Способ контроля положения объекта относительно опорного луча и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Цель изобретения - повышение точности контроля положения объекта относительно опорного луча при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и объектом. Способ заключается в том, что опорный луч, используемый в качестве эталона прямолинейности, задается лазером. Генерируют колебания с длинами λ<SB POS="POST">1</SB> и λ<SB POS="POST">2</SB> волн, распространяющиеся в одном опорном луче. Информацию о положении объекта относительно опорного луча определяют по соотношению величин электрических сигналов, соответствующих генерируемым колебаниям. Устройство содержит излучатель, анализатор, блок формирования сигналов, два селектора импульсов, два функциональных преобразователя, четыре преобразователя кода в интервал времени, два компаратора кодов, схему И и два регистра. Анализатор закрепляется в контролируемой точке объекта. В устройстве производится сравнение сигналов F<SB POS="POST">1</SB> и F<SB POS="POST">2</SB> для длин λ<SB POS="POST">1</SB> и λ<SB POS="POST">2</SB> волн опорного луча. В качестве выходного сигнала устройства, содержащего информацию о положении объекта относительно опорного луча, используется сигнал в момент совпадения величин сигналов F<SB POS="POST">1</SB> и F<SB POS="POST">2</SB>. При этом достигается компенсация погрешности от турбулентности воздушного тракта между излучателем и анализатором. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4261435/27 (22) 15.06.87 (46) 30.08.91. Бюл. ¹ 32 (71) Институт электросварки им.Е.О.Патона (72) В.М.Лунин, А,В.Рыжков, А.В.Панченко, С.Г.Пикусов и Я.Ф.Киселевский (53) 531,715.27 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1605309 (¹ 3972707, кл. Н 03 М 1/24, 1986), (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ.

ОБЪЕКТА ОТНОСИТЕЛЬНО ОПОРНОГО

ЛУЧА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Цель изобретения — повышение точности контроля положения объекта относительно опорного луча при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и объектом. Способ заключается в том, что опорный луч, используемый в качеИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций широкого класса изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций.

Целью изобретения является повышение точности контроля положения объекта. Ж 1674368 А1

<я)л Н 03 M 1/24. G 01 С 5/00 стве эталона прямолинейности, задается лазером. Генерируют колебания с длинами волн Л1 и Л2, распространяющиеся в одном опорном луче. Информацию о положении объекта относительно опорного луча определяют по соотношению величин электрических сигналов, соответствующих генерируемым колебаниям. Устройство содержит излучатель, анализатор, блок формирования сигналов, два селектора импульсов, два функциональных преобразователя, четыре преобразователя кода в интервал времени, два компаратора кодов, схему И и два регистра. Анализатор закрепляется в контролируемой точке объекта. В устройстве производится сравнение сигналов F1 и Fz для длин волн опорного луча Л1иЛ2 . В ф качестве выходного сигнала устройства, содержащего информацию о положении объекта относительно опорного луча, используется сигнал в момент совпадения величин сигналов Fi u Fz. При этом достигается компенсация погрешности от турбулентности воздушного тракта между излучателем и анализатором. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил. относительно опорного луча при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и объектом.

На фиг. 1 представлена схема способа контроля положения объекта относительно опорного луча; на фиг. 2 — функциональная схема устройства, реализующего способ контроля; на фиг. 3 — анализатор позиционно-чувствительного целевого знака ПЧЦ3, вид сверху; на фиг. 4 — то же, вид сбоку; на

1674368

20

55 фиг. 5 — функциональная схема селектора импульсов; на фиг. 6- временные диаграммы работы селектора импульсов; на фиг. 7— функциональная схема блока формирования сигналов и временные диаграммы его работы; на фиг. 8 — функциональная схема функционального преобразователя; на фиг, 9 — временные диаграммы работы функционального преобразователя; на фиг. 10- функциональная схема преобразователя кода в интервал времени.

В основу способа контроля положен тот факт, что при наличии турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3 (фиг. 1) изменяется направление распространения когерентного лазерного пучка. Это приводит к смещению опорной оси относительно своего теоретического положения и, следовательно, к погрешности измерения положения объекта. Погрешность or турбулентности определяется оптической передаточной функцией тракта и зависит от параметров лазерного пучка, длины трассы, структурной постоянной показателя преломления, длины волны / излучения. Структурная постоянная показателя преломления определяется, в основном, изменением температуры воздуха вдоль трассы. Процесс изменения температуры является нестационарным, причем значение и знак градиента температур изменяется во времени, вызывая соответствующие изменения показателя преломления, Опыт показывает, что случайную погрешность измерения положения объекта относительно опорного луча, вызванную турбулентность воздушного тракта, можно. уменьшить путем простого усреднения результатов измерений эа определенный интервал времени, Однако остается неисключенный остаток случайной погрешности, вызванный слабой корреляцией интервала усреднения и постоянной времени тракта, а также нестационарностью тепловых процессов в воздушном тракте, На больших трассах (100 м и более) смещение опорного луча относительно теоретической оси может достигать нескольких миллиметров, При использовании двухчастотного лазера, одновременно генерирующего колебания на длинах волн i1> и kz, опорный луч вследствие дисперсии света разделяется на два луча, проходящих практически по одному и тому же оптическому пути. При 4 > Az энергетические центры этих лучей на базе L (фиг, 1) будут находиться на расстояниях Х „

