ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения и контроля углов поворота, угловых скоростей и угловых ускорений валов различных механизмов, например при исследованиях моментных механизмов свободного расцепления автоматических выключателей в электротехнике.
Известны фотоэлектрические датчики, содержащие закрепленный внутри корпуса на валу непрозрачный плоский диск с радиальными пазами заданной ширины, светодиодные излучатели и фотодиодные приемники излучения, размещенные по обе стороны диска на поверхности корпуса (см. описания к авторским свидетельствам СССР №378789, G02f 7/00; №560137, G01B 11/26; №1276905 G01B 11/26, а также описание «Преобразователи угловых перемещений производства СКБ ИС (Санкт-Петербург)» в рекламном Каталоге продукции ВЭМ3-СПЕКТР, стр.28-30, 2003 год, копии страниц 28-30 прилагаются к материалам заявки). Применение светодиодных излучателей и фотодиодных приемников позволило получить компактные конструкции датчиков угла с приемлемой точностью измерения. Однако при изготовлении датчиков требуется точная регулировка положения каждой пары «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения» относительно паза диска и относительно соседних пар «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения». На регулировки затрачивается до 27% суммарной трудоемкости изготовления датчика. Такие затраты связаны с отсутствием конструктивных элементов, создающих условия для повышения точности регулировки и облегчающих условия регулировки. Наиболее близким прототипом к заявляемой полезной модели является датчик по изобретению СССР №560137, G01B 11/26.
Прототип содержит корпус 1, (см. рисунок в описании изобретения №560137, G01B 11/26), установленный на корпусе неподвижный 5, а на валу 3 подвижный плоский диск 4 с растром, светодиодные излучатели 9 и фотодиодные приемники излучения 6, размещенные по обе стороны дисков на торцах цилиндрического корпуса 1. Светодиодные излучатели 9 смонтированы в отдельных несущих кронштейнах 10 в виде шаровых опор, которые стопорятся прижимами 11. В прототипе предусмотрена регулировка угловых положений осей светодиодов с целью корректировки диаграмм направленности излучения посредством вращения шаровых опор и стопорения их прижимами. Однако, современные фотооптические пары «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения» для целей измерения перемещений, скоростей, ускорений (например, датчики типа НОА091-012 PBF фирмы HONEY, которые применены в заявляемой полезной модели) изготавливаются и поставляются потребителям в отдельных кронштейнах с прорезью для вращающегося диска с пазами, (растрами). При их изготовлении уже решены вопросы согласования диаграмм направленности светодиода и фотодиода. Поэтому необходимость в регулировках, аналогичных применяемым в прототипе, отпадает. Но для повышения точности измерения, кодирования углового положения, определения направления вращения, вокруг диска с пазами (или растрами) размещают несколько кронштейнов с парами «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения», которые относительно ширины пазов диска и относительно друг друга должны быть точно выставлены. Точная установка кронштейнов относительно пазов (растра) диска без конструктивных элементов регулировки трудоемкая и длительная регулировочная операция, а при размерах пазов величиной менее 0,3 мм практически малоосуществима. Поэтому в заявляемой полезной модели введены котировочные конструктивные элементы, облегчающие условия регулировки и повышающие точность регулировки.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает следующий технический результат:
- повышение точности регулировки датчика угла за счет введения новых конструктивных элементов;
- повышение стабильности и повторяемости точностных характеристик датчика при серийном производстве;
- уменьшение трудоемкости регулировочных работ при изготовлении датчиков в производстве за счет сокращения времени регулировки на 37-45% в зависимости от модификации конструкции.
