RU2047090C1

RU2047090C1 - Device for determination of position and lateral dimension of part

Info

Publication number: RU2047090C1
Authority: RU
Inventors: Н.И. Евсеенко
Original assignee: Центральное конструкторское бюро точного приборостроения
Priority date: 1990-01-08
Filing date: 1990-01-08
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has scanning unit composed of optically coupled source of directed radiation beam, multiface mirror prism, receiving unit incorporating collimating bens and photodetector installed in its focal plane, unit extracting shading pulse, unit measuring length of shading pulse and unit measuring coordinate containing subtracter, retrieval and storage unit and voltage measurement unit. EFFECT: increased informativity of determination thanks to measurement of position of part in direction of optical axis of device.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного бесконтактного измерения поперечного размера и координат оси деталей, изготовленных из металла, стекла, полимерных и других материалов, например, проката, стеклянных труб, кабеля с целью управления процессом их изготовления. The invention relates to measuring technique and can be used for accurate non-contact measurement of the transverse size and axis coordinates of parts made of metal, glass, polymeric and other materials, for example, rolled products, glass pipes, cables in order to control the process of their manufacture.

Известно устройство для измерения поперечного размера детали, содержащее источник направленного пучка излучения лазер и расположенные по ходу его лучей узел сканирования, выполненный в виде вращающегося зеркала, установленного в фокальной плоскости объектива, и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник и устройство обработки сигнала. Устройство обработки сигнала регистрирует начало и конец импульса затенения, соответствующие падению амплитуды сигнала в два раза, измеряет соответствующие падению амплитуды сигнала в два раза, измеряет его длительность по числу импульсов кварцевого генератора и по длительности импульса вычисляют размер детали [1]
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство измерения поперечного размера детали, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей грани призмы, и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник, схему выделения импульса затенения и схему измерения длительности импульса затенения. Постоянная скорость сканирования обеспечивает применение кварцевого генератора, стабилизирующего частоту вращения синхронного электродвигателя, приводящего в движение
многогранную зеркальную призму. Схема выделения импульса затенения обеспечивает точное определение краев импульса затенения по переходу через ноль сигнала второй производной и точное измерение поперечного размера детали и ее положения в направлении, перпендикулярном оптической оси устройства [2]
Недостатком прототипа является отсутствие возможности определения положения детали по второй координате, а именно в направлении оптической оси устройства.A device is known for measuring the transverse dimension of a part, comprising a source of a directed laser beam and a scanning unit located along its rays, made in the form of a rotating mirror mounted in the focal plane of the lens, and a receiving unit including a collimating lens, a photodetector, and a signal processing device . The signal processing device registers the beginning and end of the shading pulse corresponding to a two-fold decrease in the signal amplitude, measures the corresponding two-fold drop in the signal amplitude, measures its duration from the number of pulses of the crystal oscillator, and calculates the part size from the pulse duration [1]
The closest technical solution, selected as a prototype, is a device for measuring the transverse dimension of a part, containing a scanning unit consisting of an optically coupled source of a directed radiation beam, a multifaceted mirror prism and a lens mounted at the focal length from the reflecting face of the prism, and a receiving unit including a collimating lens, a photodetector, a shading pulse allocation circuit, and a shading pulse duration measurement circuit. A constant scanning speed ensures the use of a quartz oscillator that stabilizes the rotational speed of a synchronous electric motor, which drives
multifaceted mirror prism. The shading pulse extraction circuit provides an accurate determination of the edges of the shading pulse by crossing the signal of the second derivative through zero and accurate measurement of the transverse dimension of the part and its position in the direction perpendicular to the optical axis of the device [2]
The disadvantage of the prototype is the inability to determine the position of the part by the second coordinate, namely in the direction of the optical axis of the device.

Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности за счет измерения положения детали также и в направлении оптической оси устройства. The aim of the invention is to increase the information content by measuring the position of the part also in the direction of the optical axis of the device.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источников направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей границы призмы, и приемный блок, включающий коллимирующий объектив, фотоприемник, блок выделения импульса затенения и блок измерения длительности импульса затенения, дополнительно снабжено узлом измерения координаты, содержащим последовательно соединенные блок вычитания, блок выборки и хранения, управляющим выходом связанный с выходом блока выделения длительности импульса затенения, и блок измерения напряжения, выход которого является выходом узла измерения координаты, фотоприемник выполнен двухплощадочным и расположен в фокальной плоскости коллимирующего объектива, а выходы фотоприемника связаны со входами блока вычитания. This goal is achieved in that the device containing the scanning unit, consisting of optically coupled sources of a directed beam of radiation, a multifaceted mirror prism and a lens mounted at the focal length from the reflective border of the prism, and a receiving unit including a collimating lens, a photodetector, and a shading pulse extraction unit and a block for measuring the duration of the shading pulse, is additionally equipped with a node for measuring the coordinate, containing a series-connected subtraction block, a sampling block and storage, the control output associated with the output of the block for highlighting the duration of the shading pulse, and the voltage measuring unit, the output of which is the output of the coordinate measuring unit, the photodetector is made two-site and is located in the focal plane of the collimating lens, and the outputs of the photodetector are connected to the inputs of the subtraction unit.

С целью повышения точности измерения координаты оси детали объектив блока сканирования и коллимирующий объектив приемного блока выполнены с одинаковыми полевыми аберрациями. In order to increase the accuracy of measuring the coordinates of the axis of the part, the lens of the scanning unit and the collimating lens of the receiving unit are made with the same field aberrations.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг.2 показан ход лучей в оптической схеме устройства при разных положениях детали относительно перетяжки сканирующего пучка; на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу узла измерения координаты; на фиг.4 изображена принципиальная электрическая схема узла измерения координаты; на фиг.5 показан график экспериментальной зависимости постоянного напряжения U на выходе узла измерения координаты от координаты Z оси детали. In FIG. 1 shows a diagram of a device; figure 2 shows the path of the rays in the optical circuit of the device at different positions of the part relative to the constriction of the scanning beam; figure 3 shows the timing diagrams explaining the operation of the node measuring coordinates; figure 4 shows a circuit diagram of a node measuring coordinates; figure 5 shows a graph of the experimental dependence of the constant voltage U at the output of the coordinate measurement unit from the coordinate Z of the axis of the part.

