專利名稱：平面坐標控制機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在工業(yè)控制計算機的輸入端前面配備一個指令給定裝置，通過采樣輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯運算，在輸出端得到兩維平面坐標值，用以對現(xiàn)場設(shè)備和生產(chǎn)過程進行實時的直接數(shù)字控制。其示意圖如

圖1。
計算機應(yīng)用帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但由于我國在傳感器和終端執(zhí)行機構(gòu)方面的技術(shù)落后于發(fā)達國家，使計算機在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制。本發(fā)明是應(yīng)用電場理論設(shè)十出一種計算機指令給定裝置，給計算機和微機的應(yīng)用開辟了一個新的方法。
從現(xiàn)有的技術(shù)資料看，將長度這一非電量轉(zhuǎn)換成電量的方法很多，但還沒有將平面上某點的位置轉(zhuǎn)換成坐標值而自動顯示的技術(shù)。平面坐標控制機實現(xiàn)了這一功能，并用于計算機控制系統(tǒng)中。
平面坐標控制機是用人手中的一支電壓測試筆，這里暫稱指令筆，在一張生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場的模擬平面上按人的意志接觸移動，而計算機根據(jù)輸入的電壓信號控制現(xiàn)場設(shè)備的運行。
平面坐標控制機的指令給定裝置是在一塊園形的，由具有一定電阻率的材料制成的薄板園周上嵌裝三個園柱形電極加上指令筆組成。電極和園薄板都固定安裝在一塊絕緣的底襯板上，三園柱形電極的幾何中心位置在直角等腰三角形的三個頂點上，如圖2所示。為了表達清晰，三個電極是放大了的。
它的原理如下根據(jù)電磁場理論中的靜電比擬原理，在一個無限大的由電阻材料制成的薄平板上安裝兩個相距為2h的相同的園柱形電極，在兩電極上加直流電壓后，則薄平板上所分布的恒流電場與兩平行長直帶異號電荷且相距2h的園直導(dǎo)線在空中開成的電場相似，如圖3所示。
應(yīng)用馮慈璋主編的“電磁場”一書中介紹的電軸法進行分析可知，等位線和E線都由園弧構(gòu)成且互相正交。代表E線的園弧園心均在兩電極對稱軸上。我們?nèi)稳∫粋€園心在對稱軸上，且經(jīng)過兩電極電軸中心的園來分析，如圖3中實線所示，我們看到無論是園內(nèi)或園外的E線部是由正電極發(fā)出而終止于負電極，因δ＝Y(jié)E，如果把所有的δ線都視作眾多的并聯(lián)支路，則這些互相并聯(lián)的支路只與施加的電壓有關(guān)，我們把園外的并聯(lián)支路撤去，園內(nèi)的δ線(E線)和等位線都不會變化。這就說明當指令給定裝置的園薄板邊緣上的任意兩個電極施加直流電壓所形成的恒流電場與在無限大的薄平板上分布電場的園內(nèi)部份是一樣的，這點也可由唯一的性定理推證。筆者用碳精粉加水泥制成園薄板并用?；匕宕u作底襯做實驗證明上述理論是精確的。
我們?nèi)曰氐綀D2去分析，圖中O、A、B是三個電極的園心，<AOB=π2,]]>H、J、H′、J′代表電極O與電極A、B通電時的電軸中心。H、J、H′、J′在園薄板的園周上。如果我們將電極O接+5伏電壓，電極A、C用高速轉(zhuǎn)換開關(guān)分時加以-5伏電壓，這時在園薄板上任意一點可用計算機外圍的模擬量輸入通道中的多路轉(zhuǎn)換采樣器分時地測得兩個電位值V1和V2。
將園薄板所在的平面視作×OY坐標平面，OA方向代表×軸，OB代表Y軸，OA、OB和園周所包圍的園薄板右上方的區(qū)域視作有效區(qū)域，并規(guī)定指令筆只能在有效區(qū)域內(nèi)測量V1和V2。由于在后面的論述中我們將了解這個有效區(qū)域?qū)嶋H就是平面坐標控制機所控制的整個作業(yè)現(xiàn)場模擬面，因此我們稱它為模平面。
現(xiàn)在對V1和V2這兩個電位值進行分析。
根據(jù)靜電比擬，當任一對電極通電時，模平面上任意一點的電位V可表示成V=τ2πϵ0Inγ2γ1----(1)]]>即γ2γ1=e2πϵ0τv----(2)]]>r1、r2分別是該點到正負軸心的距離。取X軸與電極O的園周的交點來研究。(設(shè)電極半徑為r，OA＝2h)γ2γ1=h2-γ2+(h-γ)h2-γ2-(h-γ)----(3)]]>前面已說過電極O接+5伏電壓，因此交點電位為5伏由(2)和(3)式2πϵ0τ=In[h2-γ2+(h-γ)h2-γ2-(h-γ)]5]]>
