RU1795273C - Способ измерени перемещений объекта и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и расширение диапазона измерений. Формируют несколько световых марок, св занных с перемещающимс  объектом и расположенных на заданном рассто нии друг от друга и последовательно провод т их вдоль фоточувствительной поверхности фотопреобразовател , определ ют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определ ют перемещение. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Description

ел

С

Изобретение относитс  к измерительной; технике и может быть использовано дл  бесконтактного измерени  перемещений объектов и контрол  позиционировани  станков с ЧПУ, промышленных роботов, предназначено дл  систем автоматизации технологических процессов в машиностроении .

Известен способ и устройство дл  измерени  положени  объекта, заключающийс  в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразовател , источник фвета св зан с объектом перемещени ; преобразуют распределение освещенности в видеосигнал, выдел ют временной интервал , пропорциональный смещению обьекта относительно первоначального положени . Временной интервал заполн етс  импульсами , количество которых подсчитываетс  счетчиком.

Недостатком данного способа и устройства  вл етс  малый диапазон измерени  перемещени , определ емый длиной фото чувствительной поверхности фотопреобразовател . При использовании оптического масштабировани  дл  увеличени  диапазо на пропорционально уменьшаетс  точ ность.:

Наиболее близким по технической сущности к за вленному и выбранным за прототип  вл етс  способ измерени  перемещени  объекта, заключающийс  в том, что формируют на поверхности фотопреобразовател  световую марку, преобразуют ее в электрический сигнал, по которому опре- .дел ют положение энергетического центра световой марки и по нему суд т о перемещении объекта.

. Известно устройство дл  реализации этого способа, содержащее последовательно установленный оптический узел, блок обработки сигнала, а также блок формировани  кода, выход которого  вл етс  выходом устройства , блок управлени , причем управл ющий выход блока управлени  соединен со входом фотопреобразовател , а синхроних| Ч |СЛ

Ю XI СА)

зирующий выход и выход высокой частоты подключены к блоку формировани  кода, тактовый выход блока управлени  соединен с. блоком обработки сигнала.

Недостатком известного способа и устройства  вл ютс  малый диапазон измерени  и уменьшение точности при расширении этого диапазона.

Целью, изобретени   вл етс  повышение точности и расширение диапазона измерений;

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  перемещений объекта , заключающемс  в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразовател , преобразуют оптический сигнал от марки в электрический сигнал, определ ют по нему положение энергетического центра световой марки, по которому суд т о перемещении объекта, формируют на поверхности фотопреобразовател  несколько дополнительных световых марок, источники всех световых марок св заны с перемещающимс  объектом, световые марки последовательно перемещают вдоль фотопреобразовател , подсчитывают количество прошедших вдоль фотопреобразовател  световых марок, а перемещение объекта определ ют с учетом номера и позиции каждой световой в текущий момент, общее перемещение вычисл ют по формуле

m

х 2 п-1 + х| 1 1

В устройстве дл  измерени  перемещени  объекта, содержащем последоваг тельно установленные оптический узел, выполненный в виде оптически св занных источника света, диафрагмы и фотопреобразовател , блок обработки сигнала, блок формировани  кода, выход которого  вл етс  выходом устройства, блок управлени , управл ющий выход которого соединен со входом фотопреобразовател , а синхронизирующий и выход высокой частоты - подключены к блоку формировани  кода; тактовый выход блока управлени  соединен с блоком обработки сигнала, оно снабжено блоком определени  номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управлени  выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определени  номера источника подключен к дополнительному выходу блока управлени , сигнальный вы- . ход соединен с сигнальным входом блока формировани  кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управлени , а информационный выход блока определени  номера источника  вл етс  дополнительным выходом устройства , источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных источников, устанавливаемых на заданном рассто нии друг от друга вдоль направлени  перемещени  объекта и кинематически св занных с ним.

Сравнение предложенного технического решени  с прототипом показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающей увеличение диапазона измерени :

формируют несколько световых марок, св занных с перемещающимс  объектом и расположенных на заданном рассто нии друг от друга, и последовательно провод т их вдоль фоточувствительной поверхности

фотопреобразовател ;

определ ют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определ ют перемещение.