P,1 ) < Хр(Лр ) от теоретической оси (либо на расстояниях Х1 (Я1) < Х (Л ) при другом знаке градиента температур вдоль трассы) На базе 100 м и более взаимное смещение энергетических центров двух лучей может составлять десятые доли миллиметра. Поскольку лучи с длинами волн Л1 и kz идут практически по одному и тому же оптическому пути, то при смене знака градиента температур вдоль трассы их энергетические центры могут совпасть только в точке, лежащей на теоретической оси. Это условие лежит в основе данного способа контроля, Если в качестве позиционно-чувствительного целевого знака ПЧЦЗ испольэовать устройство, имеющее избирательную чувствительность на длинах волн л1 и kz, то в качестве выходного сигнала F (не содержащего составляющей, обусловленной турбулентностью воздушного тракта) следует использовать один из сигналов F< (для частоты ili ) или Fz (для частоты ilz ) в момент совпадения их значений

Устройство для реализации способа контроля (фиг, 2) содержит излучатель 1, оптически соединенный через коллиматор 2 с анализатором 3, который, в свою очередь, оптически связан с формирователем 4 начала отсчета и механически с двигателем 5, а также селектор 6 импульсов, генератор 7 и два регистра 8 и 9, считывающее кольцо 10, имеющее емкостную связь с анализатором

З.и электрическую связь с блоком 11 формирования сигналов. Модулятор 12, расположенный между излучателем 1 и коллиматором 2. электрически связан с опорным генератором 13. В качестве модулятора 12 может использоваться серийно выпускаемый акустооптический модулятор

МЛ-5, Блок 11 формирования сигналов соединен с селекторами 6 и 14 импульсов. (Dopмирователь 4 начала отсчета связан с функциональными преобразователями 15 и

16, причем селектор 6 импульсов двумя сигналами связан с функциональным преобразователем 15, а селектор 14 импульсов двумя сигналами связан с функциональным преобразователем 16. Устройство содержит также преобразователи 17-20 кода в интервал времени, причем первый и второй выходы функционального преобразователя 15 соединены с входами компарирования преобразователей 17 и 18 кода в интервал времени соответственно, первый и второй выходы функционального преобразователя

16 соединены с входами компарирования преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени соответственно, а третий выход — с входами стробирования преобразователей

19 и 20 кода в интервал времени. Первые выходы преобразователей 17 и 18 кода в

1674368 интервал времени соединены с соответствующими входами функционального преобразователя 15, а первые выходы преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени — с соответствующими входами 5 функционального преобразователя 16. Устройство включает также компараторы 21 и

22 кодов, схему И 23. Третий выход функционального преобразователя 15 соединен с входами стробирования преобразователей 10

17 и 18 кода в интервал времени, Третий выход функционального преобразователя

16 соединен с первым входом схемы И 23;а генератор 7 — co счетными входами преобразователей 17 — 20 кода в интервал време- 15 ни, при этом выходы преобразователей 17 и

18 кода в интервал времени подключены к первым входам компараторов 21 и 22 кодов соответственно, а выходы преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени — к 20 вторым входам компараторов 21 и 22 кодов и первым входам регистров 8 и 9 соответственно. Выходы компараторов 21 и 22 кодов соединены с вторым и третьим входами схемы И 23, выход которой подключен к входам 25 стробирования регистров 8 и 9, выходы которых являются выходами Np u Np устройства соответственно.

В качестве излучателя 1 используется двухчастотный лазер, одновременно гене- 30 рирующий колебания на длинах волн

Ь и 42, распространяющиеся в одном опорном луче.

Анализатор 3 (фиг. 3) представляет собой прозрачный диск радиуса R + Л R, на одной из сторон которого расположены прямолинейный фотоприемник 24 и спиралевидный фотоприемник 25, имеющие избирательную чувствительность на длине волны А1, а также прямолинейный фото- 40 приемник 26 и спиралевидный фотоприемник 27, имеющие избирательную чувствительность на длине волны Хг . Две стороны прямолинейных фотоприемников

24 и 26 расположены по радиусам R диска с 45 углом разворота 2 rp> две стороны спиралевидных фотоприемников 25 и 27 образованы левосторонними спиралями Архимеда с началом в центре анализатора 3, развернутыми по радиусу r на угол 180О, причем угол разворота спиралей между собой равен 2 гр2, а точки пересечения спиралей с базовой окружностью радиуса R симметричны относительно оси Х, проходящей через центр диска анализатора 3 и осевую линию прямолинейных фотоприемников 24 и 26.

Третьими сторонами всех фотоприемников являются дуги окружности радиуса R- h R.

