Устройство для снятия статических характеристик потенциометрических датчиков линейных перемещений

Заключение

В рамках данного курсового проекта было разработано устройство для снятия статических характеристик с потенциометрических измерительных преобразователей линейных перемещений.
Функциональные и технические характеристики устройства соответствуют требованиям технического задания.

...

Введение 1
1. Анализ предметной области 2
2. Поиск и сравнение существующих схемотехнических решений 8
3. Разработка функциональной схемы измерительного устройства 10
4. Выбор элементов и их статический расчет 14
5. Разработка принципиальной схемы 23
6. Разработка блок-схемы программы контроллера и временной диаграммы распределения ресурсов контроллера между подпрограммами 27
7. Описание конструкции 29
Заключение 31
Список литературы 32

Введение

Данный курсовой проект посвящен разработке устройства для снятия статических характеристик потенциометрических датчиков линейных перемещений. В рамках проектирования предполагается последовательно решить ряд частных задач, выявленных в результате декомпозиции цели проекта. В состав задач входят анализ предметной области и аналогичных устройств, синтез функциональной схемы, разработка электрической принципиальной схемы с выполнением необходимых расчетов и подбором соответствующей элементной базы, а также проработка алгоритма функционирования устройства и описание его конструкции.
Основные требования к проектируемому устройству сформулированы в рамках технического задания на проект, результатом выполнения должен быть комплект конструкторской документации, включающий в себя электрич ескую принципиальную схему, спецификацию к ней, а также чертежи печатной платы и конструкции первичного и вторичного преобразователей соответственно.

