Способ измерения перемещений объекта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений. Формируют несколько световых марок, связанных с перемещающимся объектом и расположенных на заданном расстоянии друг от друга и последовательно проводят их вдоль фоточувствительной поверхности фотопреобразователя, определяют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определяют перемещение. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

C0R33 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВедОмстВО сссР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Д

О (Л (О М

1 (21) 4608754/28 (22) 01.12.88 (46) 15.02,93. Бюл. ¹ 6 (71) Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе и Московское научно-производственное объединение "Спектр" (72 P,М.Галиулин, Р,M.Ãàëèóëèí, А.А,Кеткови, A.Ñ,Êðàøåíèííèêoâ и Д;З.Наширванов (56 Авторское свидетельство СССР

N 259112, кл. G 01 В 21/00, 1985, Авторское свидетельство СССР

¹ 1067352, кл. G 01 В 21/00, 1982, Изобретение относится к измеритель-! ной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения перемещений объектов и контроля позиционирования стаНков с ЧПУ, промышленных роботов, предназначено для систем автоматизации технологических процессов в машиностроений.

Известен способ.и устройство для измерения положения объекта, заключающийся в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразователя, источч ник фвета связан с объектом перемещения;

1 преобразуют распределение освещенности в вщ еосигнал, выделяют временной интервал, пропорциональный смещению обьекта относительно первсначального положения.

Временной интервал заполняется импульсами, количество которых подсчитывается счетч ком, едостатком данного способа и устройства является малый диапазон измерения перемещения, определяемыи длиной фото„„ „„1795273 Al

2 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измеритель- ной технике. Целью изобретения является . повышение точности и расширение диапазона измерений, Формируют несколько световых марок, связанных с перемещающимся обьектом и расположенных на заданном расстоянии друг от друга и последовательно проводят их вдоль фоточувствительной поверхности фотопреобразователя, определяют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определяют перемещение, 2 с.п.ф-лы, 4 ил. чувствительной поверхности фотопреобразователя. При использовании оптического масштабирования для увеличения диапазона пропорционально уменьшается точность.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному и выбранным за прототип является способ измерения перемещения обьекта, заключающийся в том, что формируют на поверхности .фотопреобразователя световую марку, преобразуют ее в электрический сигнал, по которому определяют положение энергетического центра световой марки и по нему судят о перемещении объекта.

Известно устройство для реализации этого способа, содержащее последовательно установленный оптический узел, блок обработки сигнала. а также блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, причем управлякгщий выход блока управления соединен со входом фотопреобразователя, а синхрони1795273 зирующий выход и выход высокой частоты подключены к блоку формирования кода, тактовый выход блока управления соединен с блоком обработки сигнала.

Недостатком известного способа и устройства являются малый диапазон измерения и уменьшение точности при расширении этого диапазона.

Целью. изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений;

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения перемещений объекта, заключающемся в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразователя, преобразуют оптический сигнал от марки в электрический сигнал, определяют по нему положение энергетического центра световой марки, по которому судят о перемещении объекта, формируют на поверхности фотопреобразователя несколько дополнительных световых марок, источники всех световых марок связаны с перемещающимся объектом, световые марки последовательно перемещают вдоль фотопреобразователя, подсчитывают количество прошедших вдоль фотопреобразователя световых марок, а перемещение объекта определяют с учетом номера и позиции каждой световой в текущий момент, общее перемещение вычисляют по формуле

В устройстве для измерения перемещения объекта, содержащем последова-. тельно установленные оптический узел, выполненный в виде оптически связанных источника света, диафрагмы и фотопреобразователя, блок обработки, сигнала, блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, управляющий выход которого соединен со входом фотопреобразователя, а синхронизирующий и выход высокой частоты — подключены к блоку формирования кода; тактовый выход блока управления соединен с блоком обработки сигнала, оно снабжено блоком определения номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управления выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определения номера источника подключен к дополнительному выходу блока управления, сигнальный вы. ход соединен с сигнальным входом блока формирования кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управления, а информационный выход блока определения номера источника является дополнительным выходом устройства, источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных источников, устанавливаемых на заданном расстоянии друг от друга вдоль направления перемещения объекта и кинематически связанных с ним.