Анализатор 3 имеет также непрозрачную зону 28 в виде кольца, ограниченного окружностями радиусов R- Л R и R+ Л R, при этом непрозрачная зона 28 имеет два прозрачных окна 29 и 30 для формирователя 4 начала отсчета, причем прозрачное окно 29 представляет собой кольцевой сектор, примыкающий к прямолинейному фотоприемнику 24 и ограниченный окружностями радиусов R- Л R u R. а также прямыми, продолжающими радиальные стороны прямолинейного фотоприемника 24. Прозрачное окно 30 представляет собой кольцевой сектор, ограниченный окружностями радиусов

R и R+ AR, а также прямыми, продолжающими радиальные стороны прямолинейного фотоприемника 26. При этом на другой стороне диска анализатора 3 расположены четыре кольцевых электрода 31-34, причем прямолинейный фотоприемник 24 и спиралевидный фотоприемник 25 имеют электрическую связь с кольцевыми электродами 31 и 32, а прямолинейный фотоприемник 26 и спиралевидный фотоприемник 27 имеют электрическую связь с кольцевыми электродами 33 и 34. Считывающее кольцо 10, изготовленное из прозрачного материала имеет внутренний радиус R- Лй и внешний радиус

R+ ЛЯ, причем на одну из его сторон нанесены четыре кольцевых электрода 35 — 38, идентичных по своим параметрам кольцевым электродам 31 — 34 анализатора 3 соответственно. Считывающее кольцо 10 является неподвижным и устанавливается в непосредственной близости от вращающегося анализатора 3, при этом кольцевые электроды анализатора 3 и считывающего кольца 10 попарно образуют четыре проходных кольцевых конденсатора (CI . Cz, Сз и

I I

С4 на фиг. 7). На другой стороне считываюI щего кольца 10 имеются четыре контактные площадки (на фиг. 4 не показаны), связанные с кольцевыми электродами 35 — 38 для обеспечения надежного электрического соединения считывающего кольца 10 с блоком

11 формирования сигналов.

Формирователь 4 начала отсчета содержит два излучателя 39 и 40 и два фотоприемника 41 и 42, причем излучатель 39 и фотоприемник 41 оптически связаны через прозрачное окно 29 анализатора 3, а излучатель 40 и фотоприемник 42 оптически связаны через прозрачное окно 30 анализатора

3. Фотоприемники 24-27 располагаются в зоне 43, ограниченной радиусом R- Л R. Ha фиг, 4 показан один из вариантов конструкции механической части ПЧЦЗ, при котором анализатор 3 помещен в металлическую обойму 44, закрепленную в подшипнике 45.

1674368

Селектор 6 импульсов (фиг, 5) содержит дами интегратора 74, выход которого соедитри формирователя 46-48, счетный триггер нен с входом схемы 76 выборки-хранения.

49 и три схемы И 50-52. Один из выходов Выходысхем75и76выборки-хранения подблока 11 формирования сигналов соединен ключены к входам компараторов 77 и 78 с входами формирователей 46 и 47 и схем И 5 соответственно. Выход компаратора 77 со

50, 51 и 52, выход формирователя 46 соеди- единен с вторым выходом Т,1 функциональнен с входом стробирования счетноготриг- ного преобразователя 15, а выход гера 49, выход формирователя 47 соединен компаратора 78 — с третьим выходом Тк2 с входом формирователя 48, выход которого функционального преобразователя 15. Высоединен с вторым входом схемы И 50. Вы- 10 ходы схем 75 и 76 выборки-хранения соедиход схемы И 50 соединен с входом сброса нены с пятыми входами интеграторов 73 и счетного триггера 49, прямой выход которо- 74 соответственно. Управляющий вход клюго соединен с вторым входом схемы И 51, а ча 71 соединен с четвертым входом Т<Р1 инверсный выход — с вторым входом схемы функционального преобразователя 15, а упИ 52, при этом выходами селектора 6 им- 15 равляющий вход ключа 72 — с пятым входом пульсов являются выходы схем И 51 и 52, Тр1 функционального преобразователя 15.

СелектоР 14 импУльсов имеет идентичную Вторые входы компараторов 77 и 78 соедиструктуру. нены с общей точкой устройства. ФункциоБлок11 формирования сигналов (фиг, 7) нальн ый преобразователь 16 имеет содержит два одинаковых канала, каждый 20 идентичную GTpyx py из которых состоит из последовательно со- Преобразователь 17 кода в интервал единенных Усилителл 53(54), демодУлЯтоРа времени (фиг. 10) содержит регистр 79 по55(56) и фильтРа 57(58) нижних частот при следовательного приближения, декрементэтом входами блока 11 формиРованиЯ сиг- ный счетчик 80 триггер 81, схему И 82, налов являются входы Усилителей 53 и 54, а 25 счетчики 83 и 84, а также буферный регистр выходами — выходы фильтРов 57 и 58 ниж- 85. Первый вход Тц1 преобразователя 17 коних частот. да в интервал времени соединен с входом