Определяется механическими свойствами подвижной системы и измеряется при испытаниях.
4. Погрешность от трения.
При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя. Также не подлежит расчету и определяется экспериментальным путем.
5. Погрешность от влияния нагрузки.
В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением:
Uвых= (UrRн) / (RRн+Rr-r2),
т.е. Uвых=f (r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых= (U/R) r.
При Rн приблизительно равном R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет приотклонении движка на (2/3)l. Обычно выбирают Rн/R=10…100. Величина ошибки при x= (2/3) l может быть определена из выражения:
E=4/27η,
где η=Rн/R - коэффициент нагрузки.
6. Погрешность от шумов и колебаний, возникающих при движении курсора по рабочей поверхности.
Данная величина также не может быть определена расчетным путем и выявляется по результатам испытаний.
2. Поиск и сравнение существующих схемотехнических решений
Определенное в рамках технического задания на данный курсовой проект функциональное назначение устройства существенно осложняет поиск и анализ существующих схемотехнических решений, поскольку оно является достаточно редким и в ряде промышленно производимых серийных устройств, представленных на рынке, аналогов не имеет.
Глубоким анализом существующего лабораторного оборудования, производимого малыми партиями либо штучно, а также посредством литературного и патентного поиска, было выявлено три разработки, которые в одной из своих функций могли бы быть рассмотрены в качестве аналога заданной для проектирования системы:
- изобретение В.Г.Степананко и В.В.Рыпакова «Автомат для проверки потенциометров»;
- устройство регистрации и обработки электрических сигналов потенциометрических датчиков «Тасмо-ТЕСТ-АП»;
- лабораторная установка кафедры технической кибернетики БелГТУ.
Следует сразу отметить, что ни одно из устройств не является ни полным аналогом для заданного, ни прототипом, поскольку их функциональные особенности не позволяют выполнять требуемые операции даже при некоторой их модификации. Два последних образца обладают, в силу своих конструктивных особенностей, очень высокой точностью измерения контролируемых величин, однако, не имеют блока обработки информации, т.е. в них отсутствует устройство вторичного преобразования. Также в них отсутствует задатчик, т.е. первоначальное перемещение исходной системы не регламентируется и производится вручную, что не позволяет реализовать ряд требуемых функциональных возможностей.
Изобретение Степаненко и Рыбникова представляет больший интерес ввиду совпадения функциональных возможностей с требованиями технического задания, однако использование данной установка также исключается, поскольку ее функционирование «привязано» только к возможности сравнения статических характеристик исследуемого потенциометра с эталонным, т.е. на выдачу дифференциального сигнала, что не соответствует требованиям проекта.
3. Разработка функциональной схемы измерительного устройства
Учитывая результаты, полученные при работе над двумя предыдущими параграфами, перед автором проекта поставлена весьма сложная задача с высоким уровнем научной новизны, поскольку проектируемое устройство не имеет аналогов, в связи с чем для его разработки требуется использовать комплексный научно- практический подход.
Перечень величин и параметров, измеряемых проектируемым устройством, определен в первом разделе. Учитывая требования технического задания:
- измерительный диапазон датчиков от 50 до 500 мм;
- допустимая погрешность измерения 0.1%;
- напряжение питания 12 В;
- интерфейс ввода-вывода данных RS-232.
Обобщим имеющиеся сведения. Разрабатываемое устройство должно обеспечивать снятие статических характеристик потенциометрических преобразователей линейных перемещений. Эти характеристики по характеру своему являются линейными, однако на их величину оказывает существенное влияние ряд погрешностей (все погрешности носят аддитивный характер), выявление и измерение которых также необходимо производить в рамках работы с датчиками.
Измерение передаточных характеристик с высокой степенью точности, даже с учетом ряда аддитивных погрешностей и их комбинаций, само по себе не представляет никакой технической сложности, поскольку выходной сигнал потенциометров (точнее передаточная характеристика) определяется соотношением входного и выходного сопротивления, измерение которого с высочайшей степенью точности можно выполнить посредством использования аналого- цифровых преобразователей (АЦП).
Учитывая практически безграничные возможности использования АЦП с учетом фактического отсутствия требований к частотным их характеристикам, для обеспечения требуемых показателей точности, разрешающей способности и чувствительности средств первичного преобразования, для целей проекта будет достаточно использовать практически любую модель из соответствующих ИМС. Примем предварительно максимальную частоту дискретизации на уровне 1 кГц, поскольку, учитывая характер применения исследуемых изделий, реальная потребность в обновлении результатов измерений на практике редко превышает 10 Гц, а запаса разрешающей способности будет достаточно для идентификации шумов, гармоник и погрешностей измерения.
