SU746658A1 - Shaft angular position-to-code converter - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к автоматике в вычислительной технике, в частности к оптико-электронным устройствам дл  представлени  аналоговых величин в дискретной форме , и предназначено дл  использовани  в координатно-расточных станках с програм-мным управлением в навигационных комплексах . . Известны преобразователи, у которых лимб точной системы отсчета установлен на одном валу с модулирующей маской, приводимом во вращение электродвигателем. Импульсы съема информации с лимбов точной и грубой систем отсчета формируютс  сигналами фотоприем«йка, регистрирующего световой поток с растровых колец {I}. Наличие в преобразователе электродвигател  снижает надежность и преп тствует получению высокой точности пресйбразовани  угла поворота вала в код из-за бо  подшипников электродвигател . Наиболее близким техническим решением к данному  вл етс  преобразователь угла . поворота вала в код, содержащий последовательно установленные источники света, модулирующий лимб, закрепленный на кольцевом камертоне, соединенный с выходным валом , измерительный лимб с кодовой дорожкой грубого отсчета, световод и фотоприемник , соединенные через усилители с отсчетным блоком |2j. В этом преобразователе дискретность съема информации ограничиваетс  шириной штрихов измерительного лимба и считывающих щелей, котора  может быть доведена до Ю мкм, что, например, при диаметре лимбов 200 мм дает дискретность измерени  угла 20 угл. с. и дальнейшее повышение точности ведет к неоправданному, росту габаритов преобразовател . Кроме того, при смене разр дов погрешность нанесени  штрихов и считывающих щелей на лимбах пр мо входит в конечный отсчет. Конечный отсчет может быть получен только после сн ти  двух отсчетов, разнесенных во времени , а это приводит к большим динамическим погрешност м и даже .сбою информации при вращении выходного вала. Целью изобретени   вл етс  повышение точности к надежности преобразовател . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в преобразователе угла поворота вала вThe invention relates to computerized automation, in particular, opto-electronic devices for presenting analog values in a discrete form, and is intended for use in coordinate-boring machines with program control in navigation complexes. . Known converters, in which the limb of the exact reference system is mounted on the same shaft with a modulating mask, driven in rotation by an electric motor. The pulses of information retrieval from the limbs of the exact and coarse reference systems are formed by photodetection signals, recording the light flux from the raster rings {I}. The presence of an electric motor in the converter reduces the reliability and prevents obtaining a high precision of the compression of the angle of rotation of the shaft into the code due to the motor bearings. The closest technical solution to this is an angle transducer. a shaft turning into a code containing successively installed light sources, a modulating limb mounted on an annular tuning fork, connected to an output shaft, a measuring limb with a coarse reference code track, a light guide and a photodetector connected through amplifiers to a reading unit | 2j. In this converter, the sampling resolution of information is limited by the width of the strokes of the measuring limb and the reading slits, which can be brought to 10 microns, which, for example, with a diameter of 200 mm, gives an indication of the measurement angle of 20 angles. with. and a further increase in accuracy leads to an unjustified increase in the size of the converter. In addition, when changing bits, the error in applying strokes and reading slits on the limbs is included directly in the final count. The final count can be obtained only after removing two samples, which are separated in time, and this leads to large dynamic errors and even failure of information during rotation of the output shaft. The aim of the invention is to improve the accuracy to reliability of the converter. The goal is achieved by the fact that in the converter of the angle of rotation of the shaft in

кол на измерительный лимб концеитричио с кодовой дорожкой нанесена кольцева  дорожка точного отсчета с радиальным штриховым растром и дополнительна  дорожка грубого отсчета, а на модулирующий лимб нанесена кольцева  дорожка с радиальным штриховым растром, причем выход фотоприемника точного отсчета через усилитель подключен к источникам света грубого отсчета .A counting track with a radial dashed raster and an additional coarse track is plotted on the measuring endpoctricio limb with a code track, and a circular track with a radial dashed ramp is plotted on the modulating limb, and the output of the exact readout photodetector is connected via an amplifier to the coarse light sources.