ФУнкциональный пРеобРазователь 15 записи декрементного счетчика 80, входом (фиг.8)содержиттриформирователя59 61 установки триггера 81, счетным входом два триггера 62 и 63, источник 64 эталонного 30 счетчика 83 Второй вход Т< преобразованапРджениЯ, восем ключей 65-72. два ин- теля 17 кода в интервал времени соединен тегратора 73 и 74, две схемы 75 и 76 выбор- с входом компарирования регистра 79 поки- р . два компаратора 77 и 78 При следовательного приближения (в качестве этом к пеРвомУ входУ функционального пре- которого может быть использована, наприобразователя 15 подключены вход Форми- 35 мер, микросхема 155Ир17), третий вход

РователЯ 59 и УправлЯющие входы ключей соединен со счетчным входом декрементно66 и 70, к втоРомУ входу функционального ro счетчика 80 выход TR KoToporo coeA HeH и еоб азователя 15 подключены вход форI мирователя 60 и управляющий вход ключа

67, к третьему входу функционального пре 40 РегистРа 79 последовательного приближеобразователя 15 подключены вход форми- ния соединен с входами декрементного рователя 61 и управляющий вход ключа р яющий вход ключа 69 счетчика 80 и буферного регистра 85, Выход

Выход формирователя 59 соединен с входа- Тсд пеРеноса счетчика 83 соединен с входом ми установки триггеров 62 и 63, выход фор сдвига регистра 79 последовательного примирователя 60 соединен с входом с оса

60 н с входом сброса 45 ближениЯ и со счетным входом счетчика 8, т иггера 62, с входами стробирования схем выход Тп пеРеполнения котоРого связан с

75 и 76 выборки-хранения и с выходом Tö1 входом стробированиЯ буфер Ре с ра функционального преобразователя 15. Вы 85. Выход тРиггеРа 8 соед

85. Выход т игге а 8 соединен с выходом ход формирователя 61 соединен с входом Тф1 преобразователя кода

Т и еоб азователя 17 кода в интервал сброса триггера 63, выход которого соеди- 50 времении вторым входомсхемы И 82, выход нен с управляющим входом ключа 68. Выход которой соединен со входом сброса триггетриггера 62 соединен с управляющим вхо- ра 81. Выход N буферного регистра 85 дом ключа 65. Выход +Ео источника 64 эта- соединен со вторым выходом преобразовалонного напряжения соединен с входами теля 17 кода в интервал времени. Преобраключей 65-70, а выход-Ео соединен с вхо- 55 зователи 18, 19 и 20 кода в интервал дами ключей 71 и 72, при этом выходы клю- времени имеют аналогичную структуру. чей 65, 66, 67 и 71 соединены с входами Устройство работает следующим обраинтегратора 73, выход которого соединен с зом. входом схемы 75 выборки-хранения. Выхо- Излучатель 1, в качестве которого исды ключей 68, 69, 70 и 12 соединены c a>

10 ленным на нем модулятором 12 и коллиматором 2 устанавливается на неподвижной базовой оснастке и используется для задания опорного направления (фиг, 2). Генератор 13 задает частоту 4 модуляции 5 лазерного луча. Анализатор 3 ПЧЦЗ устанавливается в контролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя 5. Один раз за полный оборот анализатора 3 на выходах прямоли- 10 нейных фотоприемников 24 и 26, а также на выходах спиралевидных фотоприемников

25 и 27 (фиг, 4) вырабатываются пачки импульсов, поступающих через соответствующие проходные емкости Cl, Cz, Сз и С4 15

I I I I на входы усилителей 53 и 54 (фиг, 7). При расстоянии между диском анализатора 3 и считывающим кольцом 10 d = 0,5 мм и радиусе R = 160 мм емкость проходных конденсаторов составляет 3-5 пФ. При модуляции 20 луча излучателя 1 с частотой 500 кГц сопротивление проходных конденсаторов составляет 100 кОм, поэтому в качестве усилителей 53 и 54 следует использовать операционные усилители с большим вход- 25 ным сопротивлением и скоростью нарастания (например, 574УД1А). Сигналы с выходов усилителей 53 и 54 поступают сначала на демодуляторы 55 и 56, а затем на фильтры 57 и 58 нижних частот, образуя 30 таким образом сигналы Тлд1 и Тдд2 на выходе блока 11 формирования сигналов, Временные диаграммы формирования этих импульсов представлены на фиг. 7.

В сигнале Тлд1 содержится информация 35 от прямолинейного фотоприемника 24 и спиралевидного фотоприемника 25, имеющих избирательную чувствительность на длине волны д1 . В сигнале Тлд2 содержится информация от прямолинейного фотопри- 40 емника 26 и спиралевидного фотоприемника 27, имеющих избирательную чувствительность на длине волны д2. В селекторах 6 и 14 импульсов происходит разделение импульсов Тлд1 и Тлд2 на Тсп1, Тпр1 45 и Tcllz, Тпр2, соответственно. Работа селекторов 6 и 14 импульсов основана на разделении импульсов по длительности.

