Преобразователь круговых перемещений

 

Изобретение относится к оптическим фотоэлектрическим преобразователям угловых перемещений с абсолютным отсчетом и предназначается для автоматизации измерений углов в оптическом приборостроении, машиностроении, станкостроении. Цель изобретения состоит в упрощении конструкции. Датчик круговых перемещений содержит систему шкал грубого и точного отсчетов в виде спирали Архимеда и радиальных штрихов, выполненных на плоской дисковой основе, узел подсветки шкал, оптические проекционные каналы снятия отсчетов, установленные неподвижно вне оси вращения, фотоприемники и электронную систему обработки сигналов при измерении углов. В датчике размещены системы шкал грубого и точного отсчетов в виде спирали Архимеда, радиальных штрихов и окружности на одном, имеющем свободу вращения, диске. В плоскостях изображения неподвижных проекционных каналов снятия отсчетов установлены матричные фотоприемники, обеспечивающие оптико-электрическую редукцию для прецизионного измерения углов. 1 ил.

Изобретение относится к оптическим фотоэлектрическим преобразователям прецизионных угловых перемещений с абсолютным отсчетом углов и предназначается для автоматизации измерений и передачи углов в приборостроении, машиностроении, станкостроении и других областях техники.

Известны различные типы преобразователей круговых перемещений. К ним относятся кодовые преобразователи, в которых используются лимбы с нанесенными на них кодовыми дорожками. В некоторых преобразователях на самой точной дорожке ставится не один, а несколько фотоприемников. Обработка сигналов, получаемых с этих фотоприемников, позволяет разделить шаг точной дорожки лимба еще на 4-5 частей. Разрешающая способность кодовых преобразователей определяется величиной шага дорожки младшего разряда, который практически ограничивается ≈ 10 мкм.

К недостаткам кодовых преобразователей круговых перемещений следует отнести сложность изготовления лимбов с несколькими кодовыми дорожками, большие габариты из-за наличия нескольких лимбов, необходимость дополнительных оптических каналов двухстороннего отсчета для исключения ошибки эксцентриситета кодовых дорожек относительно оси вращения.

Другой тип преобразователей круговых перемещений растровые, которые имеют подвижный и неподвижный растровые диски с нанесенными на них штрихами (ОМП, 1974, N 8, с.64-71; ОМП, 1984, N 8, с.50-57). В качестве приемников служат несколько отдельных фотодиодов, на выходах которых при вращении подвижного лимба появляются сигналы, сдвинутые относительно друг друга по фазе. Специальное электрическое устройство считает число периодов сигналов, получаемых с фотодиодов. Производится усреднение по нескольким одновременно работающим штрихам. Для повышения точности отсчета стремятся уменьшить шаг растра, применяя дифракционные решетки и используя муаровый эффект. В этом варианте изображение одного из участков лимба с помощью оптической системы проецируется на диаметрально противоположный участок, в результате чего наблюдаются муаровые полосы, которые при вращении лимба перемещаются в радиальном направлении. Перпендикулярно рискам размещают четыре фотоприемника, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти ширины муаровой полосы.

Недостатками растровых преобразователей круговых перемещений являются сложность изготовления растров и дифракционных решеток, имеющих большое количество штрихов, наличие дополнительного неподвижного растра, что усложняет конструкцию и увеличивает габариты преобразователя. При использовании же дифракционных решеток рабочие сигналы сильно ослабляются, что приводит к усложнению электронной схемы обработки сигналов. Кроме того, все возрастающие требования повышения точности преобразователей и связанное с этим уменьшение шага растра приводит к увеличению их стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению можно считать преобразователь угловых перемещений с оптико-механической интерполяцией (Карасик Б.А. Пивоварова Л.Н. и Маркова Г.С. Элементы цифровых систем управления, Наука, 1971, с.143; ОМП, 1974, N 8, с.64-71). В этом преобразователе деление шага шкалы или растра производится с помощью оптико-механического устройства, работающего в режиме сканирования или отслеживания. В качестве сканирующего элемента точного отсчета используется несколько витков спирали Архимеда. Наименьшее деление кодовой шкалы неподвижного диска с помощью многоэлементной оптической системы проецируется в плоскость вращающегося лимба со спиралью Архимеда и штриховой шкалой. Шаг спирали равен интервалу между соседними изображениями штрихов проецируемого участка кодовой шкалы неподвижного лимба. За сканирующей шкалой и спиралью Архимеда установлены несколько фотоприемников, с которых снимаются счетные импульсы фототока, образующиеся при прохождении штрихов шкалы лимба.