- получение экономического эффекта в виде стоимости сэкономленных трудозатрат на регулировку за вычетом стоимости изготовления новых конструктивных элементов.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что датчик угла поворота, содержащий корпус, установленный на валу непрозрачный плоский диск с радиальными пазами заданной ширины, светодиодные излучатели и фотодиодные приемники излучения, размещенные по обе стороны диска на цилиндрической поверхности корпуса и смонтированные попарно в отдельных несущих кронштейнах с прорезями для диска, а также стопорные винты, снабжен ползунами с параллельными плоскости диска двумя гранями и с резьбовыми отверстиями на торцах, первыми и вторыми резьбовыми стойками, специальными винтами, на концах которых выполнены резьбы с разными шагами нарезки, а на цилиндрической части корпуса изготовлены лыски с направляющими боковыми поверхностями, параллельными плоскости диска, и с расстоянием между направляющими поверхностями, равным расстоянию между гранями ползунов, при этом несущие кронштейны закреплены на ползунах, установленных с возможностью перемещения по направляющим поверхностям лысок вдоль ширины радиального паза, один конец специального винта ввинчен в резьбовое отверстие ползуна, выполненное таким образом, что его ось параллельна граням ползуна и совпадает с осями резьбовых отверстий первой и второй стоек, а второй конец специального винта ввинчен в первую резьбовую стойку, стопорный винт установлен во второй резьбовой стойке с возможностью контактирования с торцом ползуна, первая и вторые резьбовые стойки закреплены на корпусе напротив противоположных торцов каждого ползуна, при чем величина разницы между шагами резьбы на концах специального винта выбрана минимальной, а величина перемещения ползунов с несущими кронштейнами - не менее ширины радиального паза.
Снабжение датчика угла поворота ползунами с параллельными плоскости диска двумя гранями и с резьбовыми отверстиями на торцах, первыми и вторыми резьбовыми стойками, специальными винтами, на концах которых выполнены резьбы с разными шагами нарезки, а также изготовление на цилиндрической части корпуса лысок с направляющими боковыми поверхностями, параллельными плоскости диска, и с расстоянием между направляющими поверхностями, равным расстоянию между гранями ползунов обеспечило возможность более точно регулировать положение каждой пары «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения» относительно паза диска и относительно соседних пар «светодиодный излучатель - фотодиодный приемник излучения». Повышенная точность и сокращение времени регулировки достигается за счет закрепления кронштейнов с парой «светодиод-фотодиод» на ползунах, которые перемещаются только в одном направлении вдоль ширины паза по боковым поверхностям лысок. При этом исключена необходимость устранять перекосы кронштейнов с парами «светодиод-фотодиод» относительно оси паза, совпадающей с радиусом диска.
Специальный винт, на концах которого выполнены резьбы с разными шагами нарезки и один конец которого ввинчен в резьбовое отверстие ползуна, а второй - в первую резьбовую стойку, позволяет с высокой точностью, плавно без перерегулировки перемещать пару «светодиод-фотодиод» вдоль ширины паза. Это возможно благодаря выбору минимальной разницы между шагами нарезки резьб на концах специального винта, так как при повороте специального винта на один оборот ползун перемещается вдоль ширины паза только на величину этой разницы. Созданы возможности для автоматизации регулировки путем вращения специального винта программируемым автоматом-манипулятором.
Обеспечение в полезной модели точных микроперемещений ползунов с несущими кронштейнами вдоль всей ширины паза (не менее его ширины) без перекосов дает возможность точно позиционировать каждую пару «светодиод-фотодиод» относительно краев паза вдоль его ширины, то есть дает возможность установки каждой пары «светодиод-фотодиод» относительно друг друга с требуемым для работы датчика смещением. Процесс регулировки становится более стабильным с высокой повторяемостью точности регулировки, что важно при серийном производстве.
Установка стопорного винта во второй резьбовой стойке с возможностью контактирования с торцом ползуна, совпадение осей резьбовых стоек и осей специального и стопорного винтов обеспечивают точную фиксацию с выборкой люфтов отрегулированного положения ползунов, а, следовательно, и пар «светодиод-фотодиод» датчика угла поворота.
Предлагаемая полезная модель может использоваться в серийном производстве измерительных датчиков для повышения точности регулировки датчиков угла поворота при их изготовлении, а также для повышения производительности регулировочных работ с получением экономического эффекта в виде стоимости сэкономленных трудозатрат на регулировку за вычетом стоимости изготовления новых конструктивных элементов.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг.1-6. На фиг.1 изображен общий аксонометрический вид датчика угла поворота. На фиг.2 показано внутреннее устройство датчика в аксонометрии. Фиг.3 представляет осевой разрез датчика, проходящий через вал и диск с пазами, а также через один кронштейн с фотодиодом и светодиодом и через один из ползунов. На фиг.4 изображено сечение А-А (см. фиг.3), проходящее через плоскость диска с пазами и через оси симметрии ползунов, кронштейнов, резьбовых стоек и оси специального и стопорного винтов. На фиг.5 дано увеличенное изображение узла регулировки, состоящего из ползуна, первой и второй резьбовых стоек, специального и стопорного винтов. Фиг.6 показывает вид Б (см. фиг.5) на установку ползуна и резьбовых стоек между направляющими поверхностями лыски корпуса.
