CN108663002A - 一种力闭环式大直线位移传感器 - Google Patents

一种力闭环式大直线位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种力闭环式大直线位移传感器。第一柔性轮上缠绕有钢丝绳，第一柔性轮和第二柔性轮的圆心重合，第一柔性轮的内侧安装两个发光二极管，第二柔性轮的外侧安装两个光敏电阻，两个发光二极管在通过圆心的直线上，两个光敏电阻在通过圆心的直线上，且两条直线是不重合的，柔性轮辐位于第一柔性轮和第二柔性轮之间，柔性轮辐呈S型，在拉钢丝绳时，柔性轮辐发生变形，光敏电阻和发光二极管的位置发生相对变化，第二柔性轮一侧与编码器连接，另一侧与减速器连接，减速器的另一侧与步进电机连接。采用本发明能够提高位移测量的精度并消除传统开环式拉线大位移传感器拉力与测量长度有关的局限性。

Description

一种力闭环式大直线位移传感器
技术领域
本发明涉及位移测量领域，特别是涉及一种力闭环式大直线位移传感器。
背景技术
拉绳式位移传感器由于它的安装方便、价格低廉、测量距离大、抗干扰能力强等诸多优点在测试、仪器计量、运输、机器人、液压装置、气动装置、工业自动化、运动控制等领域有应用广泛。传统拉绳式位移传感器采用内部弹簧张紧，并通过感应器实现位移测量。但是测量系统为开环；而且弹簧张紧系统在全测量范围存在非恒力现象，系统存在较大测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种力闭环式大直线位移传感器，提高系统的测量精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种力闭环式大直线位移传感器，所述传感器包括：第一柔性轮、柔性轮辐、第二柔性轮、发光二极管、光敏电阻、编码器、减速器和步进电机；所述第一柔性轮上缠绕有钢丝绳，所述第一柔性轮的半径大于所述第二柔性轮的半径，所述第一柔性轮和所述第二柔性轮的圆心重合，所述第一柔性轮的内侧安装有两个发光二极管，所述第二柔性轮的外侧安装有两个光敏电阻，两个所述发光二极管在通过圆心的直线上，两个所述光敏电阻在通过圆心的直线上，且两条所述直线是不重合的，所述柔性轮辐位于所述第一柔性轮和所述第二柔性轮之间，所述柔性轮辐呈S型，在拉钢丝绳时，所述柔性轮辐发生变形，所述光敏电阻和所述发光二极管的位置发生相对变化；所述第二柔性轮一侧与所述编码器连接，所述编码器用于计算拉环拉出钢丝绳的长度，另一侧与所述减速器连接，所述减速器的另一侧与所述步进电机连接。
可选的，所述传感器还包括丝杠，所述丝杠位于所述第二柔性轮的内侧。
可选的，所述传感器包括联轴器，所述联轴器包括编码器联轴器端和电机联轴器端，所述联轴器位于所述丝杠的两端，并且所述编码器联轴器端与所述编码器连接，所述电机联轴器端与所述减速器连接。
可选的，所述传感器还包括拉环，所述拉环与钢丝绳连接。
可选的，所述钢丝绳在所述第一柔性轮上单层缠绕。
可选的，所述传感器还包括绕线外壳，所述绕线外壳位于所述第一柔性轮的外侧。
可选的，所述传感器还包括编码器连接盖，所述编码器连接盖用于罩住所述编码器联轴器端。
可选的，所述传感器还包括电机端连接盖，所述电机端连接盖用于罩住所述电机联轴器端。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种力闭环式大直线位移传感器，通过编码器得到拉线拉出的长度，通过两对对称设置的光敏电阻和发光二极管得到柔性轮辐的微小柔性变形，通过步进电机和减速器保证柔性轮辐在拉线拉出时始终保持稳定的变形量，从而实现拉线式大位移测量传感器全测量范围的恒定拉力控制，提高位移测量的精度并消除传统开环式拉线大位移传感器拉力与测量长度有关的局限性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的侧视图；
图2为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的模型图；
图3为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的内部结构图；