Устройство (см. фиг. 1) содержит блок 1 сканирования, включающий в себя источник 2 направленного пучка излучения, многогранную зеркальную призму 3 и объектив 4; приемный блок 5, состоящий из коллимирующего объектива 6, двухплощадочного фотоприемника 7, двух фотоусилителей 8 и 9, сумматора 10, блока 11 выделения импульса затенения и блока 12 измерения длительности импульса затенения; узла 13 измерения координаты, содержащего блок 14 вычитания, блок 15 выборки и хранения и блок 16 измерения напряжения. Фотоприемник 7 установлен таким образом, что граница раздела его фоточувствительных площадок расположена в фокусе коллимирующего объектива 6 параллельно оси вращения призмы 3. Выходы чувствительных площадок фотоприемника подключены через фотоусилители 8 и 9 ко входам сумматора 10. Выход сумматора подключен к входу блока 11 выделения импульса затенения, выход которого соединен со входом блока 12 измерения длительности импульса затенения. Кроме того, входы фотоусилителей 8, 9
подключены ко входам блока 14 вычитания, выход которого соединен со входом блока 15 выборки и хранения. Управляющий вход блока 15 выборки и хранения подключен к выходу блока 11 выделения импульса затенения, а выход подключен ко входу блока 16 измерения напряжения. Контролируемая деталь 17 устанавливается в плоскости перетяжки сканирующего пучка 1 8(см.фиг. 1, 2). Световое пятно 19 формируется пучком света, ограниченным лучами 20, 21 на площадках 22, 23 фотоприемника 7 (см.фиг.2).The device (see Fig. 1) contains a scanning unit 1, which includes a source 2 of a directed beam of radiation, a multifaceted mirror prism 3 and a lens 4; a receiving unit 5, consisting of a collimating lens 6, a two-site photodetector 7, two photo amplifiers 8 and 9, an adder 10, a shading pulse allocation unit 11, and a shading pulse duration measurement unit 12; node 13 measuring the coordinates, containing block 14 subtraction, block 15, the selection and storage and block 16 voltage measurement. The photodetector 7 is installed in such a way that the interface of its photosensitive areas is located in the focus of the collimating lens 6 parallel to the axis of rotation of the prism 3. The outputs of the sensitive areas of the photodetector are connected through the amplifiers 8 and 9 to the inputs of the adder 10. The output of the adder is connected to the input of the shading pulse isolation unit 11, the output of which is connected to the input of the block 12 measuring the duration of the shading pulse. In addition, the inputs of photo amplifiers 8, 9
connected to the inputs of the subtraction unit 14, the output of which is connected to the input of the sampling and storage unit 15. The control input of the sampling and storage unit 15 is connected to the output of the shading pulse allocation unit 11, and the output is connected to the input of the voltage measuring unit 16. The controlled part 17 is installed in the plane of the waist of the scanning beam 1 8 (see Fig. 1, 2). The light spot 19 is formed by a beam of light limited by the rays 20, 21 at the sites 22, 23 of the photodetector 7 (see figure 2).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Источник 2 направленного пучка излучения освещает параллельным пучком света одну из граней призмы 3. Отраженный от призмы 3 параллельный пучок света падает на объектив 4 и выходит из него в виде сходящегося пучка, образующего перетяжку 18 в задней фокальной плоскости объектива 4, где располагается контролируемая деталь 17. При вращении призмы ось выходящего из объектива 4 пучка света перемещается параллельно самой себе в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива. Пучок света проходит через зону измерения с контролируемой деталью 17 и собирается в фокусе коллимирующего объектива 6 на двухплощадочный фотоприемник 7. Принцип измерения положения детали основан на следующем
оптическом явлении. При пересечении сканирующим пучком края контролируемой детали 17 (фиг. 2) уменьшается интенсивность светового пятна 19 в плоскости фотоприемника 7. Изменение интенсивности происходит по-разному в зависимости от положения детали относительно перетяжки 18 сканирующего пучка. В том случае, когда деталь располагается в плоскости перетяжки 18 (фиг. 2, а), в момент пересечения пучком края детали интенсивность светового пятна 19 на фотоприемнике 7 уменьшается одновременно и равномерно по всей площади пятна, левая половина которого освещает левую площадку 22, а правая правую площадку 23 фотоприемника 7. В том случае, когда деталь 17 смещена от перетяжки 18 в сторону приемного блока 5 (фиг.2,б), при
пересечении пучком края детали 17 в первую очередь перекрывается луч 20, при этом в плоскости фотоприемника 7 в первую очередь уменьшается интенсивность в правой части светового пятна 19, то есть на правой площадке 23 фотоприемника 7, а затем, после того как ось сканирующего пучка пересечет край детали 17, в его
левой части, то есть на левой площадке 22 фотоприемника 7. Зарегистрированная фотоприемником 7 разность световых потоков на левой 22 и правой 23 площадках зависит от расстояния между деталью 17 и плоскостью перетяжки 18. Если деталь смещена в сторону сканирующего блока 1 (фиг.2,в), то первым при пересечении края детали перекрывается луч 21, при этом в плоскости фотоприемника 7 сначала уменьшается интенсивность света на
его левой площадке 22, а затем на правой 23. Электрический сигнал с левой площадки 22 фотоприемника 7 поступает на фотоусилитель 9 (см.фиг.1), с правой площадки 23 на фотоусилитель 8. При пересечении сканирующим пучком контролируемой детали 17 на выходах фотоусилителей 8 и 9 формируются два импульса затенения U ₈, U ₉ (см.фиг.3), имеющие одинаковую форму, но сдвинутые относительно друг друга по времени на величину Δ t,
пропорциональную расстоянию от детали 17 до плоскости перетяжки 19. Напряжения с выходов фотоусилителей 8, 9 (см.фиг.1) поступают на сумматор 10, формирующий суммарный импульс затенения U 10 (см.фиг.3).A directional radiation source source 2 illuminates one of the faces of the prism 3 with a parallel light beam. A parallel light beam reflected from the prism 3 falls onto the lens 4 and emerges from it in the form of a converging beam forming a constriction 18 in the rear focal plane of the lens 4, where the controlled part 17 is located .When the prism rotates, the axis of the light beam emerging from the lens 4 moves parallel to itself in a direction perpendicular to the optical axis of the lens. The light beam passes through the measurement zone with the controlled part 17 and is collected in the focus of the collimating lens 6 on a two-site photodetector 7. The principle of measuring the position of the part is based on the following
optical phenomenon. When the scanning beam crosses the edge of the controlled part 17 (Fig. 2), the intensity of the light spot 19 in the plane of the photodetector 7 decreases. The intensity changes in different ways depending on the position of the part relative to the constriction 18 of the scanning beam. In the case when the part is located in the plane of the waist 18 (Fig. 2, a), at the moment the beam crosses the edge of the part, the intensity of the light spot 19 on the photodetector 7 decreases simultaneously and uniformly over the entire area of the spot, the left half of which illuminates the left platform 22, and the right right platform 23 of the photodetector 7. In the case when the part 17 is offset from the waist 18 towards the receiving unit 5 (Fig.2, b), when
when the beam intersects the edge of the part 17, beam 20 is first blocked, while in the plane of the photodetector 7, the intensity in the right side of the light spot 19 decreases first of all, that is, on the right platform 23 of the photodetector 7, and then, after the axis of the scanning beam crosses the edge details 17 in his
the left side, that is, on the left platform 22 of the photodetector 7. The difference in the light fluxes recorded on the left 22 and the right 23 sites registered by the photodetector 7 depends on the distance between the part 17 and the waist plane 18. If the part is biased towards the scanning unit 1 (Fig. 2, ), then the first when crossing the edge of the part beam 21 is blocked, while in the plane of the photodetector 7, the light intensity first decreases by
its left platform 22, and then on the right 23. The electric signal from the left platform 22 of the photodetector 7 is fed to the photo amplifier 9 (see figure 1), from the right platform 23 to the photo amplifier 8. When the scanning beam intersects the controlled part 17 at the outputs of the photo amplifiers 8 and 9 two shading pulses U ₈ , U _{9 are formed} (see Fig. 3), having the same shape, but shifted relative to each other in time by Δ t,
proportional to the distance from the part 17 to the plane of the waist 19. The voltages from the outputs of the photo amplifiers 8, 9 (see Fig. 1) are applied to the adder 10, forming a total shading pulse U 10 (see Fig. 3).