因上式右邊的都是實際存在的已知量，將其代入上式計算得到固定值2πϵ0τ=K]]>于是(1)式變成γ2γ1=ekv----(5)]]>上式中K為已知常量在圖2中，設(shè)OH＝OH′＝Δb OJ＝OJ′＝S對照前面所述可知Δb=h-h2-γ2]]>S=h+h2-γ2]]>現(xiàn)在把測得的V1和V2的值都代入(5)式，得到二元二次方程組 求解出上面方程組中X、Y的值便得到指令筆在模平面所接觸的那點在×OY坐標系的第一象限的坐標值，但用普通計算機求解這組方程運算周期較長，對于要求快速反應(yīng)的實時控制系統(tǒng)而言，實施應(yīng)用可能有些困難，筆者將整理出來的程序框圖繪于圖7以供參閱。
現(xiàn)在考慮將電極半徑做得充分小的情況，如S＝1m，r＝1mm即r＝10-3S，因S≈2h故r＝10-3(2h)由已知關(guān)系式有Δb=h-h2-γ2=h-h2-4h2×10-6]]>=h(1-1-4×10-6)]]>≈h(1-(1-2×10-6)2)]]>＝h×2×10-6≈10-6S
同理可推，若r＝10-4S則Δb＝10-8S能否略去Δb應(yīng)從常量S所設(shè)定的正整數(shù)的大小而定，可以肯定在多數(shù)實際應(yīng)用中是可行的。
略去Δb后，將方程組兩邊平方得到 其中K、S、V1、V2為已知值，K、S為常量，V1、V2是經(jīng)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的不斷變化著的數(shù)字字量；X、Y是待求未知量。消去二次項整理得x=2(e2KV1-1)y+(e2KV2-e2KV1)s2(e2KV2-1)----(8)]]>設(shè)V2≠0將(8)代入(7)式整理得一元二次方程[(e2KV1-1)2+(e2KV2-1)2]y2+[(e2kV1-1)(e2KV2-e2KV1)]]>+2(e2KV2-1)]sy+S2/4[(e2KV2-e2KV1)2-]]>4(e2KV2-1)]=0----(9)]]>因X、Y的值在規(guī)定的有效區(qū)域，計算中只取求根公式中平方根號前的正號來算出Y的值并代入(8)式中。當V2＝0，V1≠0時，取Y=S/2]]>；X則按下式求得X=[4e2KV1-(e2KV1-1)2-2]S2(e2KV2-1)----(10)]]>當V1＝V2＝0， 則x=y=S/2]]>
用計算機求解這組方程的程序框圖如圖4。注意當一個計算周期運行完畢后計算發(fā)出切換電源負極的指令，這個指令同時也命令計算機 接口前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始一個周期的運行。
筆者走訪了重慶的許多家電腦公司，如重慶康威電子技術(shù)開發(fā)公司，渝泰電腦公司。軟件編程人員均認定，若采用工業(yè)控制計算機如Intef 466(美國)，研華(臺灣)和方園工控機(北京)都可以在1mS的時間內(nèi)完成圖4所示的運算程序。與計算機同時運行的外圍模擬通道中的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需時間更短，其精確度均可到8位有效數(shù)字。
這里對略去Δb后如何提高平面標控制機的控制精確度的幾個問題說明如下。
1、r≤10-3S，這是為保證精確度所必需的，原理前面已述及。這點同時也減少了園形薄板的缺口對電場分布的影響。
這里S的含意有兩層，在式r≤10-3S中，它是模平面上OJ的實際尺寸；但模平面是作業(yè)現(xiàn)場的模擬面，如果平面坐標控制機控制是運行在現(xiàn)場上方的縱橫向的步進電機，則S輸進計算機的值應(yīng)當是步進電機從現(xiàn)場中的0點運行到J點所需的電脈沖個數(shù)。2、在模平面上E→=ΔVΔL]]>，而E→=E→1+E→2=τ2πϵ0γ1+τ2πϵ0γ2]]>，而不論哪對電極通電，場強最弱的區(qū)域是在兩電極的垂直平分線的上(右)方。設(shè)E1、E2的矢量夾角為α，則在垂直平分線上任一點的場強E→=E→1+E→2=τ2πϵ0γ12(1+COSα)]]>這里r1＝r2。取α=π/2]]>來分析，由前面式(4)我們有E→=2τ2πϵ0γ1=τπϵ0S=2×5In[h2-γ2+(h-γ)h2-γ2-(h-r)]·S]]>上式中S=2γ1=2γ2]]>
