Преобразователь угла поворота тела в пространстве

Полный текст

В ряде промышленных приложений для правильного ведения технологического процесса надо менять положение объектов в пространстве. Например, сборка объекта производится, когда он находится в горизонтальном положении, а затем его следует установить под определенным углом к горизонту. Выполняют эту операцию электроприводы, которые управляются сигналами, зависящими от разности текущего положения тела и того положения, которое тело должно занять в результате манипуляций с ним. Причем угловое положение тела может изменяться от 0 до 360°. Существуют и серийно выпускаются приборы для решения подобных задач, использующие различные принципы действия. Например, дифференциально-трансформаторные датчики перемещения и положения объектов, магнитострикционные и ультразвуковые датчики, предназначенные для этих же целей, инклинометры и наклонометры, интеллектуальные инклинометры (со встроенным процессором), которые обеспечивают возможность измерения во взаимно перпендикулярных плоскостях. Выпускаются абсолютные энкодеры с кодовыми дисками, инкрементные энкодеры и т. п. Погрешности этих приборов могут быть снижены до 0,01º [1]. Они применяются в машино- и судостроении, в аэрокосмических изделих, системах безопасности для РЖД, охранных системах, в нефтегазовой промышленности и т. п. и обладают высокой точностью и надежностью. Но у них есть некоторые недостатки, ограничивающие область их применения. В частности, диапазон измерения составляет в основном ±30º, редко ±90º. Существуют области техники, для которых требуется иметь более широкие границы этого диапазона, например авиация, космическая техника и т. п., где в ряде случаев требуется определить угол поворота тела (или его текущее положение) в интервале 0÷360º. Для решения указанной задачи в данной области техники на кафедре «Информационно-измерительная техника» СамГТУ был разработан преобразователь угла поворота тела в пространстве, который может измерять изменение угла поворота тела в интервале 0÷360º. Его схема представлена на рис.1. а б Рис. 1. Схема преобразователя положения тела в пространстве (а) и расположение поднимаемого объекта и преобразователя (б): 1 - корпус преобразователя положения тела; 2 - шар определенной массы, выполненный из изоляционного материала; 30, 31, 32, 33 - диафрагмы; 40, 41, 42, 43 - тензорезисторы; 5 - поднимаемый объект; 6 - преобразователь положения тела, расположенный на поднимаемом объекте Преобразователь функционирует следующим образом: диафрагмы 3, которые крепятся к корпусу 1, образуют камеру, внутри которой расположен шар 2. В исходном положении тела 5, когда оно расположено горизонтально, шар своей массой давит на диаграмму 30, а остальных только касается. Схематично эта картина представлена на рис. 2. Рис. 2. Исходное положение шара относительно диафрагм Рис. 4. Перераспределение силы тяжести шара между диафрагмами Сила, с которой шар давит на диафрагму 30: P = mg, где m - масса шара; g - ускорение свободного падения. Затем по мере того, как меняется в пространстве положение тела 5 и связанного с ним преобразователя, вектор P будет давить на ту или иную диафрагму, так как меняется положение диафрагм относительно шара 2, а сила тяжести все время направлена к земле [2]. На диафрагмах крепятся тензорезисторы 40, 41, 42, 43, сопротивления которых зависят от прогиба мембран [2]. Эти тензорезисторы включаются в соответствующие плечи мостов М0, М1, М2, М3 (рис. 3). При этом мосты М1, М2, М3 в исходном состоянии уравновешены, а мост М0 при полном прогибе диафрагмы разбалансирован, т. е. мосты М1, М2, М3 уравновешены при отсутствии деформации тензорезисторов 41, 42, 43 (на схеме T0, T1, T2, T3). Рис. 3. Структура системы определения положения тела в пространстве Когда тело 5 (рис. 1, б) начинают поднимать, то вектор силы P начинает перераспределять свое давление относительно диафрагм, так как направление силы тяжести всегда направлено к земле. Вектор P при этом раскладывается на составляющие. Давление на диафрагму 30 уменьшается, а на 31 начинает увеличиваться, так как появится составляющая P1 (рис. 4): P1 = P · sina, (1) где a - угол подъема тела. При этом нарушается равновесие мостов М0 и М1, а М2 и М3 будут оставаться уравновешенными. Информация будет считываться с М1 до тех пор, пока P1 не достигнет максимума, а это будет тогда, когда a = 90°. При дальнейшем росте a шар будет оказывать давление на 31 и 32, но информация будет считываться с тензорезистора 42: P2 = P · sin(90 + a) = P · cosa . (2) Считывание будет происходить до тех пор, пока P2 не достигнет максимума, при этом a будет равно 180°. Далее при росте угла поворота будут задействованы 32 и 33. Но считывание информации будет происходить с 43: P3 = P · sin(180 + a) = -P · sina. (3) А после того, как движение объекта будет продолжено, считывание будет происходить с тензорезистора 44: P4 = P · sin(270 + a) = -P · cosa. (4) Таким образом, структура системы определения положения тела в пространстве, представленная на рис. 3, кроме уже рассмотренных блоков Т0, Т1, Т2, Т3 преобразования давления шара в изменение сопротивления тензорезисторов и мостов, преобразующих изменение сопротивления тензорезисторов в изменение напряжения разбаланса мостов М0, М1, М2, М3, должна содержать устройства определения максимума max0, max1, max2, max3, логическое устройство ЛУ, определяющее, с какого моста осуществлять считывание информации, и вычислительное устройство ВУ, которое будет высчитывать и выдавать значение угла поворота объекта относительно его горизонтального положения. Это даст возможность воздействовать на электроприводы с целью изменения положения тела на заданный угол.

Об авторах

Ольга Георгиевна Корганова

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Информационно-измерительная техника» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы