устройство для измерения линейных и угловых перемещений при диагностике автотранспортных средств

Формула изобретения

Устройство для измерения линейных и угловых перемещений при диагностике автотранспортных средств, содержащее измерительный растр, соединяемый с объектом, первый канал считывания, выполненный в виде оптически связанных осветителя, измерительного растра и фотоприемника, выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала, второй вход которого соединен с первым выходом переключателя коэффициента умножения сигналов, при этом прямой выход 1 формирователя сигналов соединен с первым входом, а его инверсный выход 2 - со вторым входом блока дифференцирования и умножения сигналов, выходы 1 и 2 которого являются информационными о величине и направлениях перемещений, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленным и оптически связанным вторым каналом считывания, включающим осветитель и фотоприемник, соединенный с первым входом второго формирователя сигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом переключателя коэффициента умножения сигналов, при этом прямой выход 1 второго формирователя сигналов соединен с третьим, а его инверсный выход 2 соединен с четвертым входами блока дифференцирования и умножения сигналов, причем оптические оси первого и второго каналов считывания разнесены по осевой окружности растровых делений с взаимным пространственным сдвигом их выходных сигналов на /2,/ при этом измерительный растр связан с объектом зубчатой передачей с повышающим коэффициентом редукции и постоянным односторонним зацеплением зубчатых пар под действием натяжного приспособления выборки люфтов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных и угловых перемещений при диагностике автотранспортных средств и может быть применено при эксплуатации автомобилей.

Известно устройство для измерения перемещений (авт. свид. СССР 1250847, кл. С 01 В 11/00, 1986). Это устройство позволяет измерять с высокой точностью величины угловых или линейных перемещений (а также скорость и ускорение объекта), используя выходную информацию датчика о координате. Но оно предъявляет высокие требования к юстировке его оптических компонент, стабильности элементов схемы обработки информации, поступающей с фотоприемников, сложную и хрупкую конструкцию и неприемлемо большие габариты для целей диагностики автотранспортных средств.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятое за прототип является накапливающее отсчетное устройство (Фотоэлектрические преобразователи информации. /Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974, стр. 178-182), содержащее осветитель, измерительный и индикаторный растры, балансные пары фотоприемников, на выходах которых формируются синусоидальные сигналы V1 и V2, сдвинутые по пространственной фазе на /2 и поступающие на входы формирователей Ф1 и Ф2. Каждый из формирователей имеет два выхода. С одного выхода формирователя снимается прямоугольное напряжение с той же фазой, что и входной синусоидальный сигнал, а с другого выхода - прямоугольное напряжение с фазой, сдвинутой на по отношению к первому. Таким образом, на выходах формирователей Ф1 и Ф2 образуются четыре прямоугольных напряжения с пространственным сдвигом фаз на /2. Для формирования импульсов сложения служат четыре схемы совпадения И1-И4, с выхода которых импульсы поступают на схему ИЛИ1. Для формирования импульсов вычитания служат схемы совпадения И5-И8, с выходов которых импульсы поступают на входы схемы ИЛИ2. На первые входы схем совпадения И1-И8 подаются импульсы полученные дифференцированием положительных фронтов прямоугольных напряжений дифференцирующими цепочками Д1-Д8, на вторые входы этих схем подаются сами прямоугольные напряжения При движении измерительной растровой решетки в направлении (+х) на реверсивный счетчик PC поступают сигналы сложения



а при движении в обратном направлении (-х) на реверсивный счетчик PC поступают сигналы вычитания



При перемещении измерительной решетки на один шаг растра на счетчик подаются четыре импульса. Их количество уменьшится до двух при блокировании на нулевом уровне одного из инверсных сигналов или до одного при таком блокировании обоих сигналов

Однако и такое устройство имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих возможность его применения при диагностике автотранспортных средств: измерительный и индикаторный растры выполнены на подложках из оптического стекла и не допускают динамических перегрузок (падений), а также сложны в изготовлении. Так, например, при дискретности угловых измерений 0,1 градуса/импульс требуется нанесение на измерительный растр 900 штрихов, для чего необходимо применение специальной технологии; преобразование пространственной фазы муаровой картины в пропорциональный временной сдвиг периодического электрического сигнала требует наличия фокусирующих линз, индикаторного растра и четырех включенных по балансной схеме фотоприемников, что ведет к увеличению габаритов устройства, усложняет его эксплуатацию.

Техническим результатом предлагаемого устройства является сохранение основных функциональных возможностей прототипа с одновременным упрощением конструкции устройства, повышением надежности, уменьшением габаритов и стоимости. Это достигается тем, что устройство для измерений линейных и угловых перемещений, содержащее измерительный растр, первый канал считывания, выполненный в виде последовательно установленных и оптически связанных осветителя, измерительного растра и фотоприемника, выход которого подключен к входу формирователя сигнала, прямые и инверсные выходы которого в свою очередь подключены к прямым и инверсным входам блока дифференцирования и умножения сигналов, выход 1 которого является информационным о дискретной положительной величине перемещения, а выход 2 - о такой же отрицательной, снабжено последовательно установленными вторым осветителем и вторым фотоприемником, оптически связанными с измерительным растром, и образующих со своим формирователем сигналов второй канал считывания, прямой и инверсный сигналы которого поступают на третий и четвертый вход блока дифференцирования и умножения сигналов, а измерительный растр соединен с объектом измерения зубчатой передачей с повышающим коэффициентом редукции и с натяжным приспособлением односторонней принудительной выборки люфтов зацепления зубчатых пар независимо от направления перемещения. Введенный в устройство второй канал считывания вместо второй балансной пары фотоприемников, включающий осветитель и фотоприемник с формирователем сигнала, оптическая ось которых смещена по окружности растровых делений на (n+1/4) шага растровой решетки от оптической оси первого канала, служит для получения однополярных прямоугольных сигналов скважности 2, сдвинутых по пространственной фазе на /2 по отношению к сигналам первого канала и образующих совместно с ними систему сигналов для блока дифференцирования и умножения сигналов.

Введение зубчатой передачи для соединения измерительного растра с объектом измерения позволяет значительно увеличить (загрубить) шаг растровой решетки с одновременным уменьшением диаметра растрового диска, отказаться от индикаторного растра, фокусирующих линз (конденсоров) и балансных пар фотоприемников, уменьшить габариты устройства, а сам растровый диск изготовить металлическим. При этом линейное перемещение измеряемого объекта преобразуется зубчатой передачей во вращательное движение измерительного растра. У прототипа нет такой необходимости, т.к. устройство ставится в торец ходового винта (безлюфтовое соединение) с известным шагом, преобразуемым при вращении в определенное число дискретных импульсов линейного перемещения. Натяжное приспособление, создающее предварительное одностороннее зацепление зубчатых пар независимо от направления их вращения, предназначено для устранения основной части люфта зубчатой передачи при реверсе измеряемой величины.

Погрешность измерения от оставшейся части люфта, длительно постоянной для конкретного устройства, компенсируется электронной схемой ввода коррекции (см. техническое описание заявки рег. 2002100029 от 04.01.2002 г., стр. 13, 14, 18-21).

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения линейных и угловых перемещений; на фиг.2 - устройство зубчатой передачи с измерительным растром; на фиг.3 - компоновка осветителей и фотодиодов фотоприемников на решетке измерительного растра; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.5 - графики напряжений в различных точках устройства.

Устройство содержит (фиг.1) измерительный растр 1, зубчатую передачу 2, два канала считывания, состоящие из осветителей 3 и 6, фотоприемников 4 и 7, выходы которых подключены к первым входам формирователей 5 и 8, вторые входы которых соединены с переключателем 9 коэффициента умножения импульсов на 1, 2 или 4. Прямые выходы сигналов 1T и 2Т формирователей соединены с первым и третьим, а инверсные со вторым и четвертым входами блока 10 дифференцирования и умножения сигналов.

Зубчатая передача 2 (фиг.2) для измерения линейных перемещений содержит зубчатую измерительную рейку 11 с подшипниками скольжения 12 и 13, входящую в зацепление с первой ступенью сдвоенной шестерни 14, вторая ступень которой находится в зацеплении с шестерней 17 привода измерительного растра 1. В зацеплении с этой же шестерней состоит шестерня 18 натяжного приспособления с барабаном 19 для намотки тросика и пружиной 20. Зубчатая передача для измерения угловых перемещений отличается отсутствием измерительной зубчатой рейки 11 и подшипников 12 и 13, а измеряемая величина подается непосредственно на вал 16 первой шестерни 14 редуктора.

Оптические оси (фиг.3) оптопар 3-4 и 6-7 (осветителей и фотоприемников) взаимно смещены по осевой линии окружности растровой решетки на (n+1/4) ее шагов, где n - целое число шагов.

Из конструктивных соображений число n должно быть наименьшим возможным для снижения влияния неточности изготовления измерительного растра на взаимное смещение сигналов каналов считывания на /2.

Устройство работает следующим образом. Зубчатая передача превращает вращательное или поступательное смещение измеряемого объекта во вращательное движение измерительного растра, модулирующего световой поток, падающий на фотоприемники. На выходах фотоприемников 4 и 7 (фиг.4 и 5) формируются однополярные импульсы 1T и 2Т скважности 2, смещенные по пространственной фазе на /2. Формирователи сигналов 5 и 8 выдают эти сигналы с крутыми фронтами, а также вырабатывают их инверсии Далее эти сигналы поступают на входы соответственно 1, 3 и 2, 4 блока 10 дифференцирования и умножения сигналов, состоящего из микросборок А7 и А8 (фиг.4), на которых происходят выделение их передних фронтов и формирование на их основе двух новых, учетверенных по отношению к исходной частоте, серий импульсов Т1 и Т2, разделенных по направлениям перемещений. Их формирование происходит по функциям





Здесь приставка И означает дифференцирование сигнала на емкостно-резисторной цепочке при подаче на вход микросхемы (фиг.4). При этом величина резисторов R7-R14 должна быть такой, чтобы при отсутствии сигнала или окончания заряда емкости на входе микросхемы был уровень логического нуля. Для микросхем серии К555, использованных в устройстве, они приняты равными 560 Ом. Коэффициент умножения 4 (положение П1/3 переключателя 9 фиг.4) снижается до 2 при блокировании одного из инверсных сигналов на нулевом уровне (положение П1/2 переключателя на 9 на фиг.4) или до 1 при положении переключателя П1/1 и блокировании обоих инверсных сигналов Сигналы Т1 и Т2 строго разделены по направлениям перемещения соответственно +Х или -X (фиг.4). При наличии Т1 обязательно отсутствие Т2 и наоборот.

Использование предлагаемого технического решения позволяет изготовить устройства (датчики) дискретных угловых и линейных перемещений для диагностики автотранспортных средств приемлемых габаритов, разрешающей способности и диапазона измерений.

Так, устройство для измерения линейных перемещений, изготовленное кустарным способом, имеет габариты прямоугольного корпуса 25х30х86 мм с диаметром измерительного растра 25 мм, дискретностью 0,05 мм/импульс и диапазоном измерений 0-20 мм. Аналогичное устройство для измерения угловых перемещений, выполненное в круглом корпусе диаметром 64 мм, высотой 32 мм и диаметром измерительного растра 27 мм, имеет дискретность 0,1 углового градуса/импульс и диапазон измерений 720 угловых градуса, а выполненное в таком же корпусе устройство контроля микроперемещений имеет дискретность 0,0025 мм/импульс с диапазоном 0-10 мм. При этом собственные остаточные люфты устройств не превышают 2 дискретных перемещений. При необходимости может меняться дискретность устройств, например 0,0025 до 0,0050 или до 0,01 мм/дискрету, за счет изменения коэффициента умножения.

Эти устройства при диагностике автотранспортных средств могут применяться при определении угловых люфтов руля, определении суммарных люфтов рулевого привода и поворотных цапф, величины схождения передних колес, угла замкнутого состояния контактов механического прерывателя системы зажигания, для измерения зазоров при регулировке клапанов двигателя и т.п.

Применение устройств при измерениях на других объектах существенно ограничивается как их диапазоном, так и инерционностью (быстродействием), обусловленных наличием повышающего редуктора, приспособлением выборки люфтов и измерительной рейки.