УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для бесконтактных абсолютных измерений угловых перемещений, преимущественно, резьбовых ходовых винтов эксплуатируемых в условиях повышенных механических и климатических нагрузок.
Известно устройство для определения угловых перемещений платформы грузоподъемной машины, содержащее корпус, датчик угла в виде магнитного энкодера, имеющий вал с опорой в виде подшипника скольжения, магнит и плату обработки, и зубчатое колесо, закрепленное на валу магнитного энкодера, RU №94332 U1, G01C 9/06, 20.05.2010.
Известное устройство, при наличии зубчатой передачи, имеет большие габариты, у него отсутствует возможность считывания информации об угле поворота зубчатого колеса дистанционно и оно не предназначено для абсолютных измерений угловых перемещений резьбовых ходовых винтов, что снижает его эксплуатационные возможности.
Известен датчик вращения зубчатого колеса, содержащий немагнитный корпус, магниточувствительный элемент на эффекте Холла, постоянный магнит, подвижный сердечник с резьбой, установленный соосно с магниточувствительным элементом, RU №84567 U1, G01B 7/14, G01B 7/30, G01P 1/02, G01P 3/488, 10.07.2009.
В конструкции известного устройства предусмотрен только один магниточувствительный элемент, что снижает его функциональные возможности при определении направления вращения зубчатого колеса.
Кроме того, известное устройство не предназначено, как для абсолютных угловых измерений, так и для измерения угловых перемещений резьбовых ходовых винтов, так как исполнительным звеном известного устройства является зубчатое колесо, а это снижает его эксплуатационные возможности.
Известен преобразователь угла поворота вала в последовательность электрических импульсов, включающий подвижный модуль в виде зубчатого колеса, сопряженного с объектом пользователя, и магнитный преобразователь с магниторезистивными элементами и электронным блоком, расположенный в корпусе и имеющий возможность дистанционного взаимодействия с венцом зубчатого колеса, RU №80550 U1, G01B 7/00, 10.02.2009.
Известное устройство позволяет определять направление вращения зубчатого колеса.
Недостатком известного устройства являются его сложная конструкция, большие габариты и масса, которые определяются размерами зубчатого подвижного модуля, включающего два зубчатых колеса и электронным блоком, который расположен отдельно по отношению к магниторезистивным элементам, что дополнительно усложняет электрическое соединение элементов конструкции.
Кроме того, известное устройство не предназначено как для абсолютных угловых измерений, так и для измерения угловых перемещений резьбовых ходовых винтов, так как исполнительным звеном известного устройства является зубчатое колесо, а это снижает его эксплуатационные возможности.
Известно устройство для измерения угловых перемещений, включающее подвижный модуль, сопряженный с объектом пользователя, и магнитный преобразователь, дистанционно взаимодействующий с подвижным модулем, установленный в корпусе с крышкой, содержащий магниточувствительные элементы, сопряженные с подвижным модулем, плату обработки, соединенную с магниточувствительными элементами, и постоянные магниты, установленные между платой обработки и магниточувствительными элементами, RU №104693, U1, G01B 7/00, 20.05.2011.
Данное техническое решение принято за ближайший аналог настоящей полезной модели.
Устройство ближайшего аналога используется в жестких климатических и механических условиях эксплуатации.
Магнитный преобразователь ближайшего аналога, как и магнитный преобразователь заявляемого устройства, установлен в корпусе с крышкой, содержит магниточувствительные элементы, плату обработки, соединенную с магниточувствительными элементами, и постоянные магниты, установленные между платой обработки и магниточувствительными элементами, обеспечивает высокую чувствительность устройства для измерения угловых перемещений.
Однако в ближайшем аналоге подвижный модуль выполнен в виде вала с зубчатым колесом.
Магниточувствительные элементы ближайшего аналога выполнены по отношению к венцу зубчатого колеса со смещением на величину, равную
p⋅(1/4 + n),
где p - шаг зубьев венца,
n - число зубьев (целое).