На фиг.1 приведена функциональна 

схема устройства дл  реализации способа измерени  перемещени  объекта; на фиг.2 - примеры реализации оптического узла.

Устройство содержит последовательно установленные оптический узел 1, блок 2

обработки сигнала, блок 3 формировани  выходного кода, а также блок 4 управлени  и блок 5 определени  номера. Оптический узел 1 состоит из оптически св занных источника света 6, диафрагмы 7 и фотопреобразовател  8, выход которого подключен ко входу блока 2 обработки сигнала. Источник 6 света кинематически св зан с перемещающимс  объектом. Выходы блока 4 управлени  св заны с остальными блоками по

следующим шинам:

управл ющие выходы по шине 9 с управл ющим и тактовыми входами фотопреобразовател  8;

тактовый выход по шине 10 с тактовым

входом блока 2 обработки сигнала;

высокочастотный выход по шине 11с высокочастотным входом блока 3 формировани  выходного Кода;

синхронизирующий выход п,о шине 12с

0 синхронизирующим входом блока 3 формировани  выходного кода;

задающий выход текущего кода координаты развертки фотопреобразовател  8 по шине 13 с координатным входом блока 5

5 определени  номера.

Сигнальный выход блока 2 обработки сигнала (шина 14) подключен к сигнальному входу блока 5 определени  номера, сигнальный выход которого (шина 15) св зан с сигнальным входом блока 3 формировани  выходного кода.

Выходами устройства  вл ютс  выходы блока 3 формировани  кода (шина 16) и выходы блока 5 определени  номера источника 6 (шина 17).

Оптический узел в зависимости от областей применени  может быть выполнен (фиг.2) в различных вариантах, например, каждый элементарный источник света, установленный на заданном рассто нии отсосед- них, может иметь конструктивно св занную с ним щелевую диафрагму 7, котора  формирует узкий пучок света (фиг.2, а). При необходимости оптического масштабировани  (фиг.2, б) светова  марка может формироватьс  с помощью щелевой диаф- раГмы, конструктивно св занной с фотопреобразователем . В этом случае перемещение объекта св зано с перемещением световой марки зависимостью

Дх --Јд1 ,

где d - рассто ние от источника 6 света до щелевой диафрагмы 7;

f- рассто ние от щелевой диафрагмы 7 до фотопреобразовател  8.

Следует отметить, что в этом случае направление перемещени  объекта противоположно перемещению объекта в случае с расположением щелевых диафрагм на каждом источнике, а диапазон перемещени  и. масштаб преобразований определ етс  рассто ни ми d и f и может легко измен тьс  в большую или меньшую сторону. Разновидностью этого случа   вл етс  выполнение щелевой диафрагмы в виде цилиндрической линзы, установленной перпендикул рно фоточувствительному р ду фотопреобразователей (фиг.2 в): Выражение дл  перемещени  объекта и световой марки такое же, как в предыдущем варианте. Отличием  вл етс  то, что цилиндрическа  линза собирает световой поток с гораздо большей площади по сравнению с щелью и фокусирует световую марку в виде узкой полоски, обеспечива  больший уровень интенсивности световой марки и соответственно большее рассто ние между фотопреобразователем 8 и источником света.

Блок 2 может быть выполнен по известной схеме, содержащей усилитель, блок выборки-хранени , фильтр низких частот и амплитудный дискриминатор (аналогично как у прототипа).

Фотопреобразователь 8 может быть выполнен в виде фотолинейки ПЗС или в виде интегральной МДП-фотодиодной линейки,

имеющих большое количество дискретных фото чеек (128-2048)

Блок 4 управлени  м$жет быть выполнен по известной схеме (прототип) или содержать 5 тактовый генератор с высокочастотным и тактовым выходами, делитель частоты с фззоим- пульсным представлением информации, тактируемый блок задержки. Коэффициент делени  делител  определ етс  количест0 вом элементов фотопреобразовател  8. Делитель может быть выполнен на основе счетчика, имеющего выходы текущего кода координаты,

В зависимости от типа используемого

5 интегрального фотоприемника 8 блок 4 выдает по шине 9 требуемые тактовые и управл ющие импульсы.

