Прецизионный измерительный преобразователь линейного перемещения фартука токарного станка на основе сенсорных элементов Холла

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Омский Государственный технический университет, г. Омск, Россия

Прецизионный измерительный преобразователь линейного перемещения фартука токарного станка на основе сенсорных элементов Холла

А.В. Горнова, Н.Ф. Зацепилин, А.А. Кабанов,

Г.С. Локисов, А.И. Щелканов

Аннотация

В работе рассмотрены вопросы использования сенсорных элементов Холла в целях минимизации погрешностей технологического металлообрабатывающего оборудования. Проведен анализ параметров существующих датчиков линейных перемещений.

Ключевые слова: погрешность; линейное перемещение; датчик; измерения;

Отечественная машиностроительная отрасль располагает огромным парком универсальных металлообрабатывающих станков, метрологические характеристики которых оставляют желать лучшего. Если на машиностроительном заводе провести глубокую модернизацию устаревшего токарного парка, то получается, что можно затратить мало денег на модернизацию парка и получить продукцию с высокими метрологическими характеристиками.

Одним из путей решения поставленной задачи применительно к универсальным токарным станкам является введение в структуру станка программно-аппаратных средств измерения линейного перемещения фартука с целью минимизации погрешностей и существенного расширения функциональных возможностей.

Фартук токарного станка перемещается посредством воздействия вращающегося ходового винта на разжимную гайку, закрепленную на фартуке. Пара «ходовой винт-гайка» имеет погрешности, вызванные как естественным износом, так и некачественным изготовлением. Кроме того, в режиме перемещения фартука в ручном режиме путем обкатывания размещенной на станине зубчатой рейки шестерней маховика имеет место погрешность, обусловленная несоответствием профиля зубов рейки и шестерни эвольвентному профилю, следствием чего являются аддитивные и мультипликативные погрешности, делающие практически невозможной их коррекцию в процессе работы. Чтобы добиться минимизации погрешностей, следует обеспечить точное измерение линейного перемещения, для чего существует множество датчиков.

Анализ датчиков линейного перемещения - оптических, магнитострикционных, магниторезистивных, индуктивных, емкостных и потенциометрических - выявил их недостатки, препятствующие достижению поставленных целей. Появление в последние годы прецизионных датчиков линейных и угловых перемещений на основе сенсорных элементов Холла позволило по новому подойти к созданию измерительных преобразователей перемещения, обладающих такими весьма важными преимуществами, как нечувствительностью к механическим воздействиям, изменениям климатических параметров, загрязнениям оборудования, обеспечивая высокие технико-экономические показатели такого технического решения [1]. Современные ЛДХ (линейные датчики Холла) представляют собой монолитную интегральную схему, где в одном кристалле интегрированы элемент Холла, линейный усилитель и оконечный каскад усиления мощности класса А (рис. 1). Для повышения метрологических параметров в микросхеме реализованы аппаратные средства системы автоматической коррекции аддитивных погрешностей и фильтрация сигнала после линейного усилителя [2].

сенсорный датчик токарный станок

Рис.1 Структурная схема ЛДХ

Таблица 1 Номенклатура линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems

В таблице 1 приведена номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems [3]. Датчики А1301, А1302 имеют схему, показанную на рис. 1. Они обеспечивают высокие значения точности и могут успешно применяться в системах регистрации угловых или линейных перемещений объектов. На показатели точности и стабильности характеристик ЛДХ с одним элементом Холла может оказывать влияние множество факторов: дисбаланс градиентов сопротивления в зависимости от направления тока, геометрическая неоднородность, пьезорезистивные эффекты и даже внешние механические воздействия на корпус микросхемы. Для устранения влияния указанных факторов на точность ЛДХ используется схема динамической квадратурной компенсации смещения. Принцип ее работы иллюстрирует рис. 2. Токи элемента Холла с двух направлений (00 и 900;) поочередно коммутируются с частотой около 200 кГц на входы дифференциального усилителя, осуществляя «электронный поворот» элемента на 900; [4]. При этом к моменту «поворота» схема выборки-хранения фиксирует напряжение на выходе усилителя, устраняя коммутационные помехи. Окончательно сигнал пропускается через ФНЧ для полного восстановления. Схемотехника динамической квадратурной компенсации позволяет практически полностью устранить влияние внешних дестабилизирующих факторов, а также добиться высокой стабильности выходного напряжения смещения. К недостаткам схемы можно отнести наличие в спектре выходного сигнала шумов в полосе частот коммутации Fком, что ограничивает максимальную частоту выходного сигнала датчика величиной, обычно равной 0,1-0,2 Fком.

Рис.2 Схема работы динамической квадратурной компенсации смещения

Существует несколько вариантов взаимного расположения постоянного магнита и ЛДХ в системах измерений перемещений объектов. Наиболее простой способ-линейное расположение ЛДХ и магнита на одной оси так, чтобы силовые линии магнитного поля пересекали датчик под углом 900. При таком расположении существует сильно нелинейная зависимость между выходным напряжением ЛДХ и расстоянием между ним и магнитом (рис. 3). При относительно небольших перемещениях отклонение от линейности невелико и можно не прибегать к дополнительной линеаризации. В противном случае необходимо использовать дополнительную схему линеаризации характеристики расстояние-напряжение.

Рис.3 График нелинейной зависимости

Датчики тока на эффекте Холла занимают идеальное положение по цене между рассмотренными выше типами. Их основные преимущества-отсутствие потерь проводимости и возможность измерения как постоянного, так и переменного тока. Помимо того элемент Холла изолирован от токовой цепи, что автоматически обеспечивает гальваническую развязку. Необходимость внешнего питания нельзя назвать существенным недостатком, так как в подавляющем большинстве случаев датчик не является оконечным устройством и после него все равно находятся другие компоненты схемы, также требующие электропитания.[5]

Практическое решение поставленной задачи сводится к разработке алгоритма и программного кода управляющего микроконтроллера, выбору и размещению прецизионного многополюсного магнита на станине станка, установке элементов датчика перемещения на фартуке токарного станка. Дальнейшая конструкторско-технологическая проработка в сочетании с оценкой погрешности позволит получить модернизированный токарный станок с прецизионными метрологическими характеристиками, обеспечивающий широкую номенклатуру металлообрабатывающих операций с минимальными финансовыми затратами.

Библиографичесуий список

1. For Automotive Systems. Holland W. E. Automotive Market Specialist, Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc. EPN Magazine Suppl., Dec 2004 www.taosinc.com

2. New magnetic angle and position sensor with tangent output. Schott Ch.,Sentron AG, a Melexis Company. Материалы конференции Sensor 2005.

3. Throttle position sensor that heats the throttle shaft. United States Patent 6 467 468. Опубликовано 22.10.2002.

4. Potentiometer. United States Patent 6 838 973.Опубл. 4.01.2005. (Robert Bosch GmbH.)

5. Цикл статей, посвященный программируемым аналоговым интегральным схемам Anadigm // Компоненты и технологии. 2005. № 1-9.

Размещено на Allbest.ru