В ближайшем аналоге для обеспечения высокой чувствительности регистрации угла поворота зубчатое колесо подвижного модуля должно иметь большое число зубьев, а это увеличивает диаметр зубчатого колеса, габариты и массу всего устройства и одновременно усложняет его конструкцию. Изготовление зубчатого колеса высокой точности является сложной производственной задачей, включающей массу технологической операций, а это приводит к удорожанию устройства.
Кроме того, наличие в конструкции подвижного модуля крупногабаритного зубчатого колеса снижает эксплуатационные возможности устройства, ограничивая его использование в малогабаритной аппаратуре.
Кроме того, устройство ближайшего аналога не предназначено для абсолютных измерений угловых перемещений резьбовых ходовых винтов, так как исполнительным звеном известного устройства является зубчатое колесо, а это снижает его эксплуатационные возможности.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, позволяющей упростить конструкцию устройства, уменьшить габариты, расширить и повысить эксплуатационные возможности.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в упрощении и повышении компактности конструкции с возможностью использования преобразователя в малогабаритной аппаратуре, в повышении чувствительности работы преобразователя и в обеспечении абсолютных угловых измерений.
Согласно полезной модели эта задача решается за счет того, что устройство для измерения угловых перемещений включает подвижный модуль, сопряженный с объектом пользователя, и магнитный преобразователь, дистанционно взаимодействующий с подвижным модулем, установленный в корпусе с крышкой. Магнитный преобразователь содержит магниточувствительные элементы, сопряженные с подвижным модулем, плату обработки, соединенную с магниточувствительными элементами, и постоянные магниты, установленные между платой обработки и магниточувствительными элементами.
Подвижный модуль выполнен в виде вала с винтовой канавкой, образующей на поверхности вала чередующиеся выступы и впадины.
Выступы и впадины сопряжены с магниточувствительными элементами.
При этом ось вращения винтовой канавки расположена в плоскости магниточувствительных элементов и параллельно им.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящей полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображено устройство для измерения угловых перемещений, разрез.
Устройство для измерения угловых перемещений содержит:
Подвижный модуль в виде вала
- 1,
винтовую канавку (на модуле 1)
- 2,
выступы (образованы винтовой канавкой 2 на поверхности вала 1)
- 3,
впадины (образованы винтовой канавкой 2 на поверхности вала 1)
- 4.
Магнитный преобразователь
- 5,
корпус (преобразователя 5)
- 6,
крышку (корпуса 6)
- 7,
плату обработки (преобразователя 5 в корпусе 6)
- 8,
магниточувствительные элементы (преобразователя 5 на плате 8)
- 9,
постоянные магниты (между платой 8 и элементами 9)
- 10.
Устройство для измерения угловых перемещений включает подвижный модуль в виде вала 1 и магнитный преобразователь 5.
Подвижный модуль в виде вала 1 сопряжен с объектом пользователя.
Магнитный преобразователь 5 дистанционно взаимодействует с подвижным модулем в виде вала 1.
Магнитный преобразователь 5 установлен в корпусе 6 с крышкой 7 и содержит магниточувствительные элементы 9, плату обработки 8 и постоянные магниты 10.
Магниточувствительные элементы 9 сопряжены с подвижным модулем 1. Плата обработки 8 соединена с магниточувствительными элементами 9. Постоянные магниты 10 установлены между платой обработки 8 и магниточувствительными элементами 9.
Подвижный модуль выполнен в виде вала 1 с винтовой канавкой 2.
Винтовая канавка 2 образует на поверхности вала 1 чередующиеся выступы 3 и впадины 4.
Выступы 3 и впадины 4 сопряжены с магниточувствительными элементами 9.
При этом ось вращения винтовой канавки 2 расположена в плоскости магниточувствительных элементов 9 и параллельно им.
Крышка 7 защищает плату обработки 8 с магниточувствительными элементами 9 и постоянными магнитами 10 от механических и климатических воздействий.
Плата обработки 8 содержит электроэлементы (показаны условно), участвующие в обработки электрических сигналов, идущих с магниточувствительных элементов 9 (микроконтроллер, резисторы, конденсаторы).
