RU2019793C1

RU2019793C1 - Device for measuring angular movements

Info

Publication number: RU2019793C1
Authority: RU
Inventors: Г.И. Андрющенков; В.И. Сазонов; А.В. Шкуратов; В.А. Неволин
Original assignee: Андрющенков Геннадий Иванович; Сазонов Валерий Иванович; Шкуратов Александр Васильевич; Неволин Владимир Александрович
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1994-09-15

Abstract

FIELD: measuring devices. SUBSTANCE: recording unit of device has three pulse shapers, nine AND gates, five OR gates, three NOR gates, three delay lines, serial adder and resetting unit. Three rows of marks, which are displaced in each subsequent row by half of mark step, are drawn along perimeter of movable grating disk which is connected to object. This results in simultaneous illumination of two photodetectors of three ones; photodetectors are placed along line that is perpendicular to rotation axis of grating disk in radial direction opposite corresponding row of marks, output of each photodetector is connected to one input of detecting unit. Functional circuit and its logic provides possibility to start measuring angular movements of object at any initial position of movable disk, to measure reverse of its angular movements and to measure total angle of rotation. EFFECT: increased fidelity and increased functional capabilities. 4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения угловых перемещений объектов. The invention relates to instrumentation, in particular to devices for measuring the angular displacements of objects.

Известны устройства для измерения величины и направления угловых перемещений объектов, содержащие осветительную систему, растровую систему, электрический тракт обработки входной информации и устройство согласования отсчетов. К недостаткам данных устройств следует отнести достаточную сложность конструкции, наличие ошибок в измерении угловых перемещений, обусловленных наличием эксцентриситетов растров. Known devices for measuring the magnitude and direction of angular displacements of objects, containing a lighting system, a raster system, an electric path for processing input information and a device for matching samples. The disadvantages of these devices include the sufficient complexity of the design, the presence of errors in the measurement of angular displacements due to the presence of eccentricities of the rasters.

Наиболее близким по техническому решению данной задачи является устройство для измерения угловых перемещений объектов, содержащее в своем составе два растровых диска, оптическую систему, фотоэлементы и блок регистрации. Недостатками данного устройства являются невозможность начала угловых измерений из любого положения подвижного диска относительно неподвижного диска, регистрации изменения направления углового перемещения в любой момент времени после начала вращения подвижного диска и выдачи суммарного угла поворота объекта при знакопеременном направлении поворота объекта. The closest to the technical solution to this problem is a device for measuring the angular displacements of objects, which contains two raster disks, an optical system, photocells and a registration unit. The disadvantages of this device are the inability to start angular measurements from any position of the moving disk relative to the fixed disk, recording changes in the direction of angular movement at any time after the start of rotation of the moving disk and issuing the total angle of rotation of the object with an alternating direction of rotation of the object.

Целью изобретения является повышение достоверности и информативности за счет обеспечения измерения угловых перемещений объекта из любого положения подвижного диска относительно неподвижного, регистрации изменения направления углового перемещения объекта и выдачи суммарного угла поворота объекта как при его повороте в одном, так и в противоположных направлениях. The aim of the invention is to increase the reliability and information content by providing measurements of the angular displacements of the object from any position of the movable disk relative to the stationary one, registration of changes in the direction of angular displacement of the object and the issuance of the total angle of rotation of the object both when it is rotated in one or in opposite directions.