Также не представляется проблематичной реализация логических и математических функций устройства, т.е. вычисление характерных погрешностей, поскольку данные функции предполагается, в соответствии с заданием, предоставить присоединяемому к разрабатываемому устройству ПК.
Наибольшую сложность представляет собой реализация задатчика- в рассматриваемом случае автор предполагает создать автоматизированную самокалибрующуюся испытательную систему1 для измерения характеристик потенциометров, для чего требуется реализовать функцию автоматического движения исходной системы (курсора датчика) по генерируемому измерительным устройством алгоритму.
Здесь представляется особенно важным обеспечить максимальную точность движения исполнительного механизма при исследовании датчиков любого типоразмера.
Таким образом, функциональная схема (рис. 4) проектируемого устройства будет содержать следующие элементы:
- интерфейсный модуль для связи с ПК по протоколу RS-232;
- микропроцессорный блок управления;
- модуль первичного преобразователя для измерения напряжений;
- блок задатчика для обеспечения движения исходной системы;
- блок самокалибровки задатчика;
- блоки согласования, усиления, фильтрации и пр. (по необходимости).
Рисунок 4 - Функциональная схема проектируемого устройства
Рассмотрим алгоритм функционирования проектируемой испытательной установки. После монтажа исследуемого измерительного преобразователя на лабораторный стенд, соединения электрической части и генератором испытательного сигнала и первичным преобразователем и соединения подвижной системы с задатчиком, в программу управления на ПК вносятся первичные характеристики изделия- в общем случае, это длина рабочего хода, максимальные токи и рабочие напряжения и прочая необходимая информация и возможные ограничения.
Далее исходные данные обрабатываются и поступают в микроконтроллер, который, в свою очередь, задает параметры испытательного сигнала генератору, на выходе которого будет обеспечен сигнал с требуемыми параметрами.
Модуль самокалибровки определяет пределы перемещения задатчика, после чего производится пробный прогон исследуемого потенциометра с целью проверки его работоспособного состояния и границ электрической части измерения перемещений (т.к. рабочий механический ход всегда больше электрического для датчиков такого типа).
После пробного прогона, при наличии сведений о границах электрической части потенциометра, производятся измерения при выполнении испытательных движений. Характер испытательных движений может быть любым и должен определяться особенностями конструкции конкретного измерительного преобразователя, но в общем случае это:
- несколько полных прямых и обратных ходов;
- несколько небольших перемещений в различных зонах;
- минимальные колебания с преодолением момента сопротивления трогания и остановки в различных зонах;
- серии дискретных разнонаправленных перемещений;
- несколько полных прогонов на максимальной для датчика скорости.
Количество измерений может варьироваться в зависимости от полученного разброса результатов измерений и также должно определяться управляющей программой.
4. Выбор элементов и их статический расчет
Как было определено в рамках предыдущих параграфов, наибольшей сложностью в реализации является задатчик перемещений для исходной системы, поскольку для обеспечения требуемых характеристик проектируемого устройства необходима реализация механической части с особой точностью при условии отсутствия или незначительности люфтов при минимальных перемещениях. Также следует учесть требования к универсальности системы, поскольку проектируемая установка должна обеспечивать снятие статических характеристик с любых потенциометрических измерительных преобразователей с диапазоном линейных перемещений 50.. 100 мм, поскольку иное заданием не оговорено. Предварительное изучение вариантов реализации точных электроприводов с такими диапазонами линейных перемещений подсказывает, что единственным рациональным вариантом в нашем случае является привод типа «винт-гайка».
Анализ имеющейся на рынке и поставляемой на территорию РФ элементной базы выявил, что в контексте исследования наиболее целесообразно применить один из заказных вариантов комплектных прецезионных электроприводов для линейных перемещений в пределах 500 мм с минимальными люфтами, высокой точностью позиционирования, большим диапазоном скоростей и передаваемых усилий- комплектную сборку Maxon Motor с передачей Spindle Drive (рис. 5), поскольку, помимо соответствия приводов желаемым механическим характеристикам, в них легко может быть реализован алгоритм защиты по превышению разрешенного усилия и механизм точного контроля координат перемещения исполнительного штока.
Рисунок 5 - Выбранный комплектный электропривод Maxon Motor с передачей Spindle Drive
