Оптоэлектронный датчик положения объекта

 

Использование: в измерительной технике при автоматизации производственных процессов для систем позиционирования крупных машин и механизмов. Сущность: датчик состоит из осветителя, прикрепленной к объекту заслонки с прорезями,сканатора и электронной схемы. Положение объекта определяется путем суммирования двух отсчетов: грубого - по количеству освещенных прорезей и точного-по положению ближайшей к оптической оси сканатора грани прорези. Это позволяет исключить влияние перекосов объекта 5 в направляющих и повысить точность измерения положения объекта. 2 ил. И

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИ АЛ ИС1 ИЧ Е С К И X

Р Е СГ!УБЛ И К (я)ю G 01 В 21/00!

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (/ ОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

@ЦАРЯ, @АР,: q + 11 2 4," .

<- Й 1..л,, „,, с Е ; =-2

) (21) 4868688/28 (22) 24.09.90 (46) 07.02.93. Бюл. № 5 (71) Научно-производственное объединение по автоматизации горнорудных, металлурги(веских предприятий и энергетических

I объектов черной металлургии "Днепргермета томатика" (72) В.Я.Ободан (56) Артемьев В.М. Локационные системы роботов. Минск, 1988, I

Бессарабов Н,В, Измерители размеров и перемещений на основе приборов с переносом заряда. Электронная промышленность, 1982, ¹ с.82 — 85.

Петраков А.В. Автоматические ТВ комплексы для регистрации быстрых процессов.

M., 1987.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматизации производственных процессов, в частности для систем позиционирования крупных машин и механизмов в прокатном производстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее осветитель, оптоэлектронный сканатор, расположенную между ними установленную на объекте непрозрачную заслонку, подключенный к сигнальному выходу сканатора формирователь видеосигHank, последовательно соединенные ключ, запоминающее устройство и индикатор, причем информационный вход ключа соединен с координатным выходом сканатора, а управляющий вход ключа — с выходом формирования видеосигнала.

„„ Ц„„1793217 А1 (54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Использование: в измерительной технике при автоматизации производственных процессов для систем позиционирования крупных машин и механизмов. Сущность; датчик состоит из осветителя, прйкрепленной к объекту заслонки с прорезями, сканатора и электронной схемы. Положение объекта определяется путем суммирования двух отсчетов: грубого — no количеству освещенных прорезей и точного — по положению ближайшей к оптической оси сканатора грани прорези. Это позволяет исключйть влия- ние перекосов объекта 5 в направляющих и повысить точность измерения положения объекта. 2 ил.

Недостатком прототипа являеФ:я низкая точность, вызванная тем, что при неконтролируемых перемещениях объекта со (поворот и поперечные перемещения в на- (Ъ правляющих вследствие зазора) одновременно меняется положение жестко связанной с ней заслонки. Она отклоняется от оси 010г, при этом меняются масштаб преображения и показания датчика, Другой причиной потери точности являются история объектива и геометрическая нелиней- а ность сканатора, т.к. контролируемый край заслонки перемещается в пределах всего поля зрения 001 сканатора. Вторым недостатком прототипа является недостаточная метрологическая надежность, т,е. неконтролируемое увеличение погрешности измерения выше допустимой в процессе работы

1793217 датчика в период между его поверками в связи с тяжелыми yñëîâèÿìè эксплуатации, Известно применение в оптоэлектронных измерительных системах блоков автоматического определения достоверности информации, с помощью которых на фотоэлектронный преобразователь периодически с помощью дополнительной оптической системы проектируется образцовое изображение, производится его анализ, определение достоверности измерительной информации и внесение при необходимости поправок. Такай способ определения достоверности информации сложен и не обеспечивает необходимой метрологической надежности, т.к, не охватывает участок из- мерительного тракта от заслонки до сканатора, на котором наиболее вероятно возникновение помех вследствие тяжелых

8Hp12HNx Qc oB É в прокатном праизвадст- 20 ве.

