ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам преобразования информации в информационно-измерительной технике и автоматике и может быть использована в области автоматизации производства в качестве датчика обратной связи в системах управления перемещением рабочих органов станков, промышленных роботов, грузоподъемных кранов и других машин.
В настоящее время датчики, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относятся, в частности, устройства, описанные в книге «Проектирование датчиков для измерения механических величин /Под ред. Е.П. Осадчего. - М. Машиностроение, 1979, с.276-280». Они состоят из кольцевого каркаса, на который намотана изолированная проволока. По верхней грани каркаса скользит щетка движка (токосъемника) потенциометра, закрепленная на валике, установленном в центре каркаса с возможностью вращения. Изоляция проволоки для обеспечения электрического контакта со щеткой зачищена. Валик электрически изолирован от щетки.
Напряжение питания датчика подают через два крайних зажима обмотки каркаса. Выходной сигнал датчика снимают между одним из крайних зажимов и щеткой движка. При повороте валика выходной сигнал меняется в соответствии с текущим положением щетки. По сути, он характеризует угловое положение валика. Если валик датчика кинематически соединить с рабочим органом управляемой машины, то выходной сигнал датчика и становится сигналом обратной связи.
Устройства - аналоги довольно просты, однако имеют существенный недостаток - малый (0,8-0,9 окружности) диапазон преобразования угла поворота входного валика в выходной электрический сигнал. Для устранения этого недостатка потенциометрические датчики, принципиально подобные описанному, последовательно соединяют друг с другом через механические передачи, либо выполняют конструктивно иначе, многооборотными. Первый путь сложен и неэкономичен. Второй же проще и дешевле. Прототипом предлагаемого датчика, в связи с этим, является именно многооборотный потенциометрический датчик, устройство которого реализует именно второй путь.
Датчик, принятый за прототип, описан в книге «Либерман Я.Л. Предпроектная подготовка разработки систем ЧПУ металлорежущими станками, - Екатеринбург: БКИ, 2010. С.92». Он содержит установленные в корпусе пустотелый цилиндрический каркас, на внутреннюю образующую поверхность которого соосно с ней размещены проволочная спираль закрепленная на концах каркаса, винт, расположенный параллельно оси каркаса внутри него, и токосъемник, изолированный от винта, закрепленный на нем с помощью гайки с возможностью перемещения вдоль оси винта без вращения и взаимодействующий со спиралью. Винт установлен в корпусе на опорах вращения, каркас закреплен неподвижно, изоляция проволоки для электрического контакта с токосъемником зачищена.
При эксплуатации датчика - прототипа на концы проволоки подается электрическое напряжение. Выходной сигнал датчика снимается между одним из концов проволоки и токосъемником. Винт кинематически соединяется с механизмом, перемещение звеньев которого измеряется. При перемещении этих звеньев (например, рабочего органа машины) винт поворачивается, токосъемник смещается вдоль оси винта, и выходной сигнал датчика изменяется, характеризуя текущее положение звеньев механизма.
Многооборотный потенциометрический датчик - прототип достаточно прост, имеет широкий диапазон преобразования, но у него имеются и свои недостатки. Главный из них - низкая разрешающая способность (относительно малое число достоверно различных градаций выходного сигнала). Он обусловлен тем, что при смещении токосъемника вдоль оси винта выходной сигнал датчика изменяется с дискретностью, определяемой длиной витка спирали, намотанной на каркас, а эта длина равна 2πR, где R - радиус каркаса. Диаметр каркаса составляет ~30 мм, поэтому длина витка равна ~95 мм. Но большая длина витка - большие градации выходного сигнала (они равны , где L - длина проволоки из которой изготовлена спираль), а значит, и малое их число.
Задачей разработки предлагаемой полезной модели является устранение описанного недостатка, а именно повышение разрешающей способности многооборотного потенциометрического датчика. Т.е. увеличение числа достоверно различимых градаций выходного сигнала, причем без уменьшения диапазона преобразования и, как следствие, повышение точности датчика.