图4为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的装配图；
图5为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的电路示意图；
附图标记解释：
1-第一柔性轮，2-柔性轮辐，3-第二柔性轮，4-发光二极管，5-光敏电阻，6-编码器，7-减速器，8-步进电机，9-拉环，10-电机端连接盖，11-编码器端连接盖，12-法兰盘，13-绕线外壳，14-出线口，15-丝杠，16-编码器端联轴器，17-电机端联轴器，18-丝杠螺母，19-钢丝绳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的侧视图。图2为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的模型图。如图1和图2所示，一种力闭环式大直线位移传感器，所述传感器包括：第一柔性轮1、柔性轮辐2、第二柔性轮3、发光二极管4、光敏电阻5、编码器6、减速器7和步进电机8；所述第一柔性轮1上缠绕有钢丝绳，所述第一柔性轮1的半径大于所述第二柔性轮3的半径，所述第一柔性轮1和所述第二柔性轮3的圆心重合，所述第一柔性轮1的内侧安装有两个发光二极管4，所述第二柔性轮3的外侧安装有两个光敏电阻5，两个所述发光二极管5在通过圆心的直线上，两个所述光敏电阻5在通过圆心的直线上，且两条所述直线是不重合的，所述柔性轮辐2位于所述第一柔性轮1和所述第二柔性轮3之间，所述柔性轮辐2呈S型，在拉钢丝绳时，所述柔性轮辐2发生变形，所述光敏电阻5和所述发光二极管4的位置发生相对变化；所述第二柔性轮3一侧与所述编码器6连接，所述编码器6用于计算拉环拉出钢丝绳的长度，另一侧与所述减速器7连接，所述减速器7的另一侧与所述步进电机8连接。
两个光敏电阻所在的直线相对两个发光二极管所在的直线偏转，偏转度为δ，目的是为了可以判别偏转方向，当第一柔性轮相对于第二柔性轮顺时针转动时，发光二极管相对于光敏电阻距离减小，阻值变小；当第一柔性轮相对于第二柔性轮逆时针转动时，发光二极管相对于光敏电阻距离增大，阻值变大，所述光敏电阻5与发光二极管4在测量时会偏移原来的位置，避免电桥输出信号不能提供柔性轮辐变形方向的判断，给电机运动方向的控制带来困扰。
图3为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的内部结构图。图4为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的装配图。图5为本发明本发明实施例力闭环式大直线位移传感器的设计方法的电路示意图。
所述传感器还包括丝杠15，所述丝杠15位于所述第二柔性轮3的内侧。所述第一柔性轮1和所述第二柔性轮3通过丝杠15传动，钢丝绳19直径的选取与丝杠的导程保持一致均为1mm。当柔性轮正转或反转一圈，丝杠带动柔性轮延轴向方向前进或后退1mm，使绳子垂直于丝杠轴向方向，减小误差。
所述传感器包括联轴器，所述联轴器包括编码器联轴器端和电机联轴器端，所述联轴器位于所述丝杠的两端，并且所述编码器联轴器端与所述编码器连接，所述电机联轴器端与所述减速器连接。
所述传感器还包括拉环9，所述拉环9与钢丝绳19连接。
所述钢丝绳在所述第一柔性轮1上单层缠绕，保证传感器的测量精度。根据具体设计，可实现1m-7m范围的测量。拉线在轮缘上多层缠绕时，由于拉线的直径尺寸使得轮缘的有效直径发生变化，将降低传感器位移测量的精度。
所述传感器还包括绕线外壳13，所述绕线外壳13位于所述第一柔性轮1的外侧。
所述传感器还包括编码器连接盖11，所述编码器连接盖11用于罩住所述编码器联轴器端16。所述传感器还包括电机端连接盖10，所述电机端连接盖10用于罩住所述电机联轴器端17。所述编码器连接盖11、电机连接盖10在与绕线外壳13连接时安装有密封垫圈，防止灰尘进入绕线外壳内部，影响测量精度。
