RU2097690C1 - Оптико-электронное измерительное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при контроле крупногабаритных деталей. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности. Результат достигается тем, что оптико-электронное измерительное устройство содержит объектив 1, два параллельно закрепленных перед объективом зеркала 2 и 3, причем зеркало 3 выполнено с механизмом поворота, вибрационный сканатор, состоящий из фотоприемника 5, упругого стержня 6, электромагнита 7, усилителя сканатора 8 и генератора 9, усилитель фототока 10 с блоком автоматической регулировки усиления, состоящим из пик-детектора 11, задатчика 12 и дифференциального усилителя 13, триггер Шмитта 14, коммутатора 17, генератор тактовых импульсов 18, счетчик импульсов 19 с цифровым индикатором 20, цифро-аналоговый преобразователь 21, блок вычитания 22, дифференциальный усилитель 23 и электропривод 26. Описанное устройство позволяет за счет коррекции величины смещения детали вдоль оптической оси уменьшить погрешность измерения. 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей и заготовок, и может быть использовано в химическом и нефтяном машиностроении при производстве базовых деталей химнефтеаппаратуры, в металлургии при производстве проката, а также в других отраслях промышленности, выпускающих крупногабаритные изделия.

Известно устройство для измерения поперечного размера движущихся цилиндрических деталей (авт. св. N 632897, кл. G 01 B 11/10), содержащее два измерительных канала, каждый из которых содержит оптико-электронную головку, и суммирующий блок с индикатором. Для исключения влияния места положения измеряемой детали в пространстве на точность измерения оптические оси головок направлены под углом, например, прямым, одна к другой и каждая головка определяет величину поперечного смещения детали для другой и по результатам измерений смещений осуществляется коррекция результата измерения поперечного размера детали. Однако, это устройство имеет ограниченную точность, так как на результат измерения оказывает влияние погрешность базирования головок.

Из известных оптико-электронных устройств наиболее близким по технической сущности является оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий (авт. св. N 1711002, кл. G 01 B 21/00). Устройство содержит вибрационное сканирующее устройство, усилитель фототока с блоком автоматической регулировки усиления, блок термокомпенсации и блок преобразования время-импульсного сигнала в цифровой код.

Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерения, поскольку используемое оптико-электронное устройство реализует угловой метод измерения и поэтому при измерении линейных величин необходимо обеспечивать постоянство расстояния от измерительного устройства до детали, а поскольку часто в течении технологического процесса деталь или прокат меняют свое положение по направлению оптической оси измерительного устройства, то и возникает методическая погрешность измерения.

В этой связи важнейшей задачей является создание оптико-электронного измерительного устройства линейных размеров с автоматической коррекцией цены деления при изменении расстояния от устройства до детали.