Одновременный съем информации с большого числа штрихов точной дорожки измерительного лимба позвол ет за счет осреднени  значительно уменьшить вли ние погрешностей нанесени  отдельных штрихов на точность отсчета, при этом дискретность отсчета определ етс  частотой импульсов, заполн ющих временной интервал, соответствующий углу поворота вала, а не шириной штрихов, что позвол ет получить дискретность отсчета угла в дес тые доли угловой секунды. Нанесенные на одном лимбе дорожки грубого и точного отсчета исключают возможность взаимного рассогласовани  отсчетов, а подключение импульсных источников света грубого отсчета через усилител1з к фотоприемнику точного отсчета исключает неорфеделенность считывани  на границах смены разр дов в грубом отсчете, при этом выполн ютс  услови  согласовани  грубого и точного отсчета, так как съем информации с дорожки грубого отсчета осуществл етс  по сигналам фотоприемника точного отсчета. Введение дополнительной дорожки грубого отсчета позвол ет путем однократного съема информации восстановить позиционный код в грубом отсчете, тем самым , исключить динамические погрешности и увеличить быстродействие преобразовател ,The simultaneous removal of information from a large number of strokes of the exact track of the measuring limb makes it possible, due to averaging, to significantly reduce the influence of individual strokes on the accuracy of the reference, while the discreteness of the reference is determined by the frequency of the pulses that fill the time interval corresponding to the angle of rotation of the shaft, not the width strokes, which allows to obtain the discreteness of the angle in tenths of an arc second. Coarse and accurate counting tracks applied on one limb exclude the possibility of mutual mismatch of counts, and connecting coarse pulsed light sources through amplifiers to an accurate count photodetector eliminates irrelevance of reading at coarse count limits, while coarse and precise counting conditions are met. as the information is retrieved from the coarse track by the signals of the photodetector of the exact reference. The introduction of an additional coarse track allows, by a single readout of information, to restore the positional code in a coarse readout, thereby eliminating dynamic errors and increasing the speed of the converter,

На чертеже представлена функциональна  схема преобразовател  угла поворота вала в код.The drawing shows a functional diagram of the converter angle of rotation of the shaft in the code.

Преобразователь выполнен следующим образом.The Converter is made as follows.

Кольцевой источник света I и источники 2 света грубого отсчета (светодиоды), число которых равно числу разр дов грубого отсчета; установлены перед модулируюHiHM лимбом 3. Модулирующий лимб 3 закреплен на кольцевом камертоне 4, приводимом в колебательное движение системой возбуждени , состо щей из катушек 5 возбуждени  и обратной св зи 6, расположенных на посто нных магнитах 7, и усилител  8, ко входу которого подключена катущка обратной св зи 6, а к выходу - катушка 5 возбуждени . Измерительный лимб 9 жестко св занный с выходным вйлом 10, установлен непосредственно за модулирующим лимбом 3.An annular light source I and a coarse-read light source 2 (LEDs), the number of which is equal to the number of coarse read bits; mounted in front of the modulating HiMB limb 3. The modulating limb 3 is mounted on an annular tuning fork 4, which is driven into oscillatory motion by an excitation system consisting of excitation coils 5 and feedback 6 placed on permanent magnets 7, and an amplifier 8 whose input is connected to a coil feedback 6, and to the output - excitation coil 5. The measuring limb 9 is rigidly connected to the output plate 10, mounted directly behind the modulating limb 3.

На модулирующий лимб 3. нанесена кольцева  дорожка с радиальным штриховым растром П (щел ми), а на измерительOn the modulating limb 3. there is an annular track with a radial dashed raster P (crevice), and on the meter

ный лимб 9 того же радиуса и с тем же шагом нанесена кольцева  дорожка точного отсчета с радиальным штриховым растром 12, за которым установлен световод 13 и далее фотоприемннки 14 точного отсчета. 5 Считывающие щели 15 нанесены на том же радиусе, что и кодова  дорожка 16 грубого отсчета и дополнительна  дорожка 17 грубого отсчета; Фотоприемники 18 и 19 грубого отсчета установлены за кодовыми дорожками 16 и 17 измерительного лимба против считывающих щелей 15.The same limb 9 with the same radius and with the same step is applied to the ring track of the exact reference with the radial stroke pattern 12, behind which the light guide 13 and then the photodetector 14 of the exact reference are installed. 5 The read slots 15 are marked on the same radius as the coarse code track 16 and the coarse additional track 17; Photodetectors 18 and 19 of a rough reference are set behind the code tracks 16 and 17 of the measuring limb against the reading slits 15.