因r＝10-3S，故r≈10-3(2h)，代入上式得In[h2-γ2+(h-γ)h2-γ2-(h-γ)]≈In[(1-2×10-6)h-(1-2×10-3)h(1-2×10-6)h-(1-2×10-3)h]]]>≈In103≈7于是E≈107S]]>，這里分子中的10是兩電極間所加的直流電壓的差值，即(+5)－(-5伏)＝10伏?？梢娪岣唠妶鰪姸戎灰黾觾蓸O間所施的直流電壓即可。
E的強度值應(yīng)由控制所需要的精度和V1、V2被采樣量化的最小單位值來決定，如果在模平面上指令筆移動Δl就需要計算機能夠“感知”的話，那么E值就應(yīng)保證Δl的距離間V1和V2的變化量ΔV大于最小量化單位。
3、V1和V2的測量精度取決于測量端的內(nèi)阻和被測部分的電阻之比。根據(jù)靜電比擬原理，在無限大的電阻材料制成的薄平板上兩園柱導(dǎo)體間的電導(dǎo)可用空中兩輸電線間電容的計算公式經(jīng)過對應(yīng)量代換而求得?！半姶艌觥币粫鳳66給出了空中兩輸電線電容計算公式，由此可推得無限大的薄平板上兩園柱導(dǎo)體間電阻計算公式為R=ρInS/r·Δd]]>而在園形薄板園周上兩園柱導(dǎo)體間電阻正好是在無限大的薄平板上的2倍，這點可以通過對無限大的薄平板上兩園柱導(dǎo)體加直流電壓后所形成的恒流電場來分析證明，我們在薄平板上任畫一個經(jīng)過兩園柱電極的電軸中心的園，用數(shù)學(xué)積分很容易地算出園內(nèi)的E線通量正是所有E線的一半，也就是說園內(nèi)通過的電流是兩電極間在整個薄板上的一半。
于是我們得到模平面上任意兩電極間的電阻是R=2ρInS/rπ·Δd]]>
令S/r=103]]>，取園板厚度Δd＝1mm得R=2ρIn1033.14×103=4.4ρ×10-3(Ω)]]>R的取值以10～100(Ω)比較合適，因此電熱合金等金屬材料均不適宜。而無線電手冊介紹的由高電阻系數(shù)材料、粘接劑和填料混合后壓制而成的碳質(zhì)電阻才有可能，如果碳質(zhì)電阻的ρ值取 ，則R值約為10～100(Ω)。筆者對電阻材料了解很少。相信對這方面有專門知識的工程技術(shù)人員能找到更適用的。
以R值代表模平面被測量部分的電阻，取測量儀表內(nèi)阻為10MΩ，于是101R≥105]]>在這里測量精度可達5位有效數(shù)字，當然若需進一步提高精度可用ρ值更小的材料或內(nèi)阻更高的電壓表。
以上所談的三個有關(guān)控制精度的問題卻又是互相影響的，若電極半徑r取得很小將造成模平面中間區(qū)域等位線過稀,為了提高等位線的密度(即增大E的值)又要增加電極間的電壓，這時園薄板的ρ值要取得很低，否則將因被測部分電阻過高而影響測量精度，最后導(dǎo)致在很細的電極上將通過較大的電流，這樣電極和電極周圍的電阻材料是否能承受將是一個問題。
還要提及指令筆的構(gòu)造，為了防止空間雜散電場信號竄入信號端，指令筆與模平面的觸點，即V1和V2的測量端未壓在模平面上時應(yīng)處于“鎖定”狀態(tài)，這可以在筆桿內(nèi)安裝彈簧來實現(xiàn)，在沒有使用的時刻測量端接-5伏的電位，這時計算機在求解X、Y的運算過程中，因一元二次方程的判別式D＜0而重復(fù)地返回到輸入端，見圖4。而當指令筆端壓在模平面上工作時因受壓力與負電位斷開。
下面是平面坐標控制機在應(yīng)用方面的幾個設(shè)想。
1、它可將平面上某一點的位置用平面坐標的方式自動測試顯示。有關(guān)原理已講得很清楚。在非電量的電測量這一技術(shù)領(lǐng)域中，應(yīng)用原理上是一個創(chuàng)新。
2、在倉庫和有毒氣或高溫的環(huán)境，用平面坐標控制機的兩維坐標輸出端分別控制縱橫向加強型步進電機來代替運送物體的行車可實現(xiàn)準確操作和無人作業(yè)區(qū)。因為模平面是整個操作控制現(xiàn)場的模擬面，故現(xiàn)場中任何高出地面的設(shè)施或堆放的物件均要在模平面上定置，高度也須標明。起重掛鉤應(yīng)改用電磁吸盤，以便操作人員在遠距離或視線范圍外仍能準確操作。
為了使步進電機能準確地運行到位，輸出端控制系統(tǒng)如圖5所示。
圖中可逆計數(shù)器同時是步進電機所在平面坐標的位置寄存器，而減法器將計算機輸出寄存器的值減去可逆計數(shù)器存放的值，其差值的符號位去控制進給方向和可逆計數(shù)器的加減控制門如果差值為0，則減法器中寄存差值的各位寄存器皆為“0”狀態(tài)，用它們的邏輯或門低電平關(guān)閉時序脈沖發(fā)生器通向進給電路的門。
