МНОГООБОРОТНЫЙ АБСОЛЮТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к области контроля угловых перемещений объектов, в частности контроля параметров вращения барабана лебедки, приводного винта механизма подачи или мерного колеса.
В настоящее время существует несколько принципов преобразования угловых перемещений, которые используются при создании измерителей. Раньше использовались преимущественно параметрические преобразователи такие, как потенциометрические, емкостные, индуктивные преобразователи угловых перемещений. Долгое время использовались вращающие трансформаторы. Многие преобразователи, которые для удобства использования требуют преобразование аналогового сигнала в код, имеют нелинейную характеристику. Для измерения скорости вращения используются тахогенераторы, а также измерение скорости осуществляется путем измерения приращения угла поворота вала за единицу времени. С развитием цифровой техники и современных технологий наиболее прогрессивным стало использование преобразования угла поворота вала в импульсные сигналы, временные характеристики которых пропорциональны углу поворота вала, а также непосредственное преобразование сигналов в код.
Известно устройство для измерения угла поворота вала по патенту РФ №2020408, (51) G01B 21/00, (45) 30.09.1994, состоящее из корпуса, в котором установлен модулятор с возможностью вращения вокруг своей оси, с нанесенной на нем периодической мерой с одним маркированным штрихом, трех импульсных датчиков, коммутатора, амплитудного дискриминатора, формирователя строб-импульса, переключателя режимов, блока управления, последовательно соединенных блока измерения временных интервалов, блока усреднения, блока вычисления и регистратора.
Недостатками известного технического решения является то, что устройство для измерения угла поворота вала является однооборотным, не абсолютным и требует преобразования временного интервала в код.
Известен многооборотный цифровой датчик угла поворота высокой точности по патенту США №3560961, (51) H03k 13/00; G08c 9/00, (45) 02.02.1971, включающий два барабана, на поверхностях которых нанесены резистивные кодовые комбинации, которые считываются при помощи щеток, причем первый барабан соединен с входным валом непосредственно, а второй - через редуктор.
К недостаткам известного технического решения можно отнести ненадежный съем кодовой комбинации щетками, малую разрешающую способность при заданных габаритах датчика, а также невозможность измерять скорость вращения.
Известно устройство для измерения угловых перемещений объекта по патенту РФ №2306526, (51) G01B 11/26, G01P 3/36, (45) 20.09.2007, которое наряду с измерением угла, также измеряет скорость и ускорение углового перемещения. Рассматриваемое устройство включает в себя лазер, две цилиндрические линзы, между которыми располагается модулятор, после второй линзы установлены три фотоприемника, сигналы с которых поступают через свой формирователь на схему обработки сигналов. Схема обработки сигналов включает в себя: ключ, два счетчика, три индикатора, два триггера, дешифратор, сдвиговый регистр, генератор импульсов, элементы «И-НЕ» и «И», два делителя, задатчик и умножитель.
Недостатками известного технического решения является то, что устройство для измерения угловых перемещений объекта является однооборотным, не абсолютным, а также измерение малых скоростей осуществляется с большой погрешностью.
Наиболее близким устройством к заявляемому по совокупности признаков, является «Многооборотный абсолютный измеритель угловых перемещений» по патенту США (11) 5025563, (51) G01B 7/30, (45) 25.06.1991, принятый за прототип. Данное устройство включает в себя два однооборотных преобразователя «угол-код», редуктор, причем вал первого преобразователя является входным валом многооборотного абсолютного измерителя угловых перемещений, а вал второго преобразователя соединен с входным валом через редуктор. По разности кодов преобразователей определяется количество оборотов входного вала, а часть неполного оборота входного вала определяется по коду первого преобразователя.
К недостаткам известного технического решения, принятого за прототип, можно отнести то, что оно не измеряет скорость, а увеличение количества измеряемых оборотов входного вала достигается увеличением последовательно соединенных звеньев, состоящих из редуктора и однооборотного преобразователя «угол-код». Такое решение приводит к увеличению длины многооборотного абсолютного измерителя угловых перемещений, что иногда бывает неприемлемым.