Такого типа преобразователи круговых перемещений имеют следующие недостатки: большие габариты и сложность конструкции, поскольку в них система точного отсчета реализована на двух лимбах на неподвижном лимбе в виде штрихов и на подвижном в виде нескольких витков спирали Архимеда, перемещающихся по изображению шкалы неподвижного лимба. Этим лимбам требуется прецизионная юстировка взаимной соосности. Кроме того, конструкцию усложняют несколько кодовых дорожек и оптические системы проекции противоположных участков лимба для устранения эксцентриситета. В рассмотренных датчиках углового вращения получение высокой точности за счет ужесточения допусков на параметры отдельных деталей и узлов связано с большими технологическими и конструктивными трудностями и приводит к удорожанию этих преобразователей.

Целью изобретения является упрощение конструкции при сохранении прецизионной точности отсчета углов.

Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений, содержащий системы грубого и точного отсчета углов, две проекционные системы, оптически связанные с соответствующей системой отсчета, элемент учета эксцентриситета, блок подсветки систем грубого и точного отсчетов, фотоприемники, установленные в системе на выходе излучения из систем грубого и точного отсчетов углов, и электронную систему обработки сигналов, отличается тем, что в нем система точного и грубого отсчета выполнена в виде одного диска со шкалой точного отсчета из радиальных штрихов и со шкалами грубого отсчета в виде окружности и одного витка спирали Архимеда, каждая из проекционных систем выполнена из объектива с линейным увеличениемV|≥1^х, система учета влияния эксцентриситета выполнена из объектива с линейным увеличением не меньше увеличения объектива проекционной системы и оптически сопряженного с одним из фотоприемников, блок подсветки выполнен из светодиодов, а фотоприемники выполнены матричными.

На чертеже изображен общий принцип построения преобразователя круговых перемещений.

Преобразователь содержит плоский диск (лимб) 1, имеющий свободу вращения вокруг оси 00₁, на котором нанесены шкала 2 в виде радиальных штрихов для точного отсчета, шкала 3 в виде одного витка спирали Архимеда и окружность 4 для грубого отсчета. Окружность 4 является началом отсчета приращений радиуса-вектора Δρ_i спирали, а следовательно, и углов поворота Δϕ_i лимба 1, а также линий отсчета эксцентриситета лимба 1 относительно неподвижного фотоприемника.

Над шкалой 2 точного отсчета установлен неподвижный проекционный объектив 5 с увеличениемV_т| > 1^х, в плоскости изображения которого находится матричный фотоприемник 6, например ПЗС-линейка.

Над шкалой 3 грубого отсчета размещен неподвижный объектив 7, проецирующий изображение шкалы 3 с увеличениемV_г≥ 1^х в плоскость матричного ПЗС фотоприемника 8. Этот же фотоприемник 8 производит регистрацию смещения шкалы лимба 1 из-за эксцентриситета с помощью окружности 4 и дополнительной оптической ветви 7' с линейным увеличениемV_э| > 1^х. Все шкалы имеют подсветку от светодиодов 9. Для устранения влияния эксцентриситета при измерении угла ϕ_i оптические каналы с объективами 5 и 7 устанавливают на взаимно перпендикулярных радиусах лимба 1. В этом случае поперечное смещение от эксцентриситета шкалы 2 лимба в канале точного отсчета регистрируетcя на фотоприемнике 8 через оптическую ветвь 7' в виде смещения Δ l окружности 4 относительно неподвижного начала ПЗС приемника 8. Чтобы ошибка в угле ϕ_i от эксцентриситета не превышала ошибку отсчета угла в точном канале, оптически сопряженная ветвь 7' должна иметь линейное увеличениеV_э| > 1^х или в общем случае не меньше увеличения точного канала V_т, т.е. V_э≥V_т. Это обеспечивает в целом прецизионную точность преобразователя круговых перемещений.