所述传感器机械部分的转轴支撑轴承，应采用基孔制设计，即轴承的外圈应采用紧装配，而内圈采用过渡装配(紧装配即过盈配合，过渡装配即过渡配合，轴承基孔制安装的通用装配关系，采用基孔制设计是因为相较于轴的加工，孔加工更难，所以采用基孔制)，机械传动系统中可能存在的间隙通过柔性轮辐的预变形来消除。实现这一目标应采用扭矩偏置设定的方式进行伺服控制。即柔性轮辐的力平衡点为非零量。
采用柔性轮辐幅轮式转子结构，在拉线力的作用下，柔性轮辐轮辐发生变形，使得轮辐和轮辐轮辐内圈之间产生相对角位移。在轮辐内侧对称安装两光敏电阻5作为敏感元件，在轮轴上对应角位置安装两发光二极管4，当柔性轮辐轮辐2发生变形时，光敏电阻5受到的光照强度(发光二极管4的光强是不变的，光敏电阻5接收到的光强会随发光二极管的位置变大而变小)变化，其电阻值随着光照强度的变化而变化。把两光敏电阻5设计为一电阻桥的对边电阻，另一对边电阻为固定值电阻。把电阻桥的输出电压进行差动放大，并通过AD转换器将该电压转化为数字信号，通过复杂可编程逻辑器件读取AD转换器的输出信号，并通过零位校正后，把校正后的数字化敏感信号线性转化为脉宽调制(PWM)信号，通过电机驱动器实现电机的驱动控制。通过电机输出轴的转动调整柔性轮辐轮辐内圈轴的角位置(测量拉线伸出长度用编码器测量，而柔性轮辐轮辐的微小柔性变形通过光敏电阻测量，所谓的角位置即在电机扭矩的作用下柔性轮辐的变形量。)使柔性轮辐稳定到设定的变形量，从而在拉线末端产生一定的拉力。通过该拉力可以实现拉线的自动收回，并在外力作用下可实现拉线的快速放出。拉线伸缩长度通过轮辐轴的角位移进行测量，测量该角位移采用一般中等精度的光电编码器即可。把编码器的输出信号通过复杂可编程器件读取和处理后，采用常用的RS485串行总线接口信号方式输出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器包括：第一柔性轮、柔性轮辐、第二柔性轮、发光二极管、光敏电阻、编码器、减速器和步进电机；所述第一柔性轮上缠绕有钢丝绳，所述第一柔性轮的半径大于所述第二柔性轮的半径，所述第一柔性轮和所述第二柔性轮的圆心重合，所述第一柔性轮的内侧安装有两个发光二极管，所述第二柔性轮的外侧安装有两个光敏电阻，两个所述发光二极管在通过圆心的直线上，两个所述光敏电阻在通过圆心的直线上，且两条所述直线是不重合的，所述柔性轮辐位于所述第一柔性轮和所述第二柔性轮之间，所述柔性轮辐呈S型，在拉钢丝绳时，所述柔性轮辐发生变形，所述光敏电阻和所述发光二极管的位置发生相对变化；所述第二柔性轮一侧与所述编码器连接，所述编码器用于计算拉环拉出钢丝绳的长度，另一侧与所述减速器连接，所述减速器的另一侧与所述步进电机连接。
2.根据权利要求1所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器还包括丝杠，所述丝杠位于所述第二柔性轮的内侧。
3.根据权利要求2所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器包括联轴器，所述联轴器包括编码器联轴器端和电机联轴器端，所述联轴器位于所述丝杠的两端，并且所述编码器联轴器端与所述编码器连接，所述电机联轴器端与所述减速器连接。
4.根据权利要求1所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器还包括拉环，所述拉环与钢丝绳连接。
5.根据权利要求1所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述钢丝绳在所述第一柔性轮上单层缠绕。
6.根据权利要求1所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器还包括绕线外壳，所述绕线外壳位于所述第一柔性轮的外侧。
7.根据权利要求3所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器还包括编码器连接盖，所述编码器连接盖用于罩住所述编码器联轴器端。
8.根据权利要求3所述的力闭环式大直线位移传感器，其特征在于，所述传感器还包括电机端连接盖，所述电机端连接盖用于罩住所述电机联轴器端。
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