Магниточувствительные элементы 9 магнитного преобразователя 5 сопряжены с выступами 3 и впадинами 4 подвижного модуля в виде вала 1 и имеют возможность дистанционного взаимодействия с ними.
В зависимости от конструктивного выполнения подвижного модуля в виде вала 1 с винтовой канавкой 2, образующей на поверхности вала 1 чередующиеся выступы 3 и впадины 4, и в зависимости от конструктивного выполнения магниточувствительных элементов 9 величина смещения магниточувствительных элементов 9 относительно друг друга обычно составляет 1,25-4 шага винтовой канавки 2.
Магниточувствительный элемент 9 представляет собой специальную микросхему прямоугольной формы (например, 2SA-10 фирмы Sentron AG), в которой используется эффект Холла.
Устройство для измерения угловых перемещений осуществляет измерения следующим образом.
При вращении подвижного модуля в виде вала 1 выступы 3 и впадины 4, образованные винтовой канавкой 2, перемещаются в зоне срабатывания магниточувствительных элементов 9, при этом происходит изменение параметров магнитного поля воздействующего на магниточувствительные элементы 9, расположенные на плате обработки 8 с зазором по отношению к магнитному преобразователю 5 и электрически связанные с ней.
За один оборот (360°) подвижного модуля в виде вала 1 выступы 3 и впадины 4 перемещаются вдоль магниточувствительных элементов 9 на величину шага винтовой канавки 2.
Каждому угловому перемещению подвижного модуля в виде вала 1, в пределах одного оборота, соответствует оригинальное положение выступов 3 и впадин 4 напротив магниточувствительных элементов 9.
При этом магниточувствительные элементы 9 формируют последовательности электрических сигналов, близких по форме к синусоидальным и частотой равной частоте вращения подвижного модуля в виде вала 1. Далее электрические сигналы с магниточувствительных элементов 9 преобразуется другими электроэлементами (показаны условно) платы обработки 8 в электрический сигнал требуемого формата, пропорциональный величине поворота подвижного модуля в виде вала 1, который по кабелю связи передается в устройство регистрации (условно не показано).
Так как сама винтовая канавка 2 является трехмерной пространственной кривой, то это обеспечивает абсолютные угловые измерения положения выступов 3 и впадин 4 в пределах одного оборота для двух каналов магнитного преобразователя 5.
Выполнение винтовой канавки 2 с чередующимися выступами 3 и впадинами 4 на поверхности вала 1 подвижного модуля просто в изготовлении и может быть выполнено на современном оборудовании с погрешностью менее одного микрометра, что обеспечивает высокую точность и чувствительность выполнения выступов 3 и впадин 4, как различного профиля, так и с различным числом заходов на валу 1, что позволяет упростить конструкцию устройства.
В пределах оборота перемещение выступов 3 и впадин 4 мимо магниточувствительных элементов 9 может составлять несколько микрометров, тем самым обеспечивается высокая чувствительность, как линейных измерений перемещения выступов 3 и впадин 4, так и абсолютных угловых измерений вала 1 с винтовой канавкой 2, что расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Наличие же двух магниточувствительных элементов 9 обеспечивает считывание информации одновременно с двух резьбовых выступов 3 и впадин 4 винтовой канавки 2, что позволяет дублировать результаты измерений, а это расширяет и повышает эксплуатационные возможности устройства.
Винтовая канавка 2 может быть выполнена на валу подвижного модуля 1 малого диаметра, что уменьшает диаметральные габариты подвижного модуля и в целом всего устройства, а это расширяет возможность его использования в малогабаритной аппаратуре, тем самым расширяет эксплуатационные возможности его применения.
Расположение оси вращения винтовой канавки 2 в плоскости магниточувствительных элементов 9 и параллельно им обеспечивает сопряжение магниточувствительных элементов 9 с выступами 3 и впадинами 4, и одновременно позволяет достичь высокой плотности компоновки конструкции.
Предложенное устройство для измерения угловых перемещений изготовлено промышленным способом в ОАО «СКБ ИС», и проведенные испытания опытной партии, обусловливают, по мнению заявителя, его соответствие критерию «промышленная применимость».