Блок 5 определени  номера источника может быть выполнен, например, в следую0 щем виде (фиг.4). Он содержит дешифратор 18 кода начального участка фотопреобраэо- вател  8, дешифратор 19 кода конечного участка фотопреобразовател  8, элементы 20,21,29, 30, 33, 36, 37 И, два амплитудных5 детектора 22, 23, элементы 24, 31, 39 ИЛИ, тригеры 27, 28, 34, 38, элементы задержки 25, 26, 35, 40, реверсивный счетчик 32. Вход пр мого счета счетчика 32 соединен с инверсным выходом триггера 27, вход обрат0- ного счета соединен с пр мым выходом триггера 27. Вход записи триггера соединен с выходом 31 ИЛИ. Первый вход 31 ИЛИ подключен к выходу 29 И, второй - к выходу 30 И, первый вход 29 И соединен с пр мым

5 выходом триггера 27, второй вход соединен с выходом амплитудного детектора 23, третий вход объединен с первым входом 30 И. Первый вход 30 И соединен с инверсным выходом счетного триггера 28, второй вход

0 соединен с инверсным выходом триггера 27, третий вход соединен с выходом амплитудного детектора АД22. Вход С триггера 28 объединен с входом С триггера 27. Вход триггера 27 подсоединен к выходу элемента

5 задержки 25, вход Р подсоединен к выходу элемента задержки 26, вход С подключен к выходу 24 ИЛИ. Первый и второй входы 24 ИЛИ объединены соответственно с входами элементов задержки 25 и 26. Вход элемента

0 задержки 25 соединен с выходом амплитудного детектора АД22. вход элемента задержки 26 соединен с выходами амплитудного детектора 23. Вход амплитудного детектора АД22.соединен с выходом 21 И, вход АД23

5 соединен с выходом 21 И. Первый вход 20 1/1 соединен с выходом дешифратора кода 18 начального положени  развертки фотопреобразовател  8. Второй вход объединен с первым входом 21 И и подключен к шине 14. Второй вход 21 соединен с выходом дошифратора конечного участка 19 фотопреобразовател  8. Входы начального и конечного дешифратора объединены и подключены к шине 13.

Амплитудные детекторы 22 и 23 служат дл  определени  наличи  входных импульсов независимо от их длительности и выдачи при этом высокого уровн . Они могут быть выполнены по известным схемам пиковых детекторов, устройств выборки-хранени , элементов пам ти и др.

Элементы задержки 25, 26, 35, 40 служат дл  нормального функционировани  элементов 27, 34, 38.

Первый вход элемента 33 И соединен с инверсным выходом триггера 27. второй вход соединен с пр мым выходом триггера 28, третий вход соединен с выходом амплитудного детектора АД22. Выходэлемента 33 И соединен с входом триггера 38. Первый вход элемента 39 ИЛИ соединен с выходом элемента 36 И, второй - с выходом 37 И. Первый вход 36 И объединен с входом С триггера 34 и подключен к шине 14, второй вход соединен с пр мым выходом триггера 34, третий вход соединен с пр мым выходом тригера 38. Первый вход 37 И соединен с инверсным выходом триггера 38. Второй вход элемента 37 И соединен с инверсным выходом триггера 34, третий - соединен с выходом элемента задержки 35. Вход элемента 35 подключен к шине 12. Вход С триггера 38 соединён с выходом элемента задержки 40. Вход элемента 40 объединен с третьим входом 33 И, Вход Р триггера 38 соединен с выходом амплитудного детектора АД23.

Дешифраторы 18, 19 начального и КО нечного участков фотопреобразовател  8- выдают высокий уровень в моменты опроса этих участков по текущему коду развертки. Они могут быть выполнены на основе стандартных дешифраторов и схем сравнени  кодов.

Из перечисленных элементов блока 5 определени  номера элементы с 18 по 32 предназначены собственно дл  определени  текущего номера источника 6 света. Элементы с 33 по 40 предназначены дл  выделени  информационного сигнала из нескольких импульсов.

При переходе световых марок через граничные участки фотопреобразовател  8 - начальный и конечный - этими элементами производитс  переключение и выделение информационного сигнала о положении нужной световой марки. Так как все выше- . перечисленные элементы блока 5 определени  номера источника взаимосв заны, то они объединены в один блок.