Поставленная цель достигается тем, что блок регистрации включает в себя три формирователя импульсов, девять логических схем И, пять логических схем ИЛИ, три логических схемы ИЛИ-НЕ, три линии задержки, последовательный сумматор и блок обнуления, а по периметру подвижного растрового диска нанесены три ряда штрихов, смещенные относительно друг друга в каждом ряду и в соседних рядах на 1/2 штрихового деления, что обеспечивает одновременную засветку двух фотоэлементов из трех размещенных на линии перпендикулярной оси вращения растрового диска и в радиальном направлении против своего ряда штрихов, выход каждого фотоэлемента соединен со входом одного формирователя импульсов, а выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом первой и вторым входом третьей логических схем И, выход второго - со вторым входом первой и первым входом второй логических схем И, выход третьего - со вторым входом второй и первым входом третьей логических схем И, выход первой логической схемы И соединен с S-входом первого RS-триггера и вторым входом третьей логической схемы ИЛИ, выход второй логической схемы И - с S-входом второго RS-триггера и вторым входом первой логической схемы ИЛИ, выход третьей логической схемы И - с S-входом третьего RS-триггера и вторым входом второй логической схемы ИЛИ, первые входы каждой из трех логических схем ИЛИ соединены с выходом блока обнуления, а выход первой из них - соединен с R-входом первого, второй - с R-входом второго, третьей - с R-входом третьего RS-триггеров, прямой выход первого RS-триггера соединен с первым входом четвертой и вторым входом шестой логических схем И, а через первую линию задержки с первым входом седьмой логической схемы И, прямой выход второго RS-триггера - со вторым входом четвертой и первым входом пятой логических схем И, а через вторую линию задержки с первым входом восьмой логической схемы И, прямой выход третьего RS-триггера - со вторым входом пятой и первым входом шестой логических схем И, а через третью линию задержки с первым входом девятой логической схемы И, выход четвертой логической схемы И соединен с первым входом второй, вторым входом первой логических схем ИЛИ-НЕ и первым входом пятой логической схемы ИЛИ, выход пятой логической схемы И - с первым входом третьей, вторым входом второй логических схем ИЛИ-НЕ и третьим входом пятой логической схемы ИЛИ, выход шестой логической схемы И - с первым входом первой, вторым входом третьей логических схем ИЛИ-НЕ и вторым входом пятой логической схемы ИЛИ, выходы первой, второй и третьей логических схем ИЛИ-НЕ соединены, соответственно, со вторыми входами седьмой, восьмой и девятой логических схем И, а выходы последних, соответственно, соединены с первым, вторым и третьим входами четвертой логической схемы ИЛИ, выход которой связан с первым входом последовательного сумматора, а второй и третий его входы соединены с выходом пятой логической схемы ИЛИ и выходом блока обнуления. This goal is achieved by the fact that the registration unit includes three pulse shapers, nine AND logic circuits, five OR logic circuits, three OR-NOT logic circuits, three delay lines, a serial adder and a zeroing unit, and three are applied along the perimeter of the moving raster disk rows of strokes, offset relative to each other in each row and in adjacent rows by 1/2 stroke division, which provides simultaneous illumination of two photocells from three placed on a line perpendicular to the axis of rotation of the raster disk a and in the radial direction against its row of strokes, the output of each photocell is connected to the input of one pulse shaper, and the output of the first pulse shaper is connected to the first input of the first and second input of the third logical circuits AND, the output of the second - with the second input of the first and first input of the second logical And, the output of the third - with the second input of the second and first input of the third logic circuit And, the output of the first logic circuit And is connected to the S-input of the first RS-trigger and the second input of the third logic circuit OR, the output of the second logic circuit AND - with the S-input of the second RS-trigger and the second input of the first logic OR, the output of the third logic circuit AND - with the S-input of the third RS-trigger and the second input of the second logic OR, the first inputs of each of the three logic OR connected to the output of the zeroing unit, and the output of the first one is connected to the R-input of the first, the second to the R-input of the second, the third to the R-input of the third RS-flip-flops, the direct output of the first RS-flip-flop is connected to the first input of the fourth and the second input of the sixth logic circuit And, and through the first delay line with the first input of the seventh logic AND, the direct output of the second RS-trigger with the second input of the fourth and the first input of the fifth logic AND, and through the second delay line with the first input of the eighth logic AND, the direct output of the third RS-trigger with the second input of the fifth and the first input of the sixth logic circuit AND, and through the third delay line with the first input of the ninth logic circuit AND, the output of the fourth logic circuit And is connected to the first input of the second, second input of the first logic circuit OR NOT and the first input of the fifth logic circuit OR, the output of the fifth logical circuit AND - with the first input of the third, second input of the second OR-NOT logical circuit and the third input of the fifth logical circuit OR, the output of the sixth logical circuit And - with the first input of the first, second input of the third logical OR-NOT circuit and the second input of the fifth logic OR, the outputs of the first, second and third logic circuits OR NOT connected, respectively, to the second inputs of the seventh, eighth and ninth logical circuits AND, and the outputs of the latter, respectively, are connected to the first, second and third inputs of the fourth logic circuit OR, the output of which is connected to the first input of the serial adder, and its second and third inputs are connected to the output of the fifth logic circuit OR and the output of the zeroing block.