Выходы фотоприемников 14, 18 и 19 подключены ко входам соответствующих усилителей 20, 21 и 22. К выходу усилител  20 подключены импульсные источники 2 светаThe outputs of the photodetectors 14, 18 and 19 are connected to the inputs of the respective amplifiers 20, 21 and 22. Pulse sources of light 2 are connected to the output of amplifier 20

j и вход электронного блока 23 точного отсчета , в котором формируютс  младшие разр ды позиционного кода. Выходы усилителей 21 и 22 подключены ко входам соответствующих электронных блоков 24 и 25, в которых происходит обработка первичнойj and the input of the electronic unit 23 of the exact reading, in which the lower bits of the position code are formed. The outputs of the amplifiers 21 and 22 are connected to the inputs of the corresponding electronic units 24 and 25, in which the processing of the primary

информации грубого отсчета. Выходы электронных блоков 23, 24 и 25 подключены к входным шииам выходного регистра 26. Выход усилител  8 системы возбуждени  камертона подключен ко входу регистра 26, разS решающему запись в регистр, и к блоку 27 задержки. Выход блока 27 задержки подключен ко входам установки в исходное состо ние электронных блоков 23, 24 и 25. Электронные блоки 23, 24, 25, блок 27 задержки и выходной регистр 26 - состав л ют отсчетный блок 28. rough reference information. The outputs of the electronic units 23, 24 and 25 are connected to the input widths of the output register 26. The output of the exciter 8 of the tuning fork excitation system is connected to the input of the register 26, which determines the recording in the register, and to the delay 27. The output of the delay unit 27 is connected to the installation inputs of the initial state of the electronic units 23, 24, and 25. The electronic units 23, 24, 25, the delay unit 27, and the output register 26 are the reading unit 28.

Преобразователь работает следующим образом .The Converter operates as follows.

Световой поток от кольцевого источника света 1 поступает на модулирующие щелиThe luminous flux from the annular light source 1 enters the modulating slots

5 11 модулирующего лимба 3 и далее на дорожку точного отсчета 12 измерительного лимба 9. При колебани х камертона 4 колеблетс  и модулирующий лимб 3, укрепленный на этом камертоне, а следовательно, ко.леблютс  и щели II. При совпадении щелей II с прозрачными штрихами 12 дорожек точного отсчета }ja фотоприемннк 14 поступает световой поток, в противном случае - нет. Световые импульсы преобразуютс  фотбприемником 14 в электрические. Длительиость импульсов зависит от взаимного углового положени  модулирующего и измерительного лимбов. При повороте вала 10 поворачиваетс  и св занный с ним измерительный лимб 9, что приводит к изменению длительности импульсов фотоприемника 14.5 11 of the modulating limb 3 and further on the track of the exact reference 12 of the measuring limb 9. With oscillations of the tuning fork 4, the modulating limb 3, fastened on this tuning fork, and therefore the co-lobs and the slit II also oscillates. If the gaps II coincide with the transparent strokes of 12 tracks of exact counting} ja photodetector 14, the luminous flux enters, otherwise it does not. The light pulses are converted by the photo receptacle 14 into electrical ones. The duration of the pulses depends on the mutual angular position of the modulating and measuring limbs. When the shaft 10 is rotated, the measuring limb 9 associated with it is rotated, which leads to a change in the duration of the pulses of the photodetector 14.

Вследствие синусоидального характера движени  модулирующего лимба 3 изменение длительности импульсов от угла поворота вала 10 носит арксинусный характер:Due to the sinusoidal nature of the movement of the modulating limb 3, the change in the duration of the pulses from the angle of rotation of the shaft 10 is arcsine:

t J- are sint J- are sin

/Г / Y

где t-изменение длительности;where t is the change in duration;

(I) - кругова  частота колебаний ка мертона;(I) - circular frequency of oscillations of the car tone;

У - угол повороУз вала; Л амплитуда колебаний камертона в угловой мере.Y is the angle of rotation of the shaft; L oscillation amplitude of the tuning fork in the angular measure.