Длительность импульсов Тсп1 в последовательности Тлд1 определяется углом раэво- 50 рота спиралей, образующих спиралевидные фотоприемники т«1=2сощ, а длительность импульсов Тпр1 пропорциональна углу раствора сектора, образующего прямолинейные фотоприемники г«1=2вр1 . По 55 переднему фронту импульсов Тлд1 формирователь 47 вырабатывает импульс селекции Т2, длительность которого тпр1 < tz < тсп1 .. По заднему фронту импульса Т2 вырабатывается строб-импульс

ТЗ. который приходит на вход сброса счетного триггера 49 только в момент прохождения импульса Тсп1 (см. временные диаграммы на фиг. 6 и функциональную схему на фиг. 5). Счетный триггер 49 перебрасывается по переднему фронту импульсов

Т1 с выхода формирователя 46. Таким образом, счетный триггер 49 установлен во время прохождения импульсов Тсп1 и сброшен во время прохождения импульсов Тпр1. Следовательно, на выходе схемы И 51 выделяются импульсы Тсп1, а на выходе схемы И 52 — импульсы Тпр1. Аналогичным образом работае селектор 14 импульсов.

Функциональные преобразователи 15 и

16 совместно с соответствующими преобразователями 17 — 20 кода в интервал времени осуществляют преобразование соответствующих входных импульсов (Тсп1, Тпр1 и

TI-lo1 для функционального преобразователя 15 и Тсп2, Тпр2 и Тно2 для функционального преобразователя 16) во временные интервалы, пропорциональные полярным координатам р1, р1, энергетического центра лазерного луча на длине волны

А1 ир, < 2, энергетического центра лазерного луча на длине волны относительно центра анализатора 3. Функциональный преобразователь содержит два канала — канал преобразования полярной координаты р (триггер 62, ключи 65, бб, 67 и 71, интегратор 73, схема 75 выборки-хранения, компаратор 77) и канал преобразования полярной координата р(триггер 63, ключи 68, 69, 70 и 72, интегратор 74, схема 76 выборки-хранения, компаратор 78). Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг. 9.

Известно, что а = — = coIlci (1)

Jl где ф — интервал времени между серединами импульсов Тпр1 и Тсп1

I р — интервал времени между серединами импульсов Тпр1 и Тно1, тц — интервал времени между соседними импульсами TI-Ioi. соответствующий периоду вращения анализатора 3.

Из временных диаграмм (фиг. 9) видно, что для последовательностей импульсов

TI-Io1 и Тлд1 имеют место соотношения;

1674368

12 тг)л = ф + 0.5 tllP l + 0.5 tC Ill . (2) ф — — tpt+05тляi+05 aoi.

Интервалы времени т 1 и тр)1 формируются при помощи триггеров 62 и 63, а также формирователей 59, 60 и 61 (фиг. 8), При изменении эффективного радиуса r опорного луча в плоскости анализатора 3 (под эффективным радиусом г опорного луча понимается максимальное расстояние от центра пятна излучателя до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания фотоприемников 24-27) значения я)г и т)з не изменяются (фиг. 9). Пезтому в данном устройстве отсутствует погрешность от неизвестного эффективного радиуса r. Канал преобразования полярной координаты р работает совместно с преобразователем 17 кода в интервал времени.

Этот канал объединяет в себе итерационный преобразователь отношения двух интервалов времени в напряжение и . итерационный преобразователь напряжения в код с поразрядным уравновешиванием, Рассмотрим сначала работу преобразователя огношения двух интервалов времени в напряжение. Для этого предположим. что ключ 71 всегда разомкнут, Этот преобразователь работает циклично, 8 каждом цикле осуществляется: интегрирование интегратором 73 выходного напряжения 4Eо источника 64 эталонного напряжения в течение интервалов времени т)р1, гпр1 и гсп1, и через ключи

65, 66 и 67 соответственно; выборка выходного напряжения интегратора 73 схемой 75 выборки-хранения в момент времени Тц, интегрирование интегратором 73 напряжения на выходе схемы 75 выборки-хранения в течение времени цикла Тц.

Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе схемы

75 выборки-хранения равно UH. Тогда, учитывая, что сопротивление интегратора 73 по входам интегрирования импульсов Тпр1 и

Тно1 вдвое больше сопротивления по входу

Е1 интегрирования импульсов Т ri (2R2 и R2 соответственно, фиг. 8), это напряжение после первого цикла работы канала станет равным:

u „, + Ео Квх

1 н R2 С ф + 0,5 тп р1 + 0,5 г но1

Квх Тц — 0 В1 С—

= „, "t))t +u. а, (з) 10

Е К о вх .. QJ — 1+ .С п

R2 С ™"-, (4) Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при условии I Q I < 1, . и убывающего при этом же условии члена UHQ", Используя формулу для суммы членов гео35 Ь метрической прогрессии д 0

) =1

-(1 -0")/(1- Q), в установившемся режиме (n - e> ) получим

Необходимое число циклов и для дости45 жения заданной погрешности преобразования уп определяется из выражения и = Int

50 где 41 — целая часть числа;

Ооо- установившееся значение напряжения на выходе схемы 75 выборки-хранения.