Цель изобретения повышение точности измерения за счет введения блока коррекции величины смещения детали вдоль оптической оси измерительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что оптико-электронное измерительное устройство, содержащее объектив, вибрационный сканатор, состоящий из генератора и электромагнитного вибратора, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, а выход соединен с управляющим входом фотоприемника, триггер Шмитта, соединенный с выходом усилителя фототока, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, коммутатор и счетчик импульсов, снабжено механизмом коррекции, выполненным в виде двух параллельно закрепленных перед объективом зеркал, поверхности которых расположены под углом 45^o к оптической оси объектива, причем одно из зеркал, расположенное на оптической оси объектива, выполнено с механизмом поворота, фильтром низкой частоты, подключенным к выходу триггера Шпитта, к которому через первый выключатель подключен также и управляющий вход коммутатора, цифроаналоговым преобразователем, входом соединенным с счетчиком импульсов, блоком вычитания, к первому входу которого подключен фильтр низкой частоты, а к второму входу подключен цифроаналоговый преобразователь, дифференциальным усилителем, к инвертирующему входу которого подключен выход блока вычитания, задатчиком, соединенным с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, электроприводом, соединенным через второй выключатель с выходом дифференциального усилителя, и усилителем сканатора, содержащем переменное сопротивление, механически связанное с электроприводом, и соединенным входом с генератором, а выходом с электромагнитным вибратором сканатора.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения, так как с помощью двух зеркал задается смещение оптического луча на заданную постоянную величину, что эквивалентно изменению размера изделия на эту же величину, а затем автоматически изменением амплитуды сканирования корректируется цена деления индикатора измерительного устройства в зависимости от расстояния до измеряемой детали.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На чертеже изображена блок-схема устройства, содержащего объектив 1 и механизм коррекции, состоящий из двух зеркал 2 и 3, которые закреплены на корпусе устройства 4. Зеркало 2 закреплено жестко под углом 45^o к оптической оси объектива 1, а зеркало 3 установлено с механизмом поворота, причем в одном из положений зеркало 3 находится на оптической оси объектива и под углом 45^o к ней. В плоскости изображения объектива 1 установлен вибрационный сканатор, содержащий фотоприемник 5, закрепленный на свободном конце упругого стержня 6, жестко прикрепленного к корпусу устройства 4, электромагнит 7, соединенный с выходом усилителя сканатора 8 с управляемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с генератором гармонических сигналов 9. Усилитель 8 выполнен на основе операционного усилителя с двумя сопротивлениями, одно из которых является переменным и управляет коэффициентом усиления. Фотоприемник 5 соединен через сопротивление нагрузки Rн с усилителем фототока 10, к которому подключен блок автоматической регулировки усиления (АРУ), состоящий из пикдетектора 11, задатчика 12, которые соединены с входами дифференциального усилителя 13, который кроме функции усиления выполняет также функцию элемента сравнения. Выход дифференциального усилителя 13 соединен с фотоприемником 5. К усилителю фототока 10 подключен триггер Шмитта 14. Выход триггера Шпитта 14 соединен с входом фильтра низкой частоты 15 и через первый выключатель 16 с управляющим входом коммутатора 17, который в свою очередь соединяет выход генератора тактовых импульсов 18 с входом счетчика импульсов 19. Выход счетчика импульсов 19 соединен с цифровым индикатором 20 и входом цифроаналогового преобразователя 21. Выходы фильтра низкой частоты 15 и цифроаналогового преобразователя 21 соединены с входами блока вычитания 22, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 23, а к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 23 подключен задатчик 24. В данном устройстве дифференциальный усилитель 23 кроме функции усиления выполняет и функцию сравнивающего устройства. Выход дифференциального усилителя 23 через второй выключатель 25 подключен к электроприводу 26, состоящему из электродвигателя с редуктором, а выходной вал электропривода 26 механически связан с переменным сопротивлением усилителя сканатора 8 с управляемым коэффициентом усиления.

Работает устройство следующим образом.

Объектив 1 создает изображение края нагретой детали. В плоскости изображения объектива 1 фотоприемник 5 с помощью упругого стержня 6 и электромагнита 7 совершает колебательные движения. Энергетическим источником колебаний фотоприемника 5 служит усилитель сканатора 8 с управляемым коэффициентом усиления, на вход которого поступают гармонические сигналы с генератора 9. В результате сканирования на вход фотоприемника 5 поступает последовательность импульсов потока излучения детали с широтно-импульсной модуляцией. После преобразование сигнала с помощью фотоприемника 5 и усиления усилителем фототока 10 на выходе усилителя 10 будут получены соответствующие импульсы напряжения. Блок автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивает постоянство амплитуды сигнала на выходе усилителя.

Автоматическая регулировка усиления работает следующим образом. При изменении температуры детали соответственно изменяется амплитуда импульса на выходе усилителя фототока 10 и постоянное напряжение на выходе пик-детектора 11. В дифференциальном усилителе 13 происходит сравнение напряжения пик-детектора 11 с напряжением задатчика 12, а затем эта разность усиливается усилителем 13, выходное напряжение которого с помощью отрицательной обратной связи изменяет напряжение питания фотоприемника 5 так, чтобы напряжение на выходе усилителя фототока 10 стало равным заданному с помощью задатчика 12 напряжению с точностью ошибки регулирования.

Сигналы с выхода усилителя фототока 10 поступают на вход триггера Шмитта 14, который преобразует их в импульсы напряжения прямоугольной формы, длительность которых определяется положением края детали относительно оптической оси объектива 1. Затем длительность импульса, пропорциональная отклонению размера детали от номинального, преобразуется в цифровой код. Коммутатор 17, к управляющему входу которого через замкнутые контакты выключателя 16 подаются импульсы напряжения, на время длительности импульса подключает к счетчику импульсов 19 генератор тактовых импульсов 18. Результат измерения регистрируется цифровым индикатором 20.