Датчик угла поворота содержит корпус 1 (см. фиг.2 и фиг.3) с установленным на подшипниках качения 2 валом 3. На внутреннем конце вала закреплен непрозрачный плоский диск 4 с радиальными пазами 5 заданной ширины В. На внешнем конце вала 3 закреплен приводной фланец 6 и приводной шкив 7. Фланец 6 имеет отверстия 8. С помощью отверстий 8 датчик подсоединяется к исследуемому объекту, угол поворота которого измеряется. Вращение на вал 3 датчика от исследуемого объекта может быть передано также на шкив 7. Диск 4 радиальными пазами 5 вращается внутри прорезей 9 трех несущих кронштейнов 10 (см. также фиг.3 и фиг.4). В каждом несущем кронштейне 10 по разным сторонам диска 4 напротив пазов 5 установлен светодиодные излучатель (светодиод) 11 и фотодиодный приемник излучения (фотодиод) 12, диаграммы излучения и приема которых согласованы и не требуют регулировки. Для обеспечения точной регулировки положения каждой пары «светодиод-фотодиод» 11, 12 по ширине В радиального паза 5 и взаимного положения пар относительно друг друга, несущие кронштейны 10 закреплены на бобышках 13 ползунов 14. Для перемещения ползунов 14 вдоль ширины В паза 5 и сохранения при этом симметричного размещения плоскости диска 4 относительно стенок паза 9 на цилиндрической части корпуса 1 выполнены три лыски 15 (см. на фиг.1 фиг.4). Каждая лыска имеет направляющие боковые поверхности 16 на цилиндрической части корпуса. Направляющие боковые поверхности 16 параллельны плоскости диска 4, а расстояние между направляющими поверхностями, равно расстоянию между гранями 17 ползунов 14. Напротив торцев каждого ползуна (см. фиг.4-6) закреплены резьбовые стойки: первая 18 с резьбовым отверстием для специального винта 19, вторая 20 с резьбовым отверстием для стопорного винта 21. На концах специального винта 19 выполнены резьбы 22 и 23 (см. на фиг.5). Шаги резьб 22, 23 разные. Разница между шагами нарезки резьбы 22 и резьбы 23 выбрана минимальной из стандартного ряда шагов, например 0,5-0,45=0,05 мм. Соответствующие резьбы выполнены в резьбовых стойках 18 и ползунах 14. Для стопорения специального винта 19 в стойке 18 предусмотрена гайка 24, а для стопорения ползуна 14 на специальном винте 19 - стопорный винт 21. Диаметр резьбы стопорного винта 21 больше диаметра резьбового отверстия в ползуне 14 и стопорение ползуна происходит путем осевого нажатия стопорным винтом на торец ползуна. При стопорении производится полная выборка зазоров в резьбовом соединении «ползун-специальный винт» без перекосов ползуна. Для усиления и формирования сигналов, поступающих от фотодиодов, и подачи питания на светодиоды в датчике угла поворота установлена плата управления 25, а для связи с измерительным комплексом - электрические разъемы 26 (см. фиг.1, 2, 3).
Работает датчик угла поворота следующим образом. Вал 3, а, следовательно, и непрозрачный плоский диск 4 с радиальными пазами 5 заданной ширины В, с помощью фланца 6 или шкива 7 соединяется с валом исследуемого механизма (на рисунках исследуемый механизм не показан). Диск 4 пазами 5 модулирует световой поток светодиодов 11, вызывая соответствующие изменения токов, проходящих через фотодиоды 12. Последовательность электрических сигналов от фотодиодов 12 усиливается и преобразуется устройством платы управления 25 и через разъемы 26 передается в измерительный комплекс, который путем программной обработки определяет величину угла поворота и направление углового перемещения. Для обеспечения правильной работы измерительного комплекса необходимо обеспечить требуемую точность установки каждой пары «светодиод-фотодиод» 11, 12, т.е. несущих кронштейнов 10, относительно друг друга и относительно ширины паза 5, что требует выполнения точных и трудоемких регулировок. Точная и менее трудоемкая регулировка несущих кронштейнов 10 по ширине паза и относительно друг друга обеспечивается вновь введенными конструктивными элементами в следующей последовательности.