С точки зрения конструкции, передачи серии Spindle Drive состоят из планетарного редуктора и собственно линейной передачи, интегрированной с выходом планетарного редуктора. В качестве линейной передачи может устанавливаться ШВП или передача винт-гайка со стандартной метрической или трапецеидальной резьбой. В качестве редуктора используется планетарный редуктор Maxon Motor с усиленными радиальными и осевыми подшипниками.
Передачи Spindle Drive могут быть установлены на коллекторные или бесколлекторные двигатели соответствующих габаритов, с установленными на вал двигателя датчиком положения или тормозной муфтой или без них. Данное решение имеет соосную компоновку и отличается компактными размерами. Наряду с широким выбором коллекторных и бесколлекторных двигателей, передачи Spindle Drive можно заказывать вместе с интегрированным приводом maxon MCD. Этот интегрированный привод объединяет в себе бесколлекторный двигатель 60 Вт, энкодер и контроллер положения с интерфейсом CanOpen. Сборка Spindle Drive с MCD позволяет получить полностью интегрированное решение для линейного перемещения.
Винты передач Spindle Drive выполнены из нержавеющей стали (1.4034). Материал гаек для передач винт-гайка – бронза (CuSn12), гаек для ШВП – сталь 1.3505 (100Cr6).
В настоящее время в ряду продукции представлены передачи Spindle Drive двух диаметров – 22 мм (серия GP22S) и 32 мм (серия GP32S). Для передач диаметром 22 мм стандартно (по каталогу) доступны исполнения с ШВП и с передачей винт-гайка с метрическим винтом. Для серии GP32S (диаметр 32 мм) помимо ШВП, доступны также передачи винт-гайка с метрическим и трапецеидальным винтом.
Шарико-винтовые передачи, применяемые в Spindle Drive, имеют высокий КПД (до 94-96%) и обеспечивают наибольшие линейные усилия из трёх предлагаемых вариантов линейных передач. Благодаря этому Spindle Drive с ШВП могут быть использованы для получения высокопроизводительных решений. Существенная особенность данного варианта передач – отсутствие самоторможения, что влечёт необходимость установки тормозной муфты, если требуется удерживать положение привода при остановленном двигателе. Передачи с метрическим винтом обладают существенно меньшим КПД, но в них присутствует самоторможение. Конечно, они имеют допустимое усилие на 40-50% меньше, чем у ШВП, но стоимость передачи с метрическим винтом меньше, чем остальных вариантов передач. Передачи с винтами с трапецеидальной резьбой имеют допустимое усилие, промежуточное между ШВП и метрическими винтами, аналогично обстоит дело и с ценой.
Каждое из исполнений передачи может иметь планетарный редуктор с передаточным отношением от 3,7:1 до 850:1 (для GP22S) или до 1093:1 (для GP32S). Также в каталоге присутствуют и исполнения передач без планетарного редуктора. Стандартная длина винта составляет 150 мм (для GP22S) и 200 мм (для GP32S). Максимальная длина винта ограничена 600 мм (для GP22S) и 800 мм (для GP32S).
Для более гибкого применения передач Spindle Drive доступен ряд опций, в частности возможность заказа передачи с гайкой другой формы или конец вала со стандартной обработкой. Для ШВП можно заказать вариант с уменьшенным люфтом. Помимо опций, указанных в каталоге, передачи Spindle Drive доступны в заказных исполнениях, например с другим диаметром винта и шагом резьбы.
Технические, механические и электрические характеристики привода зависят от конкретного варианта исполнения. В целях реализации проектируемой установки, для получения требуемых механических характеристик, выбираем рабочий ход 550 мм и трапецевидный тип резьбы, поскольку в таком случае горизонтальный люфт составляет не более 5- 10 мкм. Наибольший показатель износостойкости и точности при предполагаемом диапазоне эксплуатационных усилий будет достигнут в случае применения специального исполнения с уменьшенным люфтом, показатель будет в пределах 2- 4 мкм. Типоразмер привода принимаем 32 мм, диаметр штока 10 мм, передаточное отношение редуктора 1:25, максимальная линейная скорость в таком случае составит 160 мм/сек, максимальное усилие 44 Н.
Следующим по важности узлом устройства является микропроцессорный модуль. Учитывая, что обработкой сигналов будет занят ПК, то функции микропроцессорного модуля сводятся к трансляции команд из программного комплекса ПК и передачи результатов измерений, а также выполнению алгоритмов управления узлами устройства. Такие функции могут быть выполнены любым микропроцессором, вне зависимости от его разрядности, объема памяти и тактовой частоты, поскольку в случае с проектируемым устройством обработке подлежат минимальные объемы данных, т.к. максимальным потоком данных будет 8 бит х 1000 Гц.
Для использования в проектируемом устройстве принимаем микропроцессор типа 8051, структурная схема которого показана на рисунке 6.
Рисунок 6 - Структурная схема микропроцессора 8051
Таблица 2 - Входы и выходы процессора 8051
№ ножки
Обознач.
Наименование
Комментарий
1 - 8
P1.0 - P1.7
Порт 1
Вход для измерительных преобразователей
9
RST
Сброс
10 - 11
RXD, ТХD
Последовательный порт
К RS-232