигатели. Причем предпочтение отдают электродвигателям благодаря целому ряду их преимуществ.

В исполнительных механизмах используют как регулируемые двигатели постоянного тока с независимым возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, так и двигатели переменного тока.

Для передачи вращательного движения электродвигателя регулирующему элементу технической системы используют различные редукторы, а для преобразования вращательного движения в поступательное применяют шарико-винтовые пары, пары шестерня – рейка и другие.

В дальнейшем при проведении расчетов будем ориентироваться на применение двигателей постоянного тока. Эту методику можно использовать и при расчетах исполнительных механизмов с двигателями переменного тока.

Предварительно двигатель выбирают по требуемой механической мощности P _мх:

– при вращательном движении

 

,                                   (3.1)

 

– при поступательном движении

 

.                                   (3.2)

По потребной механической мощности из каталогов выбираем близкий по мощности двигатель

 

 ,                                (3.3)

 

где k _зап– коэффициент запаса, учитывающий возможное увеличение потребной
            мощности для динамических режимов движения, а также КПД
          двигателя и редуктора; при расчетах коэффициент рекомендуется
          выбирать из диапазона значений k _зап = [1,2…2,5].

При прочих равных условиях лучшим из двигателей данной мощности считается тот, у которого наибольший номинальный вращающий момент М_ДВ.ном и минимальный момент инерции ротора J _ДВ.

По номинальной скорости вращения ротора двигателя w_ДВ и максимальной скорости вращения нагрузки W_{н max} определяют необходимое передаточное число редуктора

или .                                  (3.4)

 

Передаточное число для поступательного движения нагрузки с максимальной скоростью V _{н max} рассчитывают по формуле

 

или .                                  (3.5)

 

При расчете исполнительного механизма используют дополнительные данные: КПД редуктора h = 0,8…0,9; момент инерции вращающихся частей редуктора, приведенный к оси вала двигателя J_р = (0,05…0,25) J _ДВ.

Для окончательного выбора двигателя его проверяют по потребному моменту, обеспечивающему заданные скорости и ускорения нагрузки. Потребный момент определяют по формулам:

при вращательном движении

;                    (3.6)

при поступательном движении

.                      (3.7)

Считают, что двигатель выбран правильно, если соблюдаются условия

 , .                      (3.8)

В противном случае следует заменить двигатель на более мощный.

Пример. Рассчитать параметры исполнительного механизма для вращательной степени подвижности робота по произвольному закону перемещения.

Момент инерции нагрузки J _н = 2 – 10 кг×м²;

статический момент сопротивления М _с.н = 15 Н×м;

допустимая угловая скорость поворота нагрузки W_н = 1,2 рад/с;

допустимое угловое ускорение e_н = 1,5 рад/с².

Расчет.

Потребная механическая мощность при J _н = 10 кг×м²:

 

Потребная мощность двигателя при  

Ориентируясь на двигатели постоянного тока, выбираем двигатель
СЛ-521.

Данные двигателя:

Р _ном = 77 Вт; w_ДВ = 315 с^-1; М _{ДВ ном} = 0,245 Н×м; М _{ДВ max} = 0,637 Н×м;
J _ДВ = 1,67×10^-4 кг×м².

Проверка двигателя по потребному моменту.

Необходимое передаточное число редуктора

 

. 

 

Потребный момент при h = 0,85

 

 

 

 

Используя неравенства (3.8), находим

 

 

 Н×м,

 

.

 

Следовательно, двигатель выбран правильно.