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

"5 формируют несколько световых марок, связанных с перемещающимся объектом и расположенных на заданном расстоянии друг от друга, и последовательно проводят их вдоль фоточувствительной поверхности

20 фотопреобразователя; определяют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определяют перемещение.

На фиг.1 приведена функциональная

25 схема устройства для реализации способа измерения перемещения объекта; на фиг.2 — примеры реализации оптического узла, Устройство содержит последовательно установленные оптический узел 1, блок 2

30 обработки сигнала, блок 3 формирования выходного кода, а также блок 4 управления и блок 5 определения номера. Оптический узел 1 состоит из оптически связанных источника света 6, диафрагмы 7 и фотопреоб35 раэователя 8, выход которого подключен ко входу блока 2 обработки сигнала. Источник

6 света кинематически связан с перемещающимся объектом. Выходы блока 4 управления связаны с остальными блоками по

40 следующим шинам: управляющие выходы по шине 9 с управляющим и тактовыми входами фотопреобразователя 8; тактовый выход по шине 10 с тактовым

45 входом блока 2 обработки сигнала; высокочастотный выход по шине 11 с высокочастотным входом блока 3 формирования выходного кода; синхрониэирующий выход по шине 12 с

50 синхронизирующим входом блока 3 формирования выходного кода; задающий выход текущего кода координаты развертки фотопреобразователя 8 по шине 13 с координатным входом блока 5

55 определения номера.

Сигнальный выход блока 2 обработки сигнала (шина 14) подключен к сигнальному входу блока 5 определения номера, сигнальный выход которого (шина 15) связан с сиг1795273 нальным входом блока 3 формирования выходного кода.

Выходами устройства являются выходы блока 3 формирования кода (шина 16) и выходы блока 5 определения номера источника 6 (шина 17).

Оптический узел в зависимости от областей применения может быть выполнен (фиг.2) в различных вариантах, например, каждый элементарный источник света, установлен н ый на заданном расстоянии от соседних, может иметь конструктивно связанную с ним щелевую диафрагму 7, которая формирует узкий пучок света (фиг.2, а). При необходимости оптического масштабирования (фиг,2, б) световая марка может формироваться с помощью щелевой диафрагмы, конструктивно связанной с фотопреобразователем. В этом случае перемещение объекта связано с перемещением световой марки зависимостью где d — расстояние от источника 6 света до щелевой диафрагмы 7;

f — расстояние от щелевой диафрагмы 7 до фотопреобразователя 8, Следует отметить, что в этом случае направление перемещения объекта противоположно перемещению объекта в случае с расположением щелевых диафрагм на каждом источнике, а диапазон перемещения и масштаб преобразований определяется расстояниями d u f и может легко изменяться в большую или меньшую сторону. Разновидностью этого случая является выполнение щелевой диафрагмы в виде цилиндрической линзы, установленной перпендикулярно фоточувствительному ряду фотопреобразователей (фиг.2; в); Выражение для перемещения обьекта и световой марки такое же, .как в предыдущем варианте. Отличием является то, что цилиндрическая линза собирает световой поток с гораздо большей площади по сравнению с щелью и фокусирует световую марку в виде узкой полоски, обеспечивая больший уровень интенсивности световой марки vi соответственно большее расстояние между фотопреобразователем 8 и источником света, Блок 2 может быть выполнен по известной схеме, содержащей усилитель, блок выборки-хранения, фильтр низких частот и амплитудный дискриминатор (аналогично как у прототипа), Фотопреобразователь 8 может быть выполнен в виде фотолинейки ПЗС или в виде интегральной МДП-фотодиодной линейки, 40 соединен с инверсным выходом триггера

27, третий вход соединен с выходом ампли45

55

30 имею.цих большое количество дискретных фотоячеек (128-2048)