На фиг.1 изображено взаимное расположение элементов устройства; на фиг. 2 - расположение растровых штрихов на растровом диске; на фиг.3 - функциональная схема устройства; на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства. Figure 1 shows the relative arrangement of the elements of the device; in FIG. 2 - arrangement of raster strokes on a raster disk; figure 3 is a functional diagram of the device; figure 4 is a timing diagram of the operation of the device.

Устройство для измерения угловых перемещений объекта состоит из растрового диска 1, растровых штрихов 2, источника счета 3, конденсора 4, фотоэлементов 5, 6, 7 и блока регистрации 36. A device for measuring the angular displacements of an object consists of a raster disk 1, raster strokes 2, a source of counting 3, a condenser 4, photocells 5, 6, 7 and a recording unit 36.

Блок регистрации 36 включает в себя: формирователи импульсов 8, 9, 10, первую - 11, вторую - 12, третью - 13, четвертую - 21, пятую - 22, шестую - 23, седьмую - 30, восьмую - 31, девятую - 32 логические схемы И, первую - 17, вторую - 18, третью - 19, четвертую - 33, пятую - 34 логические схемы ИЛИ, триггеры 14, 15, 16, линии задержки 27, 28, 29, первую - 24, вторую - 25, третью - 26 логические схемы ИЛИ-НЕ, последовательный сумматор 35 и блок обнуления 20. The registration unit 36 includes: pulse shapers 8, 9, 10, the first 11, the second 12, the third 13, the fourth 21, the fifth 22, the sixth 23, the seventh 30, the eighth 31, the ninth 32 AND logic, first - 17, second - 18, third - 19, fourth - 33, fifth - 34 logic OR, triggers 14, 15, 16, delay lines 27, 28, 29, first - 24, second - 25, the third - 26 OR-NOT logic circuits, a serial adder 35 and a zeroing unit 20.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Перед началом измерения угловых перемещений блок обнуления 20 производит обнуление RS-триггеров 14, 15, 16 и последовательного сумматора 35 путем подачи электрического сигнала на обнуляющий вход последовательного сумматора 35 и R-входы RS-триггеров 14, 15, 16 через логические схемы ИЛИ 17, 18, 19. В исходном состоянии растровый диск 1, жестко связанный с поворачивающимся объектом, может занимать любое положение относительно фотоэлементов 5, 6 и 7. Поэтому световой поток от источника света 3 будет попадать на любые два фотоэлемента из трех имеющихся в устройстве, потому как растровые штрихи 2 на диске 1 нанесены в виде трех концентрических окружностей (рядов) причем расстояние между растровыми штрихами 2 в каждом ряду равно половине ширины штриха и в соседних рядах штрихи смещены относительно друг друга также на половину ширины штриха. Предположим, что в начальный момент времени t_о световые лучи от источника света 3 через растровые штрихи 2 попали на светочувствительные площадки фотоэлементов 6 и 7. В результате этого на их выходах появляются электрические сигналы, которые поступают на формирователи импульсов 9 и 10, с выходов которых прямоугольные импульсы передаются на входы логических схем И 11, 12 и 13. При этом сигнал с выхода формирователя 9 поступает на второй вход первой схемы И 11 и первый вход второй схемы И 12, а с выхода формирователя импульсов 10 - на второй вход схемы И 12 и первый вход схемы И 13. В результате логическая схема И 12 пропускает электрический сигнал на S-вход RS-триггера 15 и он переходит в единичное состояние, а также через первую логическую схему ИЛИ 17 на R-вход RS-триггера 14, обнуляя его. Электрический сигнал в виде логической 1 поступит на второй вход логической схемы ИЛИ 21 и первый вход логической схемы И 22 и через линию задержки 28 на первый вход, логической схемы И 31, которая пропустит электрический импульс на второй вход логической схемы ИЛИ 33, так как на второй ее вход поступает электрический импульс в виде логической "1" с выхода логической схемы ИЛИ-НЕ 25. Электрический импульс через логическую схему ИЛИ 33 поступает на первый вход последовательного сумматора 35, где производится его подсчет.Before starting the measurement of angular displacements, the zeroing unit 20 zeroes the RS triggers 14, 15, 16 and the serial adder 35 by applying an electrical signal to the zeroing input of the serial adder 35 and the R inputs of the RS triggers 14, 15, 16 through the OR logic 17, 18, 19. In the initial state, the raster disk 1, rigidly connected with a rotating object, can occupy any position relative to the photocells 5, 6 and 7. Therefore, the light flux from the light source 3 will fall on any two of the three photocells available in the device TBE, because the raster touches 2 on the disc 1 are plotted in the form of three concentric circles (rows) and the distance between the raster dashes 2 in each row is equal to half the width of the stroke and in the adjacent rows are offset relative strokes of each other as the half width of the stroke. Suppose that at the initial time t _about, light rays from a light source 3 through raster strokes 2 hit the photosensitive areas of photocells 6 and 7. As a result of this, electrical signals appear at their outputs, which arrive at pulse shapers 9 and 10, from the outputs of which rectangular pulses are transmitted to the inputs of the logic circuits And 11, 12 and 13. In this case, the signal from the output of the shaper 9 goes to the second input of the first circuit And 11 and the first input of the second circuit And 12, and from the output of the pulse shaper 10 to the second input of the circuit And 1 2 and the first input of the circuit And 13. As a result, the logic circuit And 12 passes an electric signal to the S-input of the RS-flip-flop 15 and it goes into a single state, as well as through the first logic circuit OR 17 to the R-input of the RS-flip-flop 14 his. An electrical signal in the form of a logical 1 will go to the second input of the OR logic 21 and the first input of the And 22 logic circuit and through the delay line 28 to the first input of the And 31 logic circuit, which will pass an electric pulse to the second input of the OR logic 33, since its second input receives an electrical impulse in the form of a logical "1" from the output of the OR-NOT 25 logic circuit. An electric impulse through the OR circuit 33 is supplied to the first input of the sequential adder 35, where it is counted.