Импульс U 10 преобразуется блоком 11 выделения импульса затенения (см. фиг. 1) в сигнал прямоугольной формы U 11 (см.фиг.3). Его длительность, пропорциональная поперечному размеру контролируемой детали, регистрируется блоком измерения
длительности импульса затенения 12 (см.фиг.1), а результат выводится на выход Д приемного блока 5. Одновременно импульсы затенения U 10 поступают с фотоусилителей 8, 9 на блок 14 вычитания, на выходе которого выделяется разностный сигнал U 14 (см.фиг.3). Разностный сигнал U 14 имеет форму двух колоколообразных импульсов, амплитуда U которых пропорциональна расстоянию от детали 17 до плоскости перетяжки 18 сканирующего
пучка, а полярность зависит от направления смещения детали 17 (вправо или влево от плоскости перетяжки 18). При этом координаты t₅ и t₆ вершин импульсов соответствуют фронтам сигнала U 11. Разностный сигнал U 14 поступает на вход блока 15 (фиг.1) выборки и хранения. Блок 15 выборки и хранения в момент t₆ спада сигнала U 11 (фиг.3) запоминает напряжение U разностного сигнала (см.U 15 на фиг.3). Напряжение U, пропорциональное расстоянию от
детали 17 до плоскости перетяжки 18 сканирующего пучка, регистрируется схемой 16 (фиг.1) измерения напряжения, а результат измерения выводится на выход узла 13 измерения
координаты. При смещении детали 17 вдоль оси сканирующего пучка, параллельной осям объективов 4 и 6, изменяется напряжение U на выходе схемы 15 выборки и хранения и результат измерения на выходе Z блока 16 измерения напряжения, т. е. на выходе узла 17 измерения координаты, причем при переходе через перетяжку пучка происходит изменение полярности напряжения U.The pulse U 10 is converted by the block 11 of the allocation of the shading pulse (see Fig. 1) into a rectangular signal U 11 (see figure 3). Its duration, proportional to the transverse size of the part being monitored, is recorded by the measuring unit
the duration of the shading pulse 12 (see Fig. 1), and the result is output to the output D of the receiving unit 5. Simultaneously, the shading pulses U 10 come from the photo amplifiers 8, 9 to the subtraction unit 14, the output of which is the difference signal U 14 (see Fig. .3). The difference signal U 14 has the form of two bell-shaped pulses, the amplitude of which U is proportional to the distance from the part 17 to the plane of the waist 18 of the scanning
beam, and the polarity depends on the direction of displacement of the part 17 (to the right or left of the plane of the waist 18). The coordinates t ₅ and t _{6 of the} vertices of the pulses correspond to the edges of the signal U 11. The differential signal U 14 is fed to the input of block 15 (Fig. 1) of sampling and storage. The sampling and storage unit 15 at the time t _{6 of the} decay of the signal U 11 (Fig. 3) remembers the voltage U of the difference signal (see U 15 in Fig. 3). Voltage U proportional to distance from
details 17 to the plane of the waist 18 of the scanning beam, registered by the circuit 16 (figure 1) voltage measurement, and the measurement result is output to the node 13 of the measurement
coordinates. When the part 17 is displaced along the axis of the scanning beam parallel to the axes of the lenses 4 and 6, the voltage U at the output of the sampling and storage circuit 15 and the measurement result at the output Z of the voltage measuring unit 16 change, i.e., at the output of the coordinate measuring unit 17, and when When passing through the beam waist, the voltage polarity U changes.