При Q - 0 преобразователь сходится за один цикл. На практике легко получить значение Q - 0,1. При этом для достижения где С вЂ” емкость интегратора 73;

R1 — сопротивление интегратора 73 по входу обратной связи;

15 Квх — коэффициент передачи схемы 75 выборки-хранения;

Q — коэффициент сходимости О=т

Квх 5

R1 C

20 Учитывая, что выражение (3) представляет собой рекуррентное соотношение, то после и-го цикла интегрирования оно примет вид

1674368

14 значения у необходимо всего 3-4 цикла работы преобразователя, В преобразователе 17 кода в интервал времени счетчик 83 считает по модулю "4", а счетчик 84 — по модулю "12" (если исполь- 5 эуется 12-разрядный регистр последовательного приближения), С помощью блока

17, а также ключа 71 и компаратора 77 осуществляется поразрядное уравновешивание напряжения Up1 на выходе схемы 75 10 выборки-хранения при помощи напряжения компенсации -Eo источника 64 эталонного напряжения. Сначала "1" записывается в старший разряд регистра

79, Этот код поступает на вход декремент- 15 ного счетчика 80 и с помощью триггера 81 и схемы И 82 формируется интервал времени компенсации Тр1, который поступает на управляющий вход ключа 71 в блоке 15.

Этот код остается неизменным в течение четырех циклов работы преобразователя, что обеспечивается счетчиком 83. Если произошла перекомпенсация (изменился сигнал на выходе компаратора 77), то "1" записывается в следующий разряд регистра 25

79, а в старшем разряде его она стирается.

Если перекомпенсации не было, то "1" в старшем разряде остается. Затем через че- . тыре цикла работы снова определяется знак напряжения на выходе компаратора 77.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут использованы все разряды регистра 79 последовательного приближения. При этом напряжение на выходе схемы 75 выборки-хранения станет равным нулю (или 35 точнее, оно попадает в область нечувствительности компаратора 77). а код Np1 на

I выходе регистра 79 последовательного приближения будет пропорционален полярной 40 координате р1 опорного луча в плоскоСти анализатора 3. Этот код переписывается в буферный регистр 85 по приходу строб-импульса Тл конца преобразования с выхода счетчика 84. После этого процесс преобра- 45 зования повторяется снова.

Таким образом, канал преобразования полярной координаты уравновешивается эа 48 циклов. При этом можно записать

55 отсюда где fy, частота квантования.

Таким образом, если Ь R1. С 2 л, то значение Np1 на выходе преобразователя

17 кода в интервал времени пропорционально координате р1 опорного луча в плоскости анализатора 3.

Аналогичным образом работает канал преобразования полярной координаты p1 .

После завершения 48 циклов преобразования код пр1 на выходе преобразователя 18 кода в интервал времени определится выражением где Вз — сопротивление интегратора 74 по входу интегрирования импульсов Т;

R1 — сопротивление интегратора 74 по входу обратной связи;

R2 — сопротивление интегратора 74 по входу компенсации;

С вЂ” емкость конденсатора интегратора

74.

Таким образом. если

R2 — R1 С fk -2л а, то значение кода

R3

Np1 на выходе преобразователя 18 кода в интервал времени пропорционально полярной координате р1 опорного луча в плоскости анализатора 3. Значения времязадающих элементов интеграторов 73 и 74 выбраны равными для обеспечения одинакового времени сходимости обоих каналов, Используемый в каналах преобразования полярных координат и итерационный функциональный преобразователь обеспечивает высокую точность преобразования при сравнительно низких требованиях к блокам, входящим в его состав. Так, на погрешность измерения не влияет нестабильность напряжения Ео источника эталонного напряжения, коэффициента К>< схемы выборки-хранения. Высокие требования предъявляются только к стабильности резисторов R1, R2 и R3, конденсатора интегратора С и частоте квантования fK генератора 7, но их выполнение не является технической проблемой. С помощью итерационного преобразователя в значительной степени компенсируется случайная погрешность от турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3 (более чем на порядок). Механизм этой компенсации близок к методу "скользящего окна", широко используемого в математической статистике.

1674368

Аналогично работает функциональный преобразователь 16 совместно с преобразователями 19 и 20 кода в интервал времени.

Следовательно, на входах компаратора 21 кодов сравниваются коды Np и N, соОтветствующие полярным координатам р1 иуг опорного луча (на длинах волн

Л1 и Л соответственно) относительно центра анализатора 3. На входах компаратора

22 кодов сравниваются коды Np и Np2, соответствующие полярным координатам

pz ио опорного луча (на длинах волн

А1 и Й2 соответственно) относительно центра анализатора 3, Если эти коды попарно совпадают, то схемой И 23 вырабатывается сигнал Тс, по которому коды

Nrp =- Nrp< = Npz и Np:=: Npl = Йр переписываются в буферные регистры 8 и 9, Следовательно, коды координат на выход устройства будут переписываться только, в момент совпадения энергетических центров составляющих опорного луча на длинах

ВОлн Я) и Л2 . А это происходит только в момент совпадения опорного луча с теоретической осью. Поэтому в устройстве скомпенси рована погрешность от турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3.

Таким образом, достигается более высокая точность контроля положения объекта относительно опорного луча. Другим преимуществом данного устройства является больший диапазон измеряемых перемещений при одинаковом радиусе R анализатора 3.

