RU135792U1

RU135792U1 - POTENTIOMETRIC SENSOR

Info

Publication number: RU135792U1
Application number: RU2013126815/02U
Authority: RU
Inventors: Яков Львович Либерман; Юрий Анатольевич Сапего
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2013-12-20

Abstract

Потенциометрический датчик, содержащий цилиндрический каркас, на поверхность которого соосно с ней 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, отличающийся 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 установлена обмотка из изолированной проволоки, концы которой соединены с дополнительными токосъемниками.A potentiometric sensor containing a cylindrical frame, on the surface of which a wire spiral is mounted coaxially with it, fixed at the ends of the frame, a screw mounted rotatably parallel to the axis of the frame, and a current collector isolated from the screw mounted on it with a nut that can be moved along the axis screw without rotation and interacting with a spiral, characterized in that it is equipped with a rotary shaft, a mechanical transmission connecting the screw with the shaft, two additional current collectors, installed detecting at the ends of the carcass separately from it, the frame is mounted on the shaft and on the surface of the helix along its entire length from a set winding insulated wire whose ends are connected to the additional slip rings.

Description

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.The proposed utility model relates to information conversion devices in information-measuring equipment and automation and can be used in the field of production automation as a feedback sensor in the control systems for moving the working bodies of machine tools, industrial robots, hoisting cranes and other machines.

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.Currently, sensors similar to the one proposed are known. These include, in particular, the devices described in the book "Design of sensors for measuring mechanical quantities / Ed. E.P. Of the precipitate. - M. Mechanical Engineering, 1979, p.276-280. " They consist of a ring frame on which an insulated wire is wound. A brush of the slider (current collector) of the potentiometer slides on the upper edge of the frame and is mounted on a roller mounted in the center of the frame for rotation. The wire insulation is stripped to ensure electrical contact with the brush. The roller is electrically isolated from the brush.

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.The sensor supply voltage is supplied through the two extreme clamps of the frame winding. The output signal of the sensor is removed between one of the extreme clamps and the brush of the engine. When turning the roller, the output signal changes in accordance with the current position of the brush. In fact, it characterizes the angular position of the roller. If the roller of the sensor is kinematically connected with the working body of the controlled machine, the output signal of the sensor becomes a feedback signal.

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.Analog devices are quite simple, but they have a significant drawback - a small (0.8-0.9 circle) conversion range of the angle of rotation of the input roller into the output electrical signal. To eliminate this drawback, potentiometric sensors, fundamentally similar to those described, are sequentially connected to each other through mechanical gears, or they are structurally executed differently, multi-turn. The first way is complicated and uneconomical. The second is easier and cheaper. In this connection, the prototype of the proposed sensor is precisely a multi-turn potentiometric sensor, the device of which implements exactly the second way.

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.The sensor adopted for the prototype is described in the book "Liberman Y. L. Pre-project preparation of the development of CNC systems by metal-cutting machines, - Ekaterinburg: BKI, 2010. P.92 ". It contains a hollow cylindrical frame installed in the housing, on the inner forming surface of which a wire spiral is mounted coaxially with it, fixed at the ends of the frame, a screw located parallel to the axis of the frame inside it, and a current collector isolated from the screw, mounted on it with a nut with the ability to move along the axis of the screw without rotation and interacting with the spiral. The screw is installed in the housing on the rotation bearings, the frame is fixed, the insulation of the wire for electrical contact with the current collector is cleaned.

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.During operation of the sensor prototype, voltage is applied to the ends of the wire. The sensor output is taken between one end of the wire and the current collector. The screw kinematically connects to a mechanism whose link movement is measured. When you move these links (for example, the working body of the machine), the screw rotates, the current collector is shifted along the axis of the screw, and the output signal of the sensor changes, characterizing the current position of the links of the mechanism.

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.A multi-turn potentiometric sensor - the prototype is quite simple, has a wide conversion range, but it also has its drawbacks. The main one is low resolution (a relatively small number of reliably different gradations of the output signal). It is due to the fact that when the current collector is displaced along the axis of the screw, the sensor output signal changes with discreteness, determined by the length of the spiral coil wound around the frame, and this length is 2πR, where R is the radius of the frame. The diameter of the frame is ~ 30 mm, so the length of the turn is ~ 95 mm. But a large coil length means large gradations of the output signal (they are equal

, where L is the length of the wire from which the spiral is made), and hence their small number.