При дальнейшем повороте объекта против хода часовой стрелки световой поток попадает на фотоэлементы 5 и 7. Электрические сигналы с выходов формирователей импульсов 8 и 10 поступают на входы логической схемы И 13, в результате чего сигнал с ее выхода поступает на второй вход логической схемы ИЛИ 18, обнуляя тем самым RS-триггер 15 и поступает на S-вход RS-триггера 16, который переходит в единичное состояние. Электрический сигнал с его выхода в виде логической "1" поступает на второй вход и первый вход логических схем И 22 и 23, соответственно, на других входах которых сигналы отсутствуют, и через линию задержки 29 на первый вход логической схемы И 32, на второй вход которой поступает сигнал в виде логической "1" с выхода логической схемы ИЛИ-НЕ 26. Электрический сигнал с выхода логической схемы И 32 через логическую схему ИЛИ 33 поступает опять на первый вход последовательного сумматора 35. Upon further rotation of the object counterclockwise, the light flux enters the photocells 5 and 7. Electrical signals from the outputs of the pulse shapers 8 and 10 are fed to the inputs of the logic circuit And 13, as a result of which the signal from its output goes to the second input of the logic circuit OR 18, thereby zeroing the RS-trigger 15 and enters the S-input of the RS-trigger 16, which goes into a single state. The electrical signal from its output in the form of a logical "1" is fed to the second input and the first input of the logic circuits And 22 and 23, respectively, at the other inputs of which there are no signals, and through the delay line 29 to the first input of the logic circuit And 32, to the second input which receives a signal in the form of a logical "1" from the output of the logic circuit OR NOT 26. The electrical signal from the output of the logic circuit And 32 through the logic circuit OR 33 is fed back to the first input of the serial adder 35.