Формула изобретения

1, Способ контроля положения объекта относительно опорного луча, при котором опорный луч задается лазером, установленным на неподвижной базовой оснастке, и используется в качестве эталона прямолинейности, а анализатор позиционно-чувствительного целевого знака закрепляют в контролируемой то гке объекта, причем изменение величины выходных сигналов позиционно-чувствительного целевого знака используют для контроЛя положения объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и позиционно-чувствительным целевым знаком, в опорном луче генерируют колебания с двумя различными длинами волн, получают и сравнивают соответствующие им электрические сигналы. а информацию о положении объекта относительно опорного луча Определяют по соотношению величин электрических сигналов.

2. Устройство контроля положения обьекта относительно опорного луча, содержа5 щее излучатель, оптически соединенный через коллиматор с анализатором, который оптически связан с формирователем начала отсчета и механически с двигателем, а также первый селектор импульсов, генератор и

10 два регистра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно содержит считывающее кольцо, имеющее емкостную связь с анализатором и электрическую связь с блоком формирования сигналов, модулятор, расположенный

15 между излучателем и коЛлиматором и электрически связанный с опорным генератором, при этом блок формирования сигналов соединен с первым и вторым селекторами импульсов, формирователь начала отсчета

20 связан с первым и вторым функциональными преобразователями, причем первый селектор импульсов двумя сигналами связан с первым функциональным преобразователем, а второй селектор импульсов двумя сиг25 налами связан с втооым функциональным преобразователем, а также четыре преобразователя кода в интервал времени, причем один из выходов первого функционального преобразователя соединен с входом компа30 рирования первого преобразователя кода в интервал времени, второй выход первого функционального преобразователя соединен с входом компарирования второго преобразователя кода в интервал времени, а

35 третий выход — с входами стробирования первого и второго преобразователей кода в интервал времени, первый выход второго функционального преобразователя соединен с входом компарирования третьего пре40 обраэователя кода в интервал времени, второй выход -- с входом компарирования четвертого преобразователя кода в интервал времени, а третий выход — со входами стробирования третьего и четвертого пре45 образователей кода в интервал времени, при этом выходы первого и второго преобразователей кода в интервал времени соединены с соответствующими входами первого функционального преобразовате50 ля, а выходы третьего и четвертого преобразователей кода в интервал времени соединены с соответствующими входами второго функционального преобразователя, а также два компаратора кодов, схема И, 55 причем третий выход второго функционального преобразователя соединен с первым входом схемы И, а генератор соединен со счетными входами четырех преобразователей кода в интервал времени, при этом выходы первого и второго преобразователей

1674368

17

10

55 фотоприемника, второе прозрачное окна — —— кода в интервал времени подключены к первым входам первого и второго компараторов кодов соответственно, а выходы третьего и четвертого преобразователей кода в интервал времени подключены к вторым входам первого и второго компараторов кодов и первым входам первого и второго регистров соответственно, причем выходы первого и второго компараторов кодов соединены с вторым и третьим входами схемы И, выход которой подключен к входам стробирования первого и второго регистров, выходы которых являются выходами Йр и Np устройства соответственно.

3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что B качестве излучателя используется двухчастотный лазер, одновременно генерирующий колебания на длинах волн k и i4,, распространяющиеся в одном опорном луче.

4. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что анализатор представляет собой прозрачный диск радиуса R+ Л Й, на одной из сторон которого нанесены два прямолинейных и два спиралевидных фотоприемника, расположенных центрально симметрично относительно центра анализатора, причем две стороны прямолинейных фотоприемников расположены по радиусам диска R с углом разворота 2 р1, две стороны спиралевидных фотоприемников образованы левосторонними спиралями

Архимеда с началом в центре диска и развернутыми по радиусу R на угол 180О, причем угол разворота спиралей между собой равен 2 уц, а точки пересечения спиралей с базовой окружностью радиуса R симметричны относительно оси Х, проходящей через центр диска анализатора и осевую линию прямолинейных фотоприемников, третьими сторонами всех фотоприемников являются дуги окружности радиуса R- ЛЯ, при этом первые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют избирательную чувствительность к длине волны

А1, а вторые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют избирательную чувствительность к длине волны .4, анализатор имеет также непрозрачную зону в виде кольца, ограниченного окружностями радиусов R- Лй и R+ Л R, при этом непрозрачная зона имеет два прозрачных окна для формирователя начала бтсчета. причем первое прозрачное окно представляет собой кольцевой сектор, примыкающий к первому прямолинейному фотоприемнику и ограниченный окружностями радиусов R- Л R и R, а также прямыми, продолжающими радиальные стороны первого прямолинейного

45 представляет собой кольцевой сектор, ограниченный окружностями радиусов R и R+