Суть способа по сн етс  с помощью устройства , структурна  схема которого приведена на фиг.1.

Устройство работает следующим образом . Формируют с помощью источника 6 света на фотопреобразователе 8 световую марку. Источник 6 света кинематически св зан с объектом, поэтому при перемещении объекта происходит смещение световой

0 марки на поверхности фотопреобразовател  8. С управл ющих выходов блока 4 управлени  подаютс  управл ющие и тактовые импульсы дл  управлени  разверткой фотопреобразовател  8 с периодом Т, и сдвигом

5 во времени на интервал накоплени , Под действием управл ющих импульсов с выхода фотопреобразовател  снимаютс  токовые сигналы, распределение амплитуд которых пропорционально распределению

0 светового потока. С блока 4 управлени  на блок 2 обработки сигнала подаютс  тактовые импульсы, которыми управл ютс  схема выборки и хранени  в блоке 2 обработки сигнала. В последнем производитс  также

5 дополнительное ограничение сигнала по спектру, выдел етс  огибающа  световой марки. Отфильтрованный видеосигнал компанируетс  по уровню 0,5 И видео с помощью след щего амплитудного дискри0 минатора блока 2 обработки сигнала, и на выходе блока 2 получаетс  импульс, временной интервал от центра которого до момента начала развертки пропорционален положению световой марки на поверхности

5 фотопреобразовател  8. Далее этот импульс проходит через блок 3 формировани  выходного кода. В последнем производитс  выделение кода, пропорционального положению световой марки, путем заполнени 

0 временного интервала от начала развертки до переднего фронта импульса высокочастотными импульсами с периодом Ттакт, самого импул.ьса - периодом 2ТТЗкт. Полученна  импульсна  последователь5 ность в параллельном или последовательном коде выдаетс  на выход блока 3 формировани  кода и на выход устройства и  вл етс  цифровым эквивалентом положени  текущей световой марки в данный

0 момент.

Последовательно провод т световые марки вдоль фотопреобразовател  8, получают на выходе блока 3 формировани  кода их текущую позицию, соответствующую по5 ложению объекта. Масштаб преобразований координаты световой марки определ етс  коэффициентом оптико-электронного преобразовани  и обработки сигнала, в свою очередь определ емым величинами Т, 1 ...Тт, и оптическим масштабированием.

С помощью блока 5 определени  номера производитс  подсчет номера текущей световой марки, соответствующего элементарному -му источнику из набора источников 6 света. Код номера снимаетс  с выходной шины 17. По известным заданным рассто нием между элементарными источниками , номеру i, текущей позиции определ ют общее перемещение обьекта так

m

х 2 n-i + xi 1 1

Вычислени  производ т в блоке регист- рации выходных данных, выполненного в виде микропроцессора, ЭВМ, калькул тора (на1 чертежах не показан).

Рассмотрим подробнее работу блока 5 определени  номера. В исходном состо - ний все элементы обнул ютс  (не показано). Дл  исключени  пропаданий и нарушений измерений при переходе с одной световой ма{эки на другую, рассто ние между ними должно быть меньше, чем длина 1/2 фото- пр образовател  8 дл  приведенной схемы блс-ка 5 определени  номера (фиг.4).

Шаг между источниками света 6 выбираетс  таким, чтобы в поле зрени  фотопри- 8 находилось максимально 3 световые марки, при их расположении симметрично относительно центра фотоприем- ниКа 8, а в остальных положени х - 2 световые марки. Это необходимо дл  исключени  прерываний преобразований в граничных услови х. Блоки с 33 по 39 выдел ют информационный импульс от световой марки, номер которого определ етс . По этому информационному импульсу формирований выходного кода определ етс  пе- ремещение обьекта с учетом номера световой марки.

Дешифраторы 18, 19 вырабатывают временные интервалы в моменты времени, соответствующие начальному и конечному участкам периода развертки фотопреобразовател  8. При по влении и совпадении информационного импульса с временным интервалом, соответствующим начальному или конечному участку фотопреобразовате- л , соответственно на выходе элемента 20 или 21 вырабатываетс  импульс в начале или Конце периода. При этом соответствующий амплитудный детектор 22 или 23 вырабатывает высокий уровень. В зависимости от очередности сигнала высокого уровн  на выходах АД22, АД23. триггер 27 выдает со

5

10

1t-

п с.