Длительность t определ етс  как временной интервал между начальным импульсом , вырабатываемым усилителем 8 системой возбуждени  камертона 4, м моментом совпадени  модулирующей щели II с границей прозрачного и непрозрачного штриха дорожки точного отсчета 12 измерительного лимба 9.The duration t is defined as the time interval between the initial pulse produced by the amplifier 8 by the excitation system of the tuning fork 4, by the moment when the modulating slit II coincides with the border of the transparent and opaque stroke of the track of the exact reading 12 of the measuring limb 9.

Таким образом, по длительности т можно судить об угле поворота вала f. Преобразование длительности импульса в двоичный код производи ьс  любым известным способом, например, подсчетом числа заполн ющих импульсов.Thus, the duration of the t can be judged on the angle of rotation of the shaft f. The conversion of the pulse duration into a binary code is carried out with any known method, for example, counting the number of filling pulses.

Информаци  с дорожек 16 и 17 грубого отсчета измерительного лимба 9 снимаетс  в момент совпадени  модулирующих щелей 1 модулирующего лимба 3 с границами П1трихов дорожки 12 точного отсчета измерительного лимба 9 подачей импульса напр жени  с усилител  20 фотоприемника 14 точного отсчета на импульсные источники 2 света. Выбор этого момента времени обусловлен тем, что в это врем  щели 11 модулирующего лимба 3 занимают положение против 111трихов (прозрачных или непрозрачных ) дорожек 16 и 17 грубого отсчета измерительного лимба 9 и тем самым исключаетс  неопределенность считывани  на границах смепы разр дов в грубом отсчете и вы-, полн ютс  услови  согласовани  грубого и точного отсчета, так как съем информации с дорожек грубого отсчета осуществл етс  по сигналам фотоприемника точного отсчета.The information from the tracks 16 and 17 of the rough reading of the measuring limb 9 is captured at the time of the coincidence of the modulating slots 1 of the modulating limb 3 with the boundaries P1 of the tracks of the exact reading track 12 of the measuring limb 9 by applying a voltage pulse from the amplifier 20 of the exact receiving photodetector 14 to the pulsed light sources 2. The choice of this point in time is due to the fact that at this time the slots 11 of the modulating limb 3 occupy a position against the 111triches (transparent or opaque) tracks 16 and 17 of the coarse reading of the measuring limb 9, thereby eliminating the uncertainty of the reading at the edges of the discharge bits in the rough reading and you -, the conditions of coarse and precise readout are full, since the information is retrieved from the coarse read tracks using the signals of the exact readout photodetector.

Световые импульсы от импульсных источников 2 света, восприн тые фотоприемниками 18 и 19 грубого отсчета, усиленные соответствующими усилител ми 21 н 22; поступают в электронные блоки 24 и 25.Light pulses from pulsed sources of light 2, perceived by photodetectors 18 and 19 of a rough reference, amplified by respective amplifiers 21 and 22; enter electronic components 24 and 25.

При повороте измерительного лимба 9 в. пределах первого сектора дорожки 16 грубого отсчета с фотоприемников 18 снимаетс  с помощью щелей 15 обьмлый двоичный позиционный код. При дальнейшем повороте измерительного лимба 9 после смены секторов разр ды циклически мен ютс  местами . Дл  восстановлени  позиционного кода необходим один циклический сдвиг всего кода назад. При дальнейшем увеличении угла поворота вновь произойдет циклическа  перестановка разр дов и дл  восстановлени  позиционного кода потребуетс  произвести два циклических сдвига всего кода и т. д. Задача определени  положени  разр дов решаетс  с помощью дорожки 17, однозначный код которой воспринимаетс  фотоприемниками 19, усиливаетс  усилител ми 22 и дешифрируетс  блоком 25. На выходе блока 25 в результате дешифрации по вл етс  позиционный код, который одновременно представл ет собой самые старшие разр When turning the measuring limb 9 in. within the first sector of the coarse track 16, the photodetectors 18 are removed using the slit 15, the binary position code. Upon further rotation of the measuring limb 9 after the change of sectors, the bits cyclically change places. To restore the positional code, one cyclic shift of the entire code is necessary. As the angle of rotation increases further, cyclic permutation of the bits will occur again and to restore the positional code, two cyclic shifts of the entire code will be required, etc. The task of determining the position of the bits is solved using track 17, the unique code of which is perceived by the photoreceivers 19, amplified by amplifiers 22 and is decrypted by block 25. At the output of block 25, as a result of the decryption, a positional code appears, which is at the same time the most senior

ды выходного кода и указывает число сдви гов, необходимых дл  восстановлени  пози цнонного кода в блоке 24, прин вшем информацию с дорожки 16 измерительного лимба 9 с помощью фотоприемийков 18 и усиленных усилител ми 21.output code and indicates the number of shifts required to restore the position of the code in block 24, which received information from track 16 of measuring dial 9 using photodetectors 18 and amplified amplifiers 21.