+Л R, а также прямыми, продолжающими радиальные стороны второго прямолинейного фотоприемника, при этом на другой стороне диска анализатора расположены четыре кольцевых электрода для съема информации с фотоприемников, причем первые прямолийненый и спиралевидный фотоприемники имеют электрическую связь с вторыми двумя кольцевыми электродами, а вторые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют электрическую связь с вторыми двумя кольцевыми электродами, при этом считывающее кольцо, изготовленное из прозрачного материала, имеет внутренний радиус R- Л R и внешний радиус R+ Л R, причем на одну из его сторон нанесены четыре кольцевых электрода, идентичных по своим параметрам кольцевым электродам диска анализатора, считывающее кольцо является неподвижным и устанавливается в непосредственнойй близости от вращающегося диска анализатора, и ри этом соответствующие кольцевые электроды диска и считывающего кольца попарно образуют четыре проходных кольцевых конденсатора, обеспечивая, таким образом, съем информации с фотоприемников вращающегося анализатора, на другой стороне считывающего кольца имеются четыре контактные площадки, связанные с кольцевыми электродами для обеспечения надежного электрического соединения считывающего кольца с блоком формирования сигналов.

5. Устройство по п.2, о тл и ч а ю щеес я тем, что формирователь начала отсчета содержит два излучателя и два фотоприемника, причем первые излучатель и фотоприемник оптически связаны через первое прозрачное окно анализатора, а вторые излучатель и фотоприемник оптически связаны через второе прозрачное окно анализатора, 6. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что каждый из двух селекторов импульсов содержит три формирователя, три схемы И и счетный триггер, причем один из выходов блока формирования сигналов соединен с входами первых двух формирователей и трех схем И, выход первого формирователя соединен с входом стробирования счетного триггера, выход второго формирователя соединен с входом третьего формирователя, выход которого соединен с вторым входом первой схемы И, 19

1б74368

20 выход первой схемы И соединен с входом сброса счетного триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом второй схемы И, а инверсный выход соединен с вторым входом третьей схемы И, при этом выходами селектора импульсов являются выходы второй и третьей схемы И, 7, Устройство по п.2, о т л и ч à ю щ е ес я тем, что блок формирования сигналов содержит два одинаковых канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя, демодулятора и фильтра нижних частот, при этом входами блока формирования сигналов являются входы усилителей, а выходами — выходы фильтров нижних часто-.

8. Устройство пои z, отл и ч а ю щеес я тем, что каждый из двух функциональных преобразователей содержит три формирователя, два триггера, источник эталонного напряжения, восемь ключей, два интегратора, две схемы выборки-хранения, два компаратора, при этом к первому входу функционального преобразователя подключены вход первого формирователя и управляющие входы второго и шестого ключей, к второму входу функционального преобразователя подключены вход второго формирователя и управляющий вход третьего ключа, к третьему входу функционального преобразователя подключены вход третьего формирователя и управляющий вход пятого ключа, выход первого формирователя соединен с входами установки первого и второго триггеров, выход второго формирователя соединен с входом сброса первого триггера, входами стробирования первой и второй схем выборки-хранения и выходом функционального преобразователя, выход третьего формирователя соединен с входом сброса второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа, выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа, выход+Ео источника эталонного напряжения соединен с входами первых шести ключей, а выход -Ео соединен с входами седьмого и восьмого ключей, при этом выходы первого, второго, третьего и седьмого ключей соединены с входами первого интегратора, выход которого соединен с входом первой схемы выборки-хранения, выходы четвертого, пятого, шестого и восьмого ключей соединены с входами второго интегратора, выход которого соединен с входом второй схемы выборки-хранения, выходы первой и второй схем выборки-хранения подключены к первым входам первого и второго компараторов соответственно, причем выход первого компаратора соединен с вторым выходом функционального преобразователя, а выход второго компаратора соединен с третьим выходом функционального преобразователя, при этом управляющие входы седьмого и восьмого ключей соединены с четвертым и пятыи входами функционального преобразователя соответственно, а вторые входы первого и второго компараторов соединены с общей точкой устройства, при этом выходы первой и второй схем выборки-хранения соединены с пятыми входами первого и второго интеграторов соответственно.

9, Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что каждый из четырех преобразователей кода в интервал времени содержит регистр последовательного приближения, выход которого связан с входом декрементного счетчика, один из входов преобразователя кода в интервал времени. связан с входом записи декрементного счетчика и с входом установки триггера, выход которого соединен с первым входом схемы И и первым выходом преобразователя кода в интервал времени, к второму входу схемы И подключен выход обнуления декрементного счетчика, при этом выход схемы И соединен с входом сброса триггера, первый вход преобразователя кода в интервал времени соединен со счетным входом первого счетчика, выход которого соединен с тактовым входом регистра последовательного приближения и со счетным входом второго счетчика, выход переноса которого подключен к стробирующему входу буферного регистра, при этом выход регистра последовательного приближения связан также с входом буферного регистра, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя кода в интервал времени, вход компарирования регистра последовательного приближения связан с вторым входом, а счетный вход декрементного счетчика связан с третьим входом преобразователя кода в интервал времени, 1674368

1674368

15Ì УУ И5

/ р «

am 1f

Тс

Тпр

1674368

1674368

1674368

bpt

ТМ1 т„, Фаг. У

pi . Г/

/ фиг. 10

Редактор А.Лежнина

Заказ 2935 Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина. 101

"vr

T$I (и

1 t

Составитель В.Пучинский

Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Ю1