圖5中可逆計數(shù)器的計數(shù)脈是由進給信號提供的，這里是用正反向進給信號通過或門發(fā)出。如果能按數(shù)控機床的光電式閱讀機的原理制造出轉(zhuǎn)盤式的脈沖發(fā)送裝置安裝在步進電機的軸上，使步進電機每移動一步便發(fā)出一個脈沖給可逆計數(shù)器，那么整個控制系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)，控制效果更理想。
3、平面坐標控制機用于廣告宣傳，將產(chǎn)生“空中飛筆”般的效果。其輸出端控制系統(tǒng)如圖6所示。
這里的X、Y坐標輸出寄存器也是地址寄存器，經(jīng)地址譯碼后，X，Y向的地址譯碼器通向廣告牌的總線中各只有一根輸出正脈沖，其余皆為0電平，這樣在用電燈排布的整個廣告面上，X向被選中的線所輸出的正脈沖將橫向連結(jié)一排可控硅控制極全為正電位；而Y向被選中的線所輸出的正脈沖將橫向連結(jié)一排可控硅陰極的一根導(dǎo)線上串聯(lián)著的可控硅觸發(fā)。于是處在縱橫向都被選中的那只可控硅便被觸發(fā)導(dǎo)通，被串聯(lián)著的電燈發(fā)光。可控硅門極開通時間為us級，所以脈沖的寬度是足夠的。對直流可控硅而言，觸發(fā)后就一直導(dǎo)通。
因此，對指令筆在模平面上畫出的任何圖案，廣告牌應(yīng)如有“空中飛筆”般地顯示出來。要注意計算機系統(tǒng)所用的電源和供電燈使用的直流電源是互相獨立的兩個電源。O電位不接地。廣告內(nèi)容只有切斷電燈電源才消失。
這里，我們還可用一臺盒式磁帶機通過I/O接口與計算機的CPU相連，這樣，廣告就能多次地重復(fù)顯示錄制好的文字圖案。這種廣告雖比顯像管排布的廣告效果要差一些，但具有用費低且易于維護的特點。
4、在軍事上，雷達雖然準確地測出高空敵機，卻不能用來測定地面目標。而具有自動導(dǎo)航裝置的中遠程導(dǎo)彈又造價昂貴。如果將整個戰(zhàn)場的平面圖精確地繪制在平面坐標控制機的模平面上，而用飛機或其它偵察手段了解敵軍活動地點后，可用指令筆瞬間測出敵軍的方位距離，利用軍用圖上的等高線標出的高度，迅速將打擊目標的方位距離和高低角度通知炮群。
這里強調(diào)指出，在確定常量S在計算機中設(shè)定值時應(yīng)根據(jù)實際情況。如果平面坐標控制機用于一個用電燈排列的正方形的廣告面，并且縱橫向電燈行列數(shù)相等，S即是這正方形每邊的電燈個數(shù)。
模平面的設(shè)計尺寸應(yīng)視使用對象的需要，同時參照前面有關(guān)控制精度的三個方面的討論。厚度應(yīng)該是薄一些好，制作工藝必須精良。
與計算機程序控制的一些實例相比(如線切割機)，平面坐標控制機無須指令程序輸入，而是根據(jù)需要隨時按人的意志操作，它不屬于自動控制，但如果用機械代替人手控制指令筆，它完全可能成為自動控制系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。
權(quán)利要求
一種能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備實行二維坐標控制的數(shù)控裝置，其特征在于它的指令給定部分是由一塊園形的由電阻材料制成的薄板與邊緣上嵌裝的三個電極再加一枝電壓測量筆組成。
全文摘要
本發(fā)明的主體是在一塊圓形的由電阻材料制成的薄板邊緣嵌裝三個圓柱形電極。三電極的圓心位置在直角等腰三角形的三個頂點上。在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，當電極間加直流電壓時，應(yīng)用電場理論中的靜電比擬原理，對圓板上分布的恒流場進行數(shù)學(xué)物理分析，建立了薄板面上任意一點的電位值，與該點所示的平面坐標系中坐標值之間的函數(shù)關(guān)系式。把長度位置這一非電量轉(zhuǎn)換成計算機所能接受的電位值，并將這一原理用于電氣控制中。
文檔編號G05B19/19GK1133979SQ95102370
公開日1996年10月23日 申請日期1995年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月18日
發(fā)明者王小海 申請人:王小海