Расчет оптической схемы и экспериментальное исследование устройства показало, что разностный сигнал U 14 имеет правильную форму (т.е. представляет собой два колоколообразных импульса, основания которых лежат на оси абсцисс) только в том случае,
если в процессе сканирования световое пятно 19 (см.фиг.2) в плоскости фотоприемника 7 остается неподвижным. В противном случае сигнал U 14 искажается низкочастотной помехой (фиг.3 см.пунктир U 14), что вносит дополнительную ошибку в результате измерения положения детали 17. Для исключения этого явления фотоприемник 7 должен располагаться в фокальной плоскости
объектива 6 (см.фиг.2), а оба объектива 4, 6 должны быть безаберрационными. Такого же эффекта (неподвижности светового пятна) можно достичь при использовании симметричной оптической схемы из двух одинаковых объективов 4 и 6. В этом случае схема осуществляет перенос изображения неподвижного светового пятна из
плоскости освещенной грани призмы 3 в плоскость фотоприемника 7 с увеличением 1*, при этом полевые аберрации объектива 4 компенсируются равными по величине и обратными по знаку полевыми аберрациями коллимирующего объектива 6, в результате чего при перемещении сканирующего пучка световое пятно 19 остается неподвижным и разностный сигнал U 14 сохраняет правильную форму.Calculation of the optical scheme and experimental study of the device showed that the difference signal U 14 has the correct shape (i.e., it consists of two bell-shaped pulses, the bases of which lie on the abscissa axis) only if
if during scanning the light spot 19 (see figure 2) in the plane of the photodetector 7 remains stationary. Otherwise, the signal U 14 is distorted by a low-frequency noise (Fig. 3 see dotted line U 14), which introduces an additional error as a result of measuring the position of the part 17. To eliminate this phenomenon, the photodetector 7 should be located in the focal plane
lens 6 (see figure 2), and both lenses 4, 6 should be non-aberrational. The same effect (stillness of the light spot) can be achieved by using a symmetric optical scheme of two identical lenses 4 and 6. In this case, the scheme transfers the image of the stationary light spot from
the plane of the illuminated face of the prism 3 into the plane of the photodetector 7 with an increase of 1 *, while the field aberrations of the lens 4 are compensated by the field aberrations of the collimating lens 6 that are equal in magnitude and opposite in sign, as a result of which, when the scanning beam moves, the light spot 19 remains stationary and the difference signal U 14 maintains the correct shape.