Таким образом, при дальнейшем повороте объекта против хода часовой стрелки электрические сигналы через логическую схему ИЛИ 33 будут поступать на первый вход последовательного сумматора 35. Thus, with a further rotation of the object counterclockwise, electrical signals through the OR logic 33 will be supplied to the first input of the sequential adder 35.

Предположим, что в момент времени t₁ объект начал поворачиваться в противоположном направлении. В этот момент времени присутствует электрический сигнал на выходе RS-триггера 15. В момент времени t₂ световой поток попадает на фотоэлементы 5, 6, в результате чего появится электрический сигнал на выходе логической схемы И 11, который поступит на S-вход RS-триггера 14 и на его выходе появится электрический сигнал в виде логической "1". Этот сигнал поступает на первый вход логической схемы И 21, на втором входе которой имеется сигнал с выхода RS-триггера 15. В результате этого электрический сигнал с выхода логической схемы И 21 поступает на второй вход логической схемы ИЛИ-НЕ 24 и первый вход логической схемы ИЛИ-НЕ 25. Логические схемы 24 и 25 закрывают логические схемы И 30 и 31, исключая тем самым прохождение электрического сигнала через логическую схему ИЛИ 33 на первый вход сумматора 35. При этом линии задержки 27, 28 и 29 обеспечивают временную задержку прохождения импульсов на время, которое должно быть больше времени прохождения электрического сигнала через последовательно соединенные логические схемы 21 и 24, 22 и 25, 23 и 26, соответственно. В данном случае электрический сигнал в виде импульса через логическую схему ИЛИ 34 поступает на второй вход последовательного сумматора 35, где производится его вычитание из количества импульсов, поступивших на первый вход сумматора 35.Suppose that at time t _{1 the} object began to rotate in the opposite direction. At this moment in time, there is an electric signal at the output of the RS-trigger 15. At time t _{2, the} light flux enters the photocells 5, 6, as a result of which an electric signal appears at the output of the logic circuit And 11, which goes to the S-input of the RS-trigger 14 and an electric signal appears in its output in the form of a logical "1". This signal is fed to the first input of the AND 21 logic circuit, at the second input of which there is a signal from the output of the RS-trigger 15. As a result, the electric signal from the output of the And 21 logic circuit goes to the second input of the OR-NOT 24 logic circuit and the first input of the logic circuit OR NOT 25. The logic circuits 24 and 25 close the logical circuits AND 30 and 31, thereby excluding the passage of the electrical signal through the logic circuit OR 33 to the first input of the adder 35. In this case, the delay lines 27, 28 and 29 provide a temporary delay in the passage of pulses by time, which should be longer than the passage of the electrical signal through the series-connected logic circuits 21 and 24, 22 and 25, 23 and 26, respectively. In this case, an electric signal in the form of a pulse through the OR logic 34 is fed to the second input of the sequential adder 35, where it is subtracted from the number of pulses received at the first input of the adder 35.

При дальнейшем повороте объекта в этом направлении переходит в единичное состояние RS-триггер 16 и одновременно обнуляется RS-триггер 15 и остается в единичном состоянии RS-триггер 14. Срабатывает логическая схема И 23 и электрический сигнал с ее выхода через логическую схему ИЛИ 34 опять поступает на второй вход сумматора 35. Upon further rotation of the object in this direction, the RS-flip-flop 16 goes into a single state and the RS-flip-flop 15 is simultaneously reset to zero and the RS-flip-flop 14 remains in a single state. The logic circuit 23 is triggered and the electrical signal from its output through the logic circuit OR 34 to the second input of the adder 35.