Выбор шага а спирали Архимеда (шкалы 3) ограничивается линейными размерами l' ПЗС-линейки 8 и зависит от линейного увеличения V_г объектива 7 грубого канала от- счета, т.е. a Повороту лимба 1 на угол ϕ= 360^о соответствует смещение спирали на ПЗС-линейке 8 на величину шага а. Например, при V_г -1^х, размере чувствительной части ПЗС-линейки l' 10 мм шаг спирали а 10 мм. Интервал между двумя соседними штрихами шкалы 2 выбирается таким, чтобы при проецировании шкалы 2 на ПЗС-линейку 6 интервал между штрихами заполнялся в соответствии с требуемой точностью соответствующим n-количеством ячеек ПЗС-линейки 6. Таким образом, осуществляется оптико-электронная редукция в зависимости от требуемой точности отсчета. Разделив угловую цену деления одного интервала шкалы 2 на число заполнивших его ячеек ПЗС-линейки после увеличенияV_т> 1^х, получают угловую величину шага при перемещении штриха шкалы 2 на одну ячейку ПЗС канала точного отсчета.

Принцип измерения углов и функциональное взаимодействие каналов грубого и точного отсчетов состоит в следующем. При повороте лимба 1 в плоскости изображения неподвижного проекционного объектива 7 канала грубого отсчета V_г -1^х на ПЗС-линейке 8 происходит смещение изображения спирали Архимеда относительно окружности 4 на величину Δρ ρ_i-ρ_o= (ϕ_i-ϕ_o) · Δϕ_i или для угла поворота лимба имеем Δϕ_i= где а шаг спирали Архимеда; ρ_i- радиус-вектор спирали, соответствующий определенному углу поворота ϕ_i; ρ_o- начальный радиус-вектор спирали на ПЗС-линейке при ϕ_o 0^о.

Одновременно с перемещением спирали по ПЗС-линейке 8 канала грубого отсчета в канале точного отсчета перемещаются радиальные штрихи шкалы 2 в плоскости изображения объектива 5, сопряженной с ПЗС-линейкой 6. Поле заранее проведенной калибровки на соответствие положения линии шкалы 3 (на ПЗС-линейке 8) каждому штриху шкалы 2 (на ПЗС-линейке 6) однозначно определяется, какой штрих шкалы 2 находится в данный момент в зоне чувствительной площадки ПЗС-линейки 6. Следовательно, с точностью до одного интервала становится известно, на какой угол Δϕ_i повернулся лимб 1 от начала отсчета. Определив с точностью до одного интервала угол поворота лимба 1 с помощью спирали Архимеда, производят считывание с прецизионной точностью доли интервала на ПЗС-линейке 6 в канале точного отсчета. После введения поправок в угол поворота от ошибок эксцентриситета, аберраций оптических каналов, температурных воздействий получают окончательный угол поворота ϕ_i.

Таким образом, в предлагаемом преобразователе круговых перемещений с абсолютным отсчетом угла наличие одного поворотного лимба с системой шкал грубого и точного отсчетов и матричных фотоприемников, установленных в плоскостях изображения каналов грубого и точного отсчетов, позволяет отказаться от использования в нем двух или более кодовых дисков. Такой принцип построения по сравнению с известными устройствами обеспечивает уменьшение габаритов и упрощение конструкции. При этом сохраняется прецизионная точность измерения углов. При тех же требованиях к точности отсчета углов, что и в существующих, предлагаемый преобразователь может иметь меньший диаметр из-за введения оптико-электронной редукции, связанной с заполнением интервала между штрихами лимба ячейками матричного фотоприемника.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КРУГОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий системы грубого и точного отсчета углов, две проекционные системы, оптически связанные с соответствующей системой отсчета, элемент учета эксцентриситета, блок подсветки систем грубого и точного отсчета, фотоприемники, установленные в системе на выходе излучения из систем грубого и точного отсчета углов, и электронную систему обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, система точного и грубого отсчета выполнена в виде одного диска со шкалой точного отсчета из радиальных штрихов и со шкалами грубого отсчета в виде окружности и одного витка спирали Архимеда, каждая из проекционных систем выполнена из объектива с линейным увеличением система учета влияния эксцентриситета выполнена из объектива с линейным увеличением не меньше увеличения объектива проекционной системы и оптически сопряженного с одним из фотоприемников, блок подсветки выполнен из светодиодов, а фотоприемники выполнены матричными.

РИСУНКИ

Рисунок 1