Коррекция параметров измерительного устройства по расстоянию до измеряемой детали осуществляется следующим образом: выключаются контакты первого выключателя 16, включаются контакты второго выключателя 25 и счетчик импульсов 19 запоминает результат измерения, который преобразуется в аналоговый сигнал цифроаналоговым преобразователем 21, затем зеркало 3 поворачивается по часовой стрелке до упора, при этом плоскопараллельные зеркала 2 и 3 смещают оптический луч на величину d, что эквивалентно изменению размера детали на эту величину. Широтно-импульсный сигнал триггера Шмитта 14, соответствующий измерению с учетом смещения детали относительно объектива на величину d, поступает на вход фильтра низкой частоты 15, где преобразуется в аналоговый сигнал, который в свою очередь поступает на первый вход блока вычитания 22. На второй вход блока вычитания 22 с выхода цифроаналогового блока 21 поступает аналоговый сигнал, соответствующий предыдущему измерению, а с выхода блока вычитания 22 аналоговый сигнал, равный разности двух входных сигналов и пропорциональный величине смещения d, поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 23. На неинвертирующий вход усилителя 23 поступает с задатчика 24 постоянное напряжение, соответствующее нормированной величине d, и в усилителе 23 происходит сравнение входных сигналов и усиление их разности. Выходное напряжение усилителя 23 с помощью электропривода 26 изменяет величину переменного сопротивления усилителя сканатора 8, а соответственно и величины коэффициента усиления и амплитуды напряжения на выходе. Изменение величины амплитуды напряжение на выходе усилителя 8 вызывает изменение величины амплитуды колебания фотоприемника 5, что в свою очередь вызывает изменение величины аналогового сигнала на выходе фильтра низкой частоты 15. За счет отрицательной обратной связи изменение амплитуды колебания сканирования происходит до тех пор, пока сигнал на выходе блока вычитания не станет равным заданному. Таким образом, осуществляется коррекция параметров устройства по расстоянию. После этого включается второй выключатель 25, включается первый выключатель 16 и измерительное устройство работает в режиме измерения. Редуктор электропривода 26 запоминает результат коррекции. Если в процессе измерения изменяется расстояние от устройства до детали, то повторно осуществляется коррекция.

При внедрении оптико-электронного измерительного устройства для контроля размеров деталей химнефтеаппаратуры значительно повышается точность их производства, что исключает повторный технологический процесс, связанный с исправлением брака. При повышении технологической точности деталей повышается производительность труда при сборке химнефтеаппаратуры и улучшаются эксплуатационные характеристики химнефтеаппаратуры.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
оптико-электронное измерительное устройство, реализующее заявленное изобретение, предназначено для использования в составе технологического оборудования и обеспечивает повышение качества выпускаемой продукции;
для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано формулой изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми графическими материалами;
оптико-электронное измерительное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Claims (1)

1. Оптико-электронное измерительное устройство, содержащее вибрационный сканатор, состоящий из генератора и электромагнитного вибратора, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, а выход с управляющим входом фотоприемника, триггер Шмитта, соединенный с выходом усилителя фототока, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, коммутатор и счетчик импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено объективом, оптически сопряженным с фотоприемником механизмом коррекции, фильтром низкой частоты, подключенным к выходу триггера Шмитта, первым выключателем, один вывод которого подключен к управляющему входу коммутатора, а другой к выходу триггера Шмитта, цифроаналоговым преобразователем, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, блоком вычитания, к первому входу которого подключен выход фильтра низкой частоты, а к второму входу выход цифроаналогового преобразователя, вторым выключателем, дифференциальным усилителем, к инвертирующему входу которого подключен выход блока вычитания, задатчиком, соединенным с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к первому выводу второго выключателя, электроприводом, электрический вход которого соединен с вторым выводом второго выключателя, генератором гармонических сигналов, усилителем сканатора с переменным сопротивлением, вход усилителя сканатора связан с генератором гармонических сигналов, выход с электромагнитом вибратора, а подвижный элемент переменного сопротивления механически связан с выходным валом электропривода, фотоприемник установлен на вибраторе, механизм коррекции выполнен в виде двух размещенных перед объективом зеркал, поверхность первого из которых расположена под углом 45^o к оптической оси объектива, а второе зеркало установлено в фиксированное положение и связано с механизмом поворота зеркала в другое фиксированное положение, при котором оно располагается на оптической оси объектива параллельно первому зеркалу и оптически связано с ним.