Целью изобретения является повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что устройства, содержащее оптически связан- 25 ные осветитель и оптоэлектронный сканатор, расположенную между ними, заслонку связываемую с обьЕктом, подключенный к сигйальнаму выходу сканатара формирователь видеосигнала, последовательно соеди- 30 ненные ключ, запоминающее устройство и индикатор, причем информационный вход ключа соединен с координатным выходам сканатора, снабжено N-канальным коммутатором, N-1 парой последовательна соеди- 35 ненных ключей и блоков запоминания, вычислительным блоком и блоком автоматического определения достоверности информации, вход коммутатора соединен с выходом формирователя видеосигнала, ин- 40 формационные входы ключей соединены с коордййатйым выходам сканатора, выходы коммутатора соединены с управляющими входами ключей, выходы блоков запоминаHMA подключены ко входам вычислительно- 45

ro блока, информационный выход вычислительного блока соединен с индикатором, блок автоматического определения достоверности информации выполней в ви де схемы сравнения и подключенных к ее 50 входам блоков определения минимума и блока"определения максимума, входы которых соединены с диагностическим выходом вычислительного блока, заслонка выполнена с N-1 равномерно расположенными пра-, 55 резями.

- На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого датчика; на фиг,2 — диаграммы, поясняющие ега работу.

Заслонка 1 с прорезями 2 расположена между осветителем 3 и оптоэлектронным сканатаром 4 и установлена на контролируемом обьекте 5, перемещающемся в направляющих 6 вдоль оси 0>Oz. Сканатор 4 состоит из оптической системы 7 и фотоэлектронногоо сканирующего преобразователя 8, Сигнальный выход 9 сканатора соединен с входом формирователя 10 видеосигнала. Его выход 11 подключен к входу коммутатора 12, Координатный выход 13 сканатора подключен к информационным входам ключей 14, управляющие входы которых соединены с выходами коммутатора

12. Выходы ключей 14 соединены с соответствующими входами запоминающих устройств 15, выходы которых подключены к вычислительному блоку 16. К вычислительному блоку 16 через информационный выход 17 подключен индикатор 18, а через диагностический выход 19 — блок 20 автоматического определения достоверности информации, состоящий из блока 21 определения минимума и блока 22 определения

Максймума; которые выходами подключены к схеме 23 сравнения с релейным выходам, входы этих блоков обьединены и являются входом блока 20, Истинное положение обьекта Х отсчитывается точки 02 и определяется по координате Хк края заслонки, отсчитываемой от точки 0 вдоль оси 001. В исходном положении обьекта Х=Xy,=О. Количество ключей 14 и ЗУ 15 равно N. Количество прорезей 2 в заслонке 1 равно N-1. Прорези расположены равномерно с шагом А, значение которого как константа введено в вычислительный блок.

Фотоэлектронный датчик положения раба.гает следующим образом.

Сканатор 4 производит однострочную развертку заслонки 1 в пределах своего поля зрения 00>, направление развертки ат точки 0 до 01, В процессе развертки сканатор на выходе 9 вырабатывает видеосигнал (фиг.2), характеризующий распределение освещенности в поле зрения сканатора 00 .

Положительному уровню видеосигнала соответствуют освещенные участки поля зрения (прорези 2 и участок от Хк до 01); нулевому уровню видеосигнала — непрозрачные участки заслонки 1.

Формирователь 10 вырабатывает короткие импульсы (фиг.2) в моменты

t1 t2„. tK пересечения чувствительным элементом сканатора черно-белых границ, чему соответствуют середины положительных фронтов видеосигнала И. Указанные короткие импульсы 1 направляются поочередно коммутатором 12 на управляющие входы

1793217 ключей 14; первый импульс в момент t1 поступает на левый (по схеме фиг.1) ключ 14, торой в момент tz поступает на следующий люч и т.д. Количество коротких импульсов

1 и номер К последнего используемого клю- 5 . 11а определяются положением X контролиуемого объекта и, следовательно, аслонки, Кроме видеосигнала, сканатор на координатном выходе 13 вырабатывает кодовый 10 сигнал, характеризующий положение чувстительного элемента сканатора вдоль оси

01 в пределах поля зрения. Начало отсчета — точка О. Условно изменение кодового сигнала Ill показано на фиг.2.

В моменты ti tð,...дк появления корот ких импульсов соответствующие ключи 14 г1оследовательно открываются в и соединенные с ними запоминающие устройства

15 записываются координаты X1, Xg,...,Хк 20 черно-белых границ прорезей 2 заслонки 1 и ее края.