Технически решение задачи достигается тем, что потенциометрический датчик, содержащий цилиндрический каркас, на поверхности которого размещена проволочная спираль, закрепленная на концах каркаса, винт, установленный параллельно оси каркаса с возможностью вращения, и токосъемник, изолированный от винта, закрепленный на нем с помощью гайки с возможностью перемещения вдоль оси винта без вращения и взаимодействующий со спиралью, отличается от прототипа тем, что он снабжен поворотным валом, механической передачей, соединяющей винт с валом, двумя дополнительными токосъемниками, установленными на концах каркаса изолированно от него. При этом каркас установлен на валу, а на поверхности спирали по всей ее длине намотана обмотка из изолированной проволоки, концы которой соединены с дополнительными токосъемниками.
8
7
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого потенциометра. Она содержит смонтированные в корпусе цилиндрический каркас 1, на поверхности которого размещена проволочная спираль 2, концами закрепленная на концах каркаса, винт 3, установленный параллельно оси каркаса 1 с возможностью вращения, и токосъемник 4, изолированный от винта 3, закрепленный на нем с помощью гайки 5 с возможностью перемещения вдоль оси винта 3 без вращения и взаимодействующей со спиралью 2. Кроме этого, он снабжен поворотным валом 6, механической передачей, состоящей из двух зубчатых колес 7 и 8, соединяющей винт 3 с валом 6, двумя дополнительными токосъемниками 9 и 10, установленными на концах каркаса 1 изолированно от него. При этом каркас 1 установлен на валу 6, а на поверхность спирали 2 по всей ее длине нанесена обмотка 11 из изолированной проволоки (на фиг.1 условно изображен ее фрагмент), концы которой соединены с дополнительными токосъемниками 9 и 10. Через токосъемники 9 и 10 с помощью шариковых щеток подводится напряжение питания к обмотке 11. С помощью токосъемника 4 с потенциометра снимается выходной сигнал (им является напряжение между токосъемником 4 и одним из токосъемников 9 или 10). Гайка 5 выполнена разрезной из двух половинок, разжимаемых пружиной. Это делает передачу винт 3 - гайка 5 безлюфтной. Аналогично, безлюфтной выполнена передача из колес 7-8. Для этого колесо 7 изготовлено из двух полуколес, соединяемых болтами. При настройке датчика полуколеса смещаются друг относительно друга в окружном направлении, и зазор в зацеплении колес 7 и 8 устраняется. Для согласованного движения токосъемника 4 и каркаса 1 колеса 7 и 8 выбраны 2 из условия , где S - шаг винта 3, p - шаг намотки спирали 2, Zи Z - числа зубьев колес 8 и 7, соответственно.
При использовании датчика поверхность обмотки 11, контактирующую с токосъемником 4, зачищают. Винт 3 кинематически соединяют с рабочим органом машины, о перемещениях которого требуется получить сигнал обратной связи, подлежащий вводу в систему управления этим рабочим органом. Через токосъемники 9 и 10 подают напряжение на обмотку 11. Выходной сигнал датчика при перемещении рабочего органа будет изменяться и тем самым характеризовать это перемещение. В то время, как в прототипе число достоверно различимых градаций выходного сигнала датчика было равно числу витков спирали, намотанной на каркас, в предлагаемом датчике число таких градаций будет равно числу таких витков, умноженному на число витков обмотки 11 на одном витке спирали 2. Это обеспечит соответствующее повышение разрешающей способности датчика. Следствием этого будет повышение точности измерения перемещения упомянутого выше рабочего органа, поскольку точность рассматриваемого датчика прямо пропорциональна его разрешающей способности. Диапазон же измерения при этом не уменьшается.
Таким образом, в конечном итоге, техническим результатом разработки предлагаемой полезной модели является повышение разрешающей способности датчика и, как следствие, его точности.