С помощью ползунов 14 (фиг.3) с параллельными плоскости диска 4 двумя гранями 17 и с помощью изготовленных на цилиндрической части корпуса 1 (фиг.1) лысок 15 с направляющими боковыми поверхностями 16, параллельными плоскости диска, и с расстоянием между направляющими поверхностями 16, равным расстоянию между гранями 17 производится точное перемещение несущих кронштейнов 10 с парами «светодиод-фотодиод» параллельно плоскости диска вдоль ширины В пазов 5. При этом исключаются перекосы несущих кронштейнов 10 относительно плоскости диска и искажения формы сигналов. Специальный винт 19 (фиг.4, 5) совместно с ползуном 14 и первой резьбовой стойкой 18 благодаря наличию на спецвинте резьб 22, 23 с различными шагами нарезки и минимальной разницей между шагами, образует прецизионный механизм микроперемещений ползуна, а, следовательно, и пар «светодиод-фотодиод» вдоль ширины паза. Это позволяет достаточно быстро и точно без перерегулировок юстировать положение ползунов 14 с несущими кронштейнами 10 по ширине В паза 5 и вводить требуемое смещение пар «светодиод-фотодиод» относительно друг друга и относительно краев паза. При вращении специального винта 19 в резьбовой стойке 18 по резьбе 23 на один оборот резьбовой конец с резьбой 22 перемещается поступательно в направлении оси винта на величину шага t1 резьбы 23. Так как резьбовой конец с резьбой 22 одновременно вращается в резьбовом отверстии ползуна 14, а ползун имеет возможность только поступательного перемещения вдоль направляющих поверхностей 16 лысок 15 и шаг t2 резьбы 22 отличный от шага резьбы 23 на величину разности t1-t2, то ползун при повороте спецвинта 19 на один оборот будет перемещаться поступательно вдоль ширины паза 5 именно на эту величину разности t1-t2. Так для разницы между двумя стандартными шагами резьб 22 и 23 (t1=0,5 мм и t2=0,45 мм) равной t1-t2=0,05 мм при вращении специального винта 19 на один оборот в первой резьбовой стойке 18 ползун 14 переместится вдоль ширины паза 5 на 0,05 мм, т.е. на 50 микрон, и соответственно, при повороте на четверть оборота всего на 12,5 микрон. Это делает регулировку очень чувствительной и точной. Поскольку величина перемещения ползунов 14 с несущими кронштейнами 10 выбрана не менее ширины В радиальных пазов 5, то обеспечены условия для прецизионной установки каждой пары «светодиод-фотодиод» 11, 12 по всей ширине пазов с требуемым смещением от краев паза и требуемым смещением пар относительно друг друга. После регулировки датчика специальный винт 19 контрится на стойке 18 гайкой 24, а положение ползуна 14 на корпусе датчика стопорится стопорным винтом 21. Отсутствие перекосов при перемещениях, исключение перерегулировок положения пар на корпусе датчика благодаря плавности движения, быстрый и точный выход на требуемый размер установки каждой пары относительно ширины пазов благодаря наличию микроперемещений ползунов, позволяют сократить время регулировки датчика почти на 45%, повысить стабильность процесса регулировки и облегчить труд регулировщика.
Таким образом, снабжение датчика новыми конструктивными элементами, а именно ползунами, лысками на цилиндрической части корпуса, резьбовыми стойками специальными винтами с резьбами на концах, имеющими различные шаги нарезки, с описанными формой, размерами и взаимосвязями между собой, позволили достичь в предлагаемой модели:
- повышения точности регулировки датчика угла поворота;
- повышения стабильности и повторяемости точностных характеристик датчиков при изготовлении;
- уменьшения трудоемкости регулировочных работ при изготовлении датчиков в производстве за счет сокращения времени регулировки на 37-45% в зависимости от модификации конструкции.
- экономического эффекта в виде стоимости сэкономленных трудозатрат на регулировку за вычетом стоимости изготовления новых конструктивных элементов.
Заявленная полезная модель экспериментально проверена на трех образцах датчиков и показала свою эффективность при проведении регулировочных работ.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для измерения величины углов поворота валов различных механизмов и относится к измерительной технике, в частности к датчикам для измерения угла поворота;
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».