На временной диаграмме (фиг.4) в момент времени t₃ объект изменил направление поворота и оно стало аналогичным первоначальному. В момент времени t₄ световой поток поступает на фотоэлементы 5 и 7, в результате чего появляется электрический сигнал на выходе логической схемы И 13. Этот сигнал обнуляет RS-триггер 15 и переводит в единичное состояние RS-триггер 16. Работа устройства аналогична работе устройства на первом этапе от момента времени t₀ до t₁.In the time diagram (figure 4) at time t _{3 the} object changed the direction of rotation and it became similar to the original. At time t _{4, the} luminous flux enters the photocells 5 and 7, as a result of which an electrical signal appears at the output of the logic circuit And 13. This signal resets the RS trigger 15 and puts the RS trigger 16 into a single state. the first stage from time t ₀ to t ₁ .

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами: обеспечивает начало измерения угловых перемещений из любого положения растрового диска, связанного с объектом поворота относительно фотоэлементов; регистрирует изменение направления поворота при повороте растрового диска на одно штриховое деление в противоположном направлении; обеспечивает повышение точности измерения суммарного угла поворота объекта при повороте его в противоположных направлениях. Thus, the proposed device in comparison with the prototype has the following advantages: provides the beginning of the measurement of angular displacements from any position of the raster disk associated with the object of rotation relative to the photocells; registers a change in the direction of rotation when the raster disk is rotated by one dash division in the opposite direction; provides improved measurement accuracy of the total angle of rotation of the object when it is rotated in opposite directions.

Claims

DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS of objects, containing a moving raster disk with evenly strokes, a light source and a condenser located on one side of the disk, photocells for measuring angular displacements installed on the other side of the disk, and a recording unit connected to the inputs of the photocells by its inputs, characterized in that, in order to increase the reliability of measurements and information content, the registration unit includes three pulse shapers, nine AND logic circuits, five logical circuits m OR, three logical circuits OR - NOT, three delay lines, a serial adder and a zeroing unit, and three rows of strokes are plotted along the perimeter of the movable raster disk, shifted relative to each other in each row and in adjacent rows by 1/2 line division and providing the ability to simultaneously illuminate two of the three photocells placed on a line perpendicular to the axis of rotation of the raster disk, and in the radial direction against its row of strokes, the output of each photocell is connected to the input of one shaper of impulses ow, and the output of the first pulse shaper is connected to the first input of the first and second input of the third logical circuits And, the output of the second - with the second input of the first and first input of the second logic circuits And, the output of the third - with the second input of the second and first input of the third logic circuits And, the output of the first logic circuit AND is connected to the S-input of the first RS-trigger and the second input of the third logic OR, the output of the second logic circuit And - with the S-input of the second RS-trigger and the second input of the first logic OR, the output of the third logic AND with S-input the house of the third RS-trigger and the second input of the second logical OR circuit, the first inputs of each of the three logical OR circuits are connected to the output of the zeroing unit, and the output of the first one is connected to the R-input of the first, the second to the R-input of the second, the third to By the R-input of the third RS-flip-flops, the direct output of the first RS-flip-flop is connected to the first input of the fourth and second input of the sixth logic circuit AND, and through the first delay line to the first input of the seventh logic circuit I, the direct output of the second RS-trigger is connected to the second input fourth and first input of the fifth logical Ichem, and through the second delay line with the first input of the eighth logic circuit I, the direct output of the third RS-trigger with the second input of the fifth and the first input of the sixth logic circuit I, and through the third delay line with the first input of the ninth logic circuit I, the fourth output AND logic is connected to the first input of the second, second input of the first OR logic circuit, NOT and the first input of the fifth OR logic circuit, the output of the fifth logic circuit AND, with the first input of the third, second input of the second OR logic circuit, NOT and the third input of the fifth logical circuit OR gates, output of the sixth logic circuit AND - with the first input of the first, second input of the third logic circuit OR - NOT and the second input of the fifth logic circuit OR, outputs of the first, second and third logic circuits OR - NOT connected respectively with the second inputs of the seventh, eighth and ninth logical circuits AND, and the outputs of the latter are respectively connected to the first, second and third inputs of the fourth logical circuit OR, the output of which is connected to the first input of the sequential adder, and its second and third inputs are connected to the output of the fifth logical circuit OR and the output of the block zeroing.