Задачей настоящей полезной модели является создание оптимальной конструкции многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений в соответствии с требуемым заданием, а также повышение точности измерений угла поворота и скорости вращения входного вала. Особенностью при использовании предлагаемого устройства является повышение точности измерений малых скоростей.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерений угла поворота и скорости вращения вала, а также обеспечение оптимальной компоновки многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений в код.
Указанный технический результат достигается тем, что в многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений, содержащий входной вал, два однооборотных преобразователя «угол-код» и редуктор, дополнительно введены: блок обработки информации и второй редуктор. При этом входной вал первого преобразователя «угол-код» соединен с входным валом преобразователя угловых перемещений через первый понижающий редуктор, а входной вал второго преобразователя «угол-код» соединен с входным валом преобразователя угловых перемещений через второй редуктор, коэффициент редукции которого больше или равен единице, а при коэффициенте редукции равном единице второго редуктора, входной вал второго преобразователя «угол-код» соединен с входным валом многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений через второй редуктор или непосредственно с входным валом многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений. Входы блока обработки информации подключены к выходам однооборотных преобразователей «угол-код», по выходным кодам которых формируются значения угла поворота входного вала и его скорость вращения.
Схема многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений изображена на фиг.1. На фиг.2 - изображены два варианта выходных кодов первого (K≡α) и второго (k≡β) однооборотных преобразователей «угол-код», поясняющих принцип обработки информации.
Заявляемое устройство включает в себя: входной вал 1, понижающий редуктор 2, первый однооборотный преобразователь 3 «угол-код», блок 4 обработки информации, второй однооборотный преобразователь 5 «угол-код» и второй редуктор 6. Входной вал 1 механически связан с валом первого однооборотного преобразователя 3 «угол-код» через понижающий редуктор 2, а с валом второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код» через второй редуктор 6. Входы блока 4 обработки информации соединены с выходами однооборотных преобразователей 3 и 5 «угол-код».
Использование второго редуктора 6 и блока 4 обработки информации в многооборотном абсолютном преобразователе угловых перемещений позволяет с повышенной точностью измерять как угол поворота, так и скорость вращения входного вала, особенно при малых скоростях вращения. Кроме того, используя для каждой конкретной задачи различные типы редукторов и выбирая необходимые коэффициенты передачи для них, возможна оптимизация конструкции многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений в соответствии с требуемым заданием.
Многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений работает следующим образом. При повороте входного вала 1 на угол φ, входной вал первого однооборотного преобразователя 3 «угол-код» повернется на угол:
через понижающий редуктор 2 с коэффициентом передачи «N», а входной вал второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код» повернется на угол:
через второй редуктор 6 с коэффициентом передачи «n».
При полном обороте второго однооборотного преобразователя 5 (угол β=360°) входной вал повернется на угол:
а входной вал первого однооборотного преобразователя 3 повернется на угол:
1
Полное число оборотов вала второго однооборотного преобразователя 5 равно целой части числа отношения α и α:
max
Входной вал первого однооборотного преобразователя 3 «угол-код» может повернуться на угол не более 360° (угол α=360°).
На выходе первого однооборотного преобразователя 3 «угол-код» формируется код:
1
где m - число разрядов выходного кода первого однооборотного преобразователя 3.
Значение угла поворота входного вала 1 пропорционально коду «K» первого однооборотного преобразователя 3 «угол-код»:
При подстановке в формулу 5 значения формул 1, 3, 4 и 7, получим
На выходе второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код» формируется код:
2
где m - число разрядов выходного кода второго однооборотного преобразователя 5;
1
β - угол поворота входного вала второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код» в пределах полного оборота, при каждом последующем обороте его значения будут повторяться;
2
φ - приращение значения угла поворота входного вала 1 многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений в пределах полного оборота входного вала второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код».
Значение приращения угла поворота входного вала пропорционально коду «k» второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код»:
max
Максимальное число M оборотов входного вала второго однооборотного преобразователя 5 будет определяться по формуле при одном обороте входного вала первого однооборотного преобразователя 3 ():
при этом число оборотов входного вала 1 в «n» раз меньше и равно «N».