„ -л

.,. -,.

5

ответствующий разрешающий сигнал на счетчик 32. На элементах 28, 29, 30, 31 вырабатываетс  сигнал записи. Элемент 29 И вырабатывает сигнал записи при положительном движении (перемещение источника света слева направо). Элемент 30 И вырсэба- тывает сигнал записи при перемещении назад . Триггер 28 включен в счетном режиме дл  устранени  двойного срабатывани  счетчика 32 при реверсе. Триггер 27 производит запись по заднему фронту. Схема выделени  информационного импульса работает следующим образом. Очередна  запись в счетчик 32 происходит при срабатывании АД22. Во всех случа х при движении вперед необходимо выдел ть второй информационный импульс. При движении вперед очередна  запись в счетчик 32 происходит при.срабатывании АД23. После срабатывани  АД23 выдел ет первый импульс. Триггер 34 включен в счетном режиме. Элемент 36 И пропускает первый импульс. Элемент 37 И пропускает второй импульс. Триггер 38 разрешает прохождение первого или второго импульса. Элемент 33 И выдел ет сигнал с АД22 при движении назад. Сигналом с АД23 триггер.38 сбрасываетс . Перед началом каждой развертки триггер 34 подготавливаетс  к работе импульсом сброса , поступающим по шине 12.

Следует отметить, что выполнение блока 5 определени  номера источника может быть и другим, в частности, в качестве него может быть использован микропроцессор, микроЭВМ и др. с соответствующей простой программой подсчета номера источника и выделени  положени  требуемого источника.

По сравнению с растровыми фотоэлектрическими устройствами (базовый обьект), которые имеют диапазон обычно 10-200 мм, предложенные способ и устройство позвол ют получить высокую точность (менее 1 мкм) и значительно больший диапазон перемещений - доли и единицы метров. При этом конструктивное выполнение оптического узла значительно проще и не требует прецизионного оборудовани . Способ и устройство обладает большей помехоустойчивостью , так как при случайных сбо х информаци  возобновл етс  в следующих периодах опроса.

Предлагаемый способ и устройство при использовании в станках с ЧПУ, робототех- нических системах позвол ют повысить производительность и качество продукции.

Claims (2)

1. Спо.соб измерени  перемещений объекта , заключающийс  в том. что формируют световую марку на поверхности фотопреобразовател , преобразуют оптический сигнал от марки в электрический сигнал, определ ют по нему положение энергетического центра световой марки, по которому суд т о перемещении объекта, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  диапазона измерений , формируют на поверхности фотопреобразовател  несколько дополнительных световых марок, источники всех световых марок св зывают с перемещающимс  объектом , световые марки последовательно перемещают вдоль фотопреобразовател , подсчитывают количество прошедших вдоль фотопреобразоватёл  световых марок , а перемещение объекта определ ют с учетом номера и позиции каждой световой марки в текущий момент, общее перемещение вычисл ют по формуле

m

х 2 n-1 + XL

где xj - перемещение в текущем моменте марки 1-го источника;

П-1 - рассто ние между источниками;

m - количество источников.

2. Устройство дл  измерени  перемещений объекта, содержащее последовательно

. J

установленные оптический узел, выполненный в виде оптически св занных источника света, диафрагмы и фотопреобразовател , блок обработки сигнала, блок формировани  кода, выход которого  вл етс  выходом устройства, блок управлени , управл ющий выход которого соединен с входом фотопреобразовател , а синхронизирующий и выход высокой частоты подключены к блоку

формировани  кода, тактовый выход блока управлени  соединен с блоком обработки сигнала, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  диапазона измерений, оно снабжено блоком определени  номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управлени  выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определени  номера источника подключен к дополнительному выходу блока управлени , сигнальный выход соединен с сигнальным входом блока формировани  кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управлени , а информационный выход блока определени  номера источника  вл етс  дополнительным выходом устройства , источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных

источников, устанавливаемых на заданном рассто нии друг от друга вдоль направлени  перемещени  объекта и кинематически св занных с ним.

Фиг. 2

Фаг.З

Фиг. 4