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.The task of developing the proposed utility model is to eliminate the described drawback, namely, increasing the resolution of a multi-turn potentiometric sensor. Those. an increase in the number of reliably distinguishable gradations of the output signal, without reducing the conversion range and, as a result, improving the accuracy of the sensor.

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.The technical solution to the problem is achieved by the fact that a potentiometric sensor containing a cylindrical frame, on the surface of which there is a wire spiral mounted on the ends of the frame, a screw mounted rotationally parallel to the axis of the frame, and a current collector isolated from the screw mounted on it with a nut the ability to move along the axis of the screw without rotation and interacting with the spiral, differs from the prototype in that it is equipped with a rotary shaft, a mechanical transmission connecting the screw to the shaft, two additional current collectors installed at the ends of the frame isolated from it. In this case, the frame is mounted on the shaft, and on the surface of the spiral along its entire length a winding of insulated wire is wound, the ends of which are connected to additional current collectors.

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, Z₈и Z₇ - числа зубьев колес 8 и 7, соответственно.Figure 1 shows the design of the proposed potentiometer. It contains a cylindrical frame 1 mounted in the housing, on the surface of which a wire spiral 2 is placed, fixed at the ends of the frame, a screw 3 mounted rotatably parallel to the axis of the frame 1, and a current collector 4 isolated from the screw 3 mounted on it with a nut 5 with the possibility of moving along the axis of the screw 3 without rotation and interacting with the spiral 2. In addition, it is equipped with a rotary shaft 6, a mechanical transmission consisting of two

gears

7 and 8, connecting the screw 3 with the shaft 6, two additional

ADDITIONAL slip rings

9 and 10 mounted on the ends of the frame 1 in isolation from it. In this case, the frame 1 is mounted on the shaft 6, and on the surface of the spiral 2 along its entire length a winding 11 is made of an insulated wire (a fragment of it is conventionally shown in Fig. 1), the ends of which are connected to additional

current collectors

9 and 10. Through

current collectors

9 and 10 With the help of ball brushes, the supply voltage to the winding 11 is supplied. Using the current collector 4, the output signal is removed from the potentiometer (it is the voltage between the current collector 4 and one of the current collectors 9 or 10). Nut 5 is made split of two halves, expandable by a spring. This makes the transmission screw 3 - nut 5 backlash-free. Similarly, a gearless transmission made of wheels 7-8 is made. For this, the wheel 7 is made of two half-wheels connected by bolts. When adjusting the sensor, the half-wheels are displaced relative to each other in the circumferential direction, and the clearance in the engagement of the

wheels

7 and 8 is eliminated. For the coordinated movement of the current collector 4 and the frame 1 of the

wheel

7 and 8, 2 are selected from the condition

where S is the pitch of the screw 3, p is the pitch of the winding of the spiral 2, Z ₈ and Z ₇ are the numbers of teeth of the

wheels

8 and 7, respectively.

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.When using the sensor, the surface of the winding 11 in contact with the current collector 4 is cleaned. The screw 3 is kinematically connected to the working body of the machine, the movements of which require a feedback signal to be input into the control system of this working body. Through current collectors 9 and 10, voltage is supplied to the winding 11. The output signal of the sensor when moving the working body will change and thereby characterize this movement. While in the prototype the number of reliably distinguishable gradations of the output signal of the sensor was equal to the number of turns of the spiral wound on the frame, in the proposed sensor the number of such gradations will be equal to the number of such turns multiplied by the number of turns of the winding 11 on one turn of the spiral 2. This will provide a corresponding increase in the resolution of the sensor. The consequence of this will be an increase in the accuracy of measuring the displacement of the working body mentioned above, since the accuracy of the sensor in question is directly proportional to its resolution. The measurement range does not decrease.

Таким образом, в конечном итоге, техническим результатом разработки предлагаемой полезной модели является повышение разрешающей способности датчика и, как следствие, его точности.Thus, ultimately, the technical result of the development of the proposed utility model is to increase the resolution of the sensor and, as a result, its accuracy.

Claims

A potentiometric sensor containing a cylindrical frame, on the surface of which a wire spiral is mounted coaxially with it, fixed at the ends of the frame, a screw mounted rotatably parallel to the axis of the frame, and a current collector isolated from the screw mounted on it with a nut that can be moved along the axis screw without rotation and interacting with a spiral, characterized in that it is equipped with a rotary shaft, a mechanical transmission connecting the screw with the shaft, two additional current collectors, installed detecting at the ends of the carcass separately from it, the frame is mounted on the shaft and on the surface of the helix along its entire length from a set winding insulated wire whose ends are connected to the additional slip rings.