Значение угла поворота входного вала 1 определяется по формуле:
Выходные коды «K» и «k» первого и второго однооборотных преобразователей 3 и 5 поступают на входы блока 4 обработки информации для определения значения полного угла поворота входного вала и его скорости вращения. Угол поворота входного вала 1 определяется по формуле 12, а скорость определяется по приращению угла за единицу времени или, при малых скоростях, по отношению заданного приращения угла к измеренному времени этого приращения.
τ1
τ2
Если коэффициенты «N» и «n» преобразования редукторов 2 и 6 кратны степени числа 2, то упростится обработка информации и уменьшится время обработки. Если выбрать N=2, а n=2, то тогда угол поворота входного вала 1 будет:
(τ1+τ2)
1
2
1
При умножении двоичного кода на 2 необходимо к коду добавить (τ+τ) младших разрядов с нулевыми значениями (см. фиг.2), а при делении на  необходимо отбросить m младших разрядов, при этом оставшиеся разряды представляют собой код целой части числа от деления (см. фиг.2). Значение  в формуле 13 это значение угла поворота входного вала 1 при полном обороте вала второго однооборотного преобразователя 5.
1
2
Рассмотрим на числовых примерах обработку информации однооборотных преобразователей 3 и 5, выходные коды которых 12-ти разрядные, то есть m=m=m=12.
Вариант 1
5
2
Коэффициент передачи понижающего редуктора 2 равен N=2=32, а коэффициент передачи второго редуктора 6 равен n=2=4.
Целая часть числа
1
1
1
где K численно равен коду K, у которого «отброшены» 5 младших разрядов (смотри фиг.2 вариант 1), то есть «5» разряд кода K соответствует «0» разряду кода K. Значение  и  подставив в формулу 13, получим φ=90°·K+0,021972656250°·k - это значение угла поворота входного вала 1.
Вариант 2
5
Коэффициент передачи понижающего редуктора 2 равен N=2=32, a коэффициент передачи второго редуктора 6 равен n=2°=1. При коэффициенте передачи второго редуктора 6 равном единице возможны два варианта:
- использование второго редуктора, если это необходимо для обеспечения оптимальной компоновки многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений в код, когда ось входного вала 1 многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений не совпадает с осью вала второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код»;
- исключение второго редуктора 6, когда ось входного вала 1 многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений совпадает с осью входного вала второго однооборотного преобразователя 5 «угол-код», при этом входной вал 1 многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений соединяется непосредственно с валом второго однооборотного преобразователя 5.
Целая часть числа
1
1
1
где K численно равен коду K, у которого «отброшены» 7 младших разрядов (смотри фиг.2 вариант 2), то есть «7» разряд кода K соответствует «0» разряду кода K. Значение  и  подставив в формулу 13, получим φ=360°·K+0,087890625°·k это значение угла поворота входного вала 1 многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений.
Анализ первого и второго вариантов показал, что в первом варианте дискретизация показаний в n-раз меньше, чем во втором, но в первом варианте при этом вносится дополнительная погрешность передачи за счет второго редуктора 6, хотя эта погрешность меньше выигрыша за счет дискретизации. Особенное преимущество имеет первый вариант, когда из конструктивных соображений направление оси входного вала 1 не совпадает с направлением оси вала второго однооборотного преобразователя 5, то есть все равно необходим второй редуктор 6. Уменьшение дискретизации показаний возможно при увеличении разрядности второго однооборотного преобразователя 5, но оно имеет свой предел, так как погрешность преобразования при этом не уменьшается и становится соизмеримой с величиной дискретизации, даже превышает ее. В случае превышения дискретизации теряется смысл в увеличении разрядности. Использование дополнительного редуктора и блока обработки информации позволяет повысить точность измерения угла поворота и скорости вращения входного вала, особенно при измерении малых скоростей. Кроме того, использование редукторов определенного типа, например, редуктор с конической передачей, редуктор с червячной передачей и т.п. позволяет оптимизировать габаритные размеры многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений.
Анализ аналогичных технических решений показал, что применение предлагаемого преобразователя угловых перемещений обеспечивает, по сравнению с известными устройствами, следующие преимущества:
- позволяет повысить точность измерения угла поворота и скорости вращения входного вала, особенно при контроле скорости вращения вала на малых скоростях;
- позволяет использовать многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений в конструкциях с ограничением размеров.