aabzel Jul 2 2023 at 17:44

Как начертить диск энкодера (или черчение кодом)

Medium

5 min

2.5K

Vector graphics*Programming microcontrollers*Graphic design*Manufacture and development of electronics*

Tutorial

В машиностроении есть такие детали, которые очень утомительно чертить вручную. Это, например, шестерни или диск оптического энкодера. Не всякий бесплатный софт способен сгенерировать симметричный и предсказуемый паттерн по кругу.

Как начертить N=500 трапециевидных окон по периметру окружности? Причем так, чтобы всё было симметрично. Как нарисовать детское Солнышко только ровно с 600 лучами?

Для решение таких проблем существуют текстовые языки построения чертежей: Graphviz, Asymptote и др.

Сначала я смотрел в сторону Graphviz, однако Graphviz при повороте искажает форму фигур. Пришлось искать альтернативу Graphviz.

Приглянулся язык программирования для черчения Asymptote: The Vector Graphics Language. Оказалось отличный вариант для авто генерации чертежей.

Постановка задачи.

Надо начертить диск оптического энкодера по параметрам.

№	Параметр	Переменная
1	Количество черточек или трапециевидных отверстий	N
2	Скважность	T
3	внешний диаметр	D
4	внутренний диаметр	d

Вот такие узенькие трапеции должны выстраиваться по окружности.

диск оптического энкодера под увеличением

Понятное дело, что чертить вручную каждое окно такого диска можно замучиться уже на 8м окне, а надо обычно 500-800 окон. Тут на помощь приходит интерпретируемый язык разметки точной графики, например, Asymptote: The Vector Graphics Language. Установить его можно тут https://asymptote.sourceforge.io/

После установку Asymptote появляется папка C:\Program Files\Asymptote. Также для работы этого интерпретатора нужна утилита GPL Ghostscript. C:\Program Files\gs\gs10.01.2

По умолчанию утилита asy генерирует *.eps файл. Но можно и принудительно заставить сгенерировать *.pdf.

settings.outformat = "pdf";
unitsize(1mm);

real in_radius = 25.0;
real out_radius = 50.0;
real number_of_strips = 365.0;
real belt = 10.0;

real step_deg=360.0/number_of_strips;

//draw((0,0)--(8,8),0.2bp+red);
dot((0.0,0.0));



draw(circle((0.0,0.0), out_radius+belt), 0.1bp+ black);
fill(circle((0.0,0.0), out_radius+belt),black);

fill(circle((0.0,0.0), out_radius),white);

draw(circle((0.0,0.0), in_radius), 0.1bp+ black);

fill(circle((0.0,0.0), in_radius),black);

fill(circle((0.0,0.0), 3),white);
   
draw(circle((0.0,0.0), out_radius), 0.1bp+ black);
real phi_deg;
real phi_rad;

real phi_deg1;
real phi_rad1;
real phi_deg2;
real phi_rad2;

real phi_mid_deg;
real phi_mid_rad;
real N;

for( N=0.0; N<number_of_strips; N += 1){
    phi_deg = step_deg*N;
    phi_deg1 = phi_deg;
    phi_deg2 = phi_deg+step_deg/2;
    phi_mid_deg = (phi_deg1+phi_deg2)/2.0;
    phi_mid_rad = phi_mid_deg*3.14159/180.0;
    phi_rad1 = phi_deg1*3.14159/180.0;
    phi_rad2 = phi_deg2*3.14159/180.0;
    path req  =(in_radius*cos(phi_rad1),in_radius*sin(phi_rad1))--(out_radius*cos(phi_rad1),out_radius*sin(phi_rad1))--(out_radius*cos(phi_mid_rad),out_radius*sin(phi_mid_rad))--(out_radius*cos(phi_rad2),out_radius*sin(phi_rad2))--(in_radius*cos(phi_rad2),in_radius*sin(phi_rad2))--cycle;
    //draw(req,0.05bp+black);
    fill(req,black);
    //draw((4.0*cos(phi_rad),4.0*sin(phi_rad))--(8.0*cos(phi_rad),8.0*sin(phi_rad)),0.05bp+black);
}


fill(circle((out_radius+belt/2.0,0.0), 3),white);

Минимальный скрипт запуска интерпретатора Asymptote

cls
"C:\Program Files\Asymptote\asy.exe" -V -f pdf EncoderDisk.asy

Получился такой *.pdf файл с вот таким рисунком диска

Причем для того чтобы начертить эту сложную деталь в теории даже мышка не нужна. Вот такой путь проходит файл исходник *.asy перед тем как стать файлом чертежа *.svg.

Вот простейший скрипт сборки

cls
"C:\Program Files\Asymptote\asy.exe" -V -f pdf drawing.asy
inkscape.exe --without-gui --file=drawing.pdf --export-plain-svg=drawing.svg
start chrome -open %cd%/drawing.svg

Этот диск с черточками - это не просто абстрактная эфемерная задачка. Это основа прецезионных датчиков угла основанных на муаровом эффекте. Так называемый растровый потенциометрический интерполятор.

Суть очень проста. Если взять 2 прозрачных диска (например из оргстекла), нарисовать на них этот узор, насадить 2 диска с узорами на одну ось и начать вращать диск 2 по отношению к диску 1, то при перемещении на угол 1/N свет изменится с максимальной яркости до минимальной. За один оборот диска яркость будет меняться N раз, где N- количество черточке. Значит можно увеличивать точность просто увеличивая N количество черточек.

При этом зарегистрировать эти перемены в пропускании света можно светодиодом и фоторезистором между которыми 2 диска.

Если наложить 2 диска 500 штрихов и 510 штрихов, то на суммарной картинке формируется 10 муаровых полос. Прям как разница между количествами штрихов 510-500 = 10.

два диска 500 и 510 полос образуют 10 муаровых полос

Если количество полос отличается на 5 полосок, то образуется 5 муаровых секторов.

Если количество полос отличается на 4 полосок, то образуется 4 муаровых сектора.

диск 500 штрихов наложенный на диск 504 штриха

Если установить 2 LEDа и фоторезисторы, то получится датчик угла.

Достоинства датчиков угла на муаровом эффекте:

++1 можно добиться очень высокой точности измерения углов. Чем больше штрихов на оборот, тем выше точность. Высокая разрешающая способность до 20 угловых секунд.

++2 не имеет особого значения место установки и размер источника света и датчика яркости. Площадь возможного места установки можно выбирать по желанию конструктива.

++3 Если сделать разное количество штрихов на дисках, то можно определять не только угловую скорость вращения, но и направление вращения. Понадобится еще одна пара светодиод и датчик освещенности. Получится инкрементный энкодер на муаровом эффекте.

++4 не требуется точного источника освещения. Подойдет обычны светодиод с линзой и фоторезистор с быстрым откликом.

Недостатки датчиков на муаровом эффекте:

--1 надо очень аккуратно изготавливать диски с черточками

--2 Нет возможности делать измерение абсолютного значения угла. Приходится как в маховиках автомобиля делать на диске ключ. Энкодер получается инкрементным.

--3 Если между LED и датчиком света окажется пыль или песок, то датчик перестанет работать. Нужен конструктив с изоляцией от пыли.

--4 Может быть очень высокая частота следования квадратурного сигнала на высоких оборотах выше, чем частота тактирования микроконтроллера.

Вывод

Чтобы быть чертежником надо быть программистом и ориентироваться в тригонометрии.

Акроним	Расшифровка
ССW	counterclockwise
CW	clockwise
GPIO	general-purpose input/output
ADC	analog-to-digital converter
MCU	MicroController Unit
LED	light-emitting diode