Полный код об угловом положении вала хранитс  в выходном регистре 26, на который поступает информаци  с блока 23 точного отсчета и блоков 24, 25 грубого отсчета . Запись информации в выходной регистрThe full code for the angular position of the shaft is stored in the output register 26, which receives information from the precision reference unit 23 and the coarse reference units 24, 25. Writing information to the output register

осуществл етс  начальным импульсом с усилител  8 системы возбуждени  камертона. Этот же импульс устанавливает блоки 23, ,24 и 25 в состо ние, готовое к приему новой информации.carried out by the initial pulse from the amplifier 8 of the tuning fork excitation system. The same impulse sets blocks 23, 24 and 25 into a state ready to receive new information.

Выполнение на одном /1имбе дорожекRun on one / 1IMB tracks

точного и грубого отсчетов исключает возможность их взаимного рассогласовани , а нанесение описанным выше образом штрихов на лимбах позвол ет сократить число кольцевых дорожек без уменьшени  требуемой разр дности, что уменьшает габариты преобразовател . Введение кольцевого камертона в качестве привода модулирующего лимба исключает погрешности бо  подшипников и нестабильности скорости вращени , а отсутствие трущихс  частей сушествеиноaccurate and coarse readings exclude the possibility of their mutual mismatch, and applying the strokes on the limbs in the manner described above reduces the number of ring tracks without reducing the required size, which reduces the size of the converter. The introduction of an annular tuning fork as a drive for a modulating limb eliminates errors in bo bearings and instability of rotational speed, while the absence of moving parts does not exist

повышает надежность преобразовател  в целом и допускает работу в услови х глубокого вакуума.increases the reliability of the converter as a whole and allows operation in high vacuum conditions.

Проведенные испытани  макета преобразовател  показали высокую чувствительность (дес тые доли угловой секуиды), при диаметре лимбов 60 мм, малое энергопотребление и высокую надежность.The tests performed on the layout of the converter showed high sensitivity (tenth fractions of the angle secued), with a limb diameter of 60 mm, low power consumption and high reliability.

Claims (2)

Формула изобретени Invention Formula 3535 Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий последовательно размещенные источники света, модулирующий лимб, закрепленный на кольцевом камертоне, соединенный с выходным валом, измерительный лимб с кодовой дорожкой грубого отсчета , световод и фотоприемники, соединенные через усилители с отсчетным блоком, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и надежности преобразовател  наA shaft rotation angle converter into a code containing successively placed light sources, a modulating limb mounted on an annular tuning fork, connected to an output shaft, a measuring limb with a coarse reference code track, a light guide and photodetectors connected through amplifiers to a reading unit, characterized in that in order to increase the accuracy and reliability of the converter on измерительный лимб коннентрично с кодовой дорожкой нанесена кольцева  дорожка точного отсчета с радиальным штриховым растром и дополнительна  дорожка грубого отсчета, а на модулирующий лимб нанесенаThe measuring limb with a code track is marked with an accurate reference ring track with a radial dashed raster and an additional rough reading track, and a modulating limb is marked кольцева  дорожка с радиальным штриховым растром, причем выход фотоприемника точного отсчета через усилитель подключен к источникам света грубого отсчета. .ring track with a radial raster raster, and the output of the photodetector accurate reading through the amplifier connected to the light sources of a rough reference. . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизеSources of information taken into account in the examination I. Авторское свидетельство СССРI. USSR author's certificate № 167448, кл, G 08 С 9/06.No. 167448, CL, G 08 C 9/06. 2. Авторское свидетельство СССР № 430422, кл. G 09 С 9/06, 1972 (прототип).2. USSR author's certificate No. 430422, cl. G 09 C 9/06, 1972 (prototype).