Оптоэлектронные преобразователи линейных перемещений


Преобразователи линейных перемещений предназначены для информационной связи по положению между позиционируемым объектом и устройством числового программного управления (УЧПУ) или устройством цифровой индикации (УЦИ). К этому классу преобразователей принадлежат оптоэлектронные растровые преобразователи "ЛИР" фирмы СКБ ИС. Особенность линейных оптоэлектронных растровых преобразователей перемещения заключается в использовании в качестве меры длины линейной шкалы, являющейся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют создавать преобразователи 3-4 классов точности.

Высокая степень защищенности конструктивного исполнения преобразователей, а также их высокая устойчивость к внешним воздействиям обеспечили растровым преобразователям широкий спектр областей промышленного и научного применения.

Принцип действия преобразователей линейных перемещений

В основу работы преобразователей перемещения положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 сопряжения регулярного растра шкалы с растрами анализатора модулируют проходящий через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими фотоприемниками. Растровая шкала содержит две параллельные информационные дорожки: регулярного растра и референтных меток.
Растровый анализатор содержит 4 окна А, А, В, В инкрементного считывания и окно референтной метки Б. Названные выше 4 окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регулярного растра шкалы (20 мкм или 40 мкм). При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину, равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно Г. Референтная метка Б позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы.
Считывающий узел (считывающая головка) преобразователя перемещений решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине линейного перемещения, а также задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.
Конструктивно первую задачу решает каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой, что делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора. Вторую задачу реализуют платы фотоприемников 2 и осветителей 4, установленные на ту же каретку, и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении, расположенная в корпусе считывающей головки. Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы 2.
Построенный таким образом канал считывания информации позволяет сформировать два ортогональных периодических сигнала Iа и IВ, исключив из них постоянную составляющую. Взаимный характер изменения указанных сигналов дает возможность определить направление перемещения, а число их периодов при данном перемещении его величину. Специальные методы обработки сигналов IAи IВ позволяют обеспечить контроль перемещения с дискретностью, много меньшей периода регулярного растра.

Для возможности задания собственного начала отсчета в преобразователях перемещения используется дорожка референтных меток, содержащая, как минимум, одну функционирующую референтную метку, представляющую собой специальный растр, с заданной функцией расположения штрихов и их ширины.
В процессе относительного перемещения шкалы и считывающей головки при совмещении полей Д шкалы и.поля Б анализатора с фотоприемника, сопряженного с полем Б, снимается аналоговый сигнал координатно-зависимой величины с ярко выраженным максимумом. Этот сигнал используется устройством обработки для координатной привязки считывающего узла к началу отсчета преобразователя. При этом учитывается значение опорного сигнала, задаваемого фотоприемником, соответствующим окну Г анализатора.
В преобразователях перемещений ЛИР-7... 10 перемещающимся элементом в процессе эксплуатации может быть как шкала, так и считывающая головка. Выбор делает потребитель при монтаже преобразователя на изделии.

В преобразователях ЛИР-14,15,17 и 19 шкала жестко связана со штоком, который получает рабочее перемещение относительно анализатора неподвижного считывающего узла через контакт его наконечника с изделием потребителя.

Координатно-кодированное расположение референтных меток Д.
С целью координатной привязки считывающего узла к началу отсчета преобразователя перемещений применяется координатно-кодированное расположение референтных меток Д. Референтные метки шкалы идентичны референтной метке Б анализатора. В процессе их совмещения с фотоприемника, оптически сопряженного с референтной меткой Б,снимается аналоговый сигнал координатно-зависимой величины с ярко выраженным максимумом. Этот сигнал (или сигналы, в случае прохождения считывающим узлом, как минимум, двух координатно-кодированных референтных меток), используется (ются) устройством обработки для координатной привязки считывающего узла к началу отсчета преобразователя. При этом учитывается значение опорного сигнала, задаваемого фотоприемником, соответствующим прозрачному окну Г анализатора.

Логическим развитием функциональных возможностей преобразователей перемещения, использующих последовательность координатно-кодированных референтных меток, явилось создание квазиабсолютных линейных датчиков, в которых дорожка референтных меток заменена кодовой дорожкой. Это дает возможность определять координату положения считывающего узла относительно шкалы после включения питания при их относительном сдвиге, не превышающем 0,5 мм, что обеспечивает ему свойство абсолютного датчика положения на протяжении всего цикла работы до выключения.


Статья подготовлена специалистами ОАО "СКБ ИС" - российского производителя датчиков перемещений.

Синонимы: датчик перемещения, датчик линейный, линейный энкодер.