По окончании цикла сканирования полученные координаты обрабатываются в выЧислительном блоке следующим образом. 25

Вначале определяется количество К запоминающих устройств, на выходе которых

Имеется нулевое значение координаты. 3атем определяется искомое положение X

1 контролируемого объекта по формуле 30

X= Х1 + А(К вЂ” 1), (1) где А — шаг расположения прорезей, X2 = Xz + А (К вЂ” 2), Хз = Хз + А (К вЂ” 3), 35

Хк = Хк+ А (К вЂ” К) = Хк (2) Полученные величины Xl,Õ2„„,Õê через диагностический выход 19 вычислительного блока 16 поочередно передаются в блок 20 автоматического определения достоверности информации. По окончании передачи данных в блоке 21 определения минимума выделяется минимальное значение последовательности Хмин, а в блоке 22 — максимальное Хмакс При нормальном функционировании датчика разность экстремальных значений не превышает порога

Хмакс Хмин + Л ° (3)

Если этот порог превышен, то срабатывает схема 23 сравнения с релейной харак- . теристикой, на ее выходе появляется сигнал, что свидетельствует о недостоверности информации на выходе 17 еы5 числительного блока 24, Причиной недостоверности могут быть нарушение крепления заслонки, ее поломка, засорение одной или нескольких прорезей, неправильная работа формирователя с потерей коротких импульсов и др.

45

Х1 скачком уменьшается с А до единицы 50 младшего разряда кода положения объекта, ° . Результат измерения X выводится через выход 17 на индикатор 18 и передается в систему автоматического управления положением объекта.

При перемещении объекта.5 перемещается и заслонка 1. При этом всегда координата Х1 первой черно-белой границы (отсчитываемой от точки 0) находится в пределах от нуля до величины А, Действительно, пусть объект перемещается из показанного на фиг.2 положения вниз. Как тОлько величина Х1 станет равной А, одно-. временно в точке О установится следующая черно-белая граница, и при дальнейшем перемещении объекта вниз появится еще один сформированный короткий импульс, величина К увеличивается на 1, координата а результат вычисления X увеличится на единицу младшего разряда, как и должно было произойти. Результат измерения Х значительно меньше зависит от перемещений объекта и заслонки в неконтролируемых направлениях, чем у прототипа, т.к. величина А совершенно не зависит от указанных перемещений, а первая черно-белая граница, определяющая координату Х1, всегда находится вблизи оптической оси, т,е. в зоне, где изменение расстояния от предмета до оптической системы приводит к существенно меньшим изменениям положения изображения на фотопреобразователе 8, чем на краю поля зрения. Аналогично уменьшаются также погрешности, вызываемые дисторсией объектива и нелинейностью собственно фотоэлектронного сканирующего преобразователя 8. Выигрыш в точности тем больше, чем меньше шаг А расположения прорезей 2. Для датчика с ходом 100 мм при расстоянии 500 мм от заслонки 1 до оптической системы 7; длине фотоэлектронного преобразователя 20 мм, количестве прорезей 10, дисторсии оптической системы 1 уменьше-. ние максимальной погрешности измерения по сравнению с прототипом составит ориентировочно 15 раз при равйомерном:законе распределения положения края заслонки в поле зрения сканатора.

Автоматическое on ределение достоверности информации о положении X обьекта 5 производится следующим образом.

В вычислительном блоке 16 подсчитываются положения Xz,Хз,...,Хк края заслонкй как суммы координат второй черно-белой границы и уменьшенного на 1 по сравнению с формулой (1) количества шагов А, затем третьей, четвертой и т.д, границ с соответствующим количеством шагов, т.е, 1793217

Дополнительным критерием достоверности может быть вычисление разностей

Формула изобретения

Оптозлектронный датчик положения обьекта, содержащий оптически связанные осветитель и оптозлектроннй сканатор, расположенную между ними заслонку, связываемую с объектом, подключенный к сигнальному выходу сканатора формирователь видеосигнала, последовательно соединенные ключ и запоминающее устройство и индикатор, причем информационный вход ключа соединен с координатным выходом сканатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено

Й-канальным коммутатором, N-1 парой последовательно соединенных ключей и блокбв запоминания, вычислительным блоком и блоком автоматического определения доХз — Хр, Х4 — Хз и т.д, и проверка их указанным образом, а также на отклонение от шага А. стоверности информации, вход коммутатора соединен с выходом формирователя видеосигнала, информационные входы ключей соединены с координатным выходом сканатора, выходы коммутатора соединены с управляющими входами ключей, выходы блоков запоминания подключены к входам выЧислительного блока, информационный выход вычислительного блока соединен с йндикатором, блок автоматического определения достоверности информации выполнен в виде схемы сравнения и подключенных к ее входам блоков определения минимума и блока определения максимума, входы которых соединены с диагностическим выходом вычислительного блока, заслонка выполнена с N-1 равномерно расположенными прорезями.

1793217 о, Составитель В.Ободан

Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева

Редактор

Заказ 494 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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