Электрическая схема узла 13 измерения координаты может быть реализована, например, так, как это показано на фиг.4. Здесь блок 14 вычитания выполнен на операционном усилителе КР574УД2 (D А1.1), блок 15 выборки и хранения реализован на полевом ключе КР590КН2 (D А2), нагруженном на емкость С2. Напряжение с емкости С2 поступает через буферный каскад D A1.2 на вход АЦП К1113ПВI (D
A3). Запуск АЦП осуществляется по управляющему входу "Г.пр" низким потенциалом сигнала U 11 (см.фиг.3), который устанавливается после срабатывания блока 15 выборки и хранения. Экспериментальное исследование схемы узла 13 измерения координаты с использованием объективов И-37 с фокусным расстоянием F 300 мм показало, что нелинейность характеристики U(Z) не превышает 10% при смещении оси детали на ±10 мм от центра зоны измерения (см.фиг.5).The electrical circuit of the coordinate measuring unit 13 can be implemented, for example, as shown in FIG. 4. Here, the subtraction unit 14 is made on the operational amplifier KR574UD2 (D A1.1), the sampling and storage unit 15 is implemented on the field key KR590KN2 (D A2), loaded on the capacitance C2. The voltage from the capacitance C2 is supplied through the buffer cascade D A1.2 to the input of the ADC K1113PVI (D
A3). The ADC is launched at the control input "G.pr" low signal potential U 11 (see figure 3), which is installed after the operation of block 15 of the selection and storage. An experimental study of the scheme of the coordinate measuring unit 13 using I-37 lenses with a focal length of 300 mm showed that the non-linearity of the U (Z) characteristic does not exceed 10% when the axis of the part is offset by ± 10 mm from the center of the measurement zone (see Fig. 5 )

Claims

1. DEVICE FOR MEASURING POSITION AND TRANSVERSE SIZE OF DETAILS, comprising a scanning unit consisting of optically coupled sources of a directed radiation beam, a multifaceted mirror prism, and a lens mounted at a focal distance from the reflecting boundary of the prism and a receiving unit including a collimating lens, a photodetector, a unit the selection of the shading pulse and the unit for measuring the duration of the shading pulse, characterized in that, in order to increase information content by measuring the position of the part also in in the direction of the optical axis of the device, it is equipped with a coordinate measuring unit containing a series-connected subtraction unit, a sampling and storage unit, a control output connected to the output of the shading pulse duration highlighting unit, and a voltage measuring unit whose output is the output of the coordinate measuring unit, the photodetector is made two-site and located in the focal plane of the collimating lens, the outputs of the photodetector are connected to the inputs of the subtraction unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that, in order to improve the accuracy of measuring the coordinate of the axis of the part, the lens of the scanning unit and the collimating lens of the receiving unit are made with the same field aberrations.