Блок 4 управления МЖкет быть выполнен по известной схеме(прототип) или содержать тактовый генератор с высокочастотным и тактовым выходами, делитель частоты с фазоимпульсным представлением информации, тактируемый блок задержки. Коэффициент деления делителя определяется количеством элементов фотопреобразователя 8. Делитель может быть выполнен на основе счетчика, имеющего выходы текущего кода координаты, В зависимости от типа используемого интегрального фотоприемника 8 блок 4 выдает по шине 9 требуемые тактовые и управляющие импульсы, Блок 5 определения номера источника может быть выполнен, например, в следующем виде (фиг.4). Он содержит дешифратор

18 кода начального участка фотопреобразователя 8, дешифратор 19 кода конечного участка фотопреобразователя 8, элементы

20, 21, 29, 30, 33, 36, 37 И, два амплитудных. детектора 22, 23, элементы 24, 31, 39 ИЛИ, тригеры 27, 28, 34. 38, элементы задержки

25, 26, 35, 40, реверсивный счетчик 32. Вход прямого счета счетчика 32 соединен с инверсным выходом триггера 27, вход обратного счета соединен с прямым выходом триггера 27. Вход записи триггера соединен с выходом 31 ИЛИ, Первый вход 31 ИЛИ подключен к выходу 29 И, второй — к выходу

30 И, первый вход 29 И соединен с прямым выходом триггера 27, второй вход соединен с выходом амплитудного детектора 23, третий вход объединен с первым входом 30 И.

Первый вход 30 И соединен с инверсным выходом счетного триггера 28, второй вход тудного детектора АД22, Вход С триггера 28 объединен с входом С триггера 27, Вход триггера 27 подсоединен к выходу элемента задержки 25, вход P подсоединен к выходу элемента задержки 26, вход С подключен к выходу 24 ИЛИ. Первый и второй входы 24

ИЛИ объединены соответственно с входами элементов задержки 25 и 26. Вход элемента задержки 25 соединен с выходом амплитудного детектора АД22, вход элемента задержки 26 соединен с выходами амплитудного детектора 23. Вход амплитудного детектора

АД22 соединен с выходом 21 И, вход АД23 соединен с выходом 21 И. Первый вход 20 И соединен с выходом дешифратора кода 18 начального положения развертки фотопр»образователя 8. Второй вход объединен с первым входом 21 И и подключен к шине 1- 1.

Второй вход 21 соединен с выходом дг нн1ф1795273 ратора конечного участка 19 фотопреобразователя 8. Входы начального и конечного дешифратора объединены и подключены к шине 13.

Амплитудные детекторы 22 и 23 служат для определения наличия входных импульсов независимо от их длительности и выдачи при этом высокого уровня. Они могут быть выполнены по известным схемам пиковых детекторов, устройств выборки-хранения, элементов памяти и др.

Элементы задержки 25, 26, 35. 40 служат для нормального функционирования элементов 27, 34, 38, Первый вход элемента 33 И соединен с инверсным выходом триггера 27, второй вход соединен с прямым выходом триггера

28, третий вход соединен с выходом амплитудного детектора АД22. Выход элемента 33

И соединен с входом триггера 38, Первый вход элемента 39 ИЛИ соединен с выходом элемента 36 И, второй — с выходом 37 И.

Первый вход 36 И обьединен с входом С триггера 34 и подключен к шине 14, второй вход соединен с прямым выходом триггера

34, третий вход соединен с прямым выходом тригера 38, Первый вход 37 И соединен с инверсным выходом триггера 38. Второй вход элемента 37 И соединен с инверсным выходом триггера 34, третий — соединен с выходом элемента задержки 35. Вход элемента 35 подключен к шине 12. Вход С триггера 38 соединен с выходом элемента задержки 40. Вход элемента 40 объединен с третьим входом 33 И, Вход P триггера 38 соединен с выходом амплитудного детектора АД23.

Дешифраторы 18, 19 начального и конечного участков фотопреобразователя 8 выдают высокий уровень в моменты опроса этих участков по текущему коду развертки.

Они могут быть выполнены на основе стандартных дешифраторов и схем сравнения кодов.

Из перечисленных элементов блока 5 определения номера элементы с 18 по 32 предназначены собственно для определения текущего номера источника 6 света.

Элементы с 33 по 40 предназначены для выделения информационного сигнала из нескольких импульсов, При переходе световых марок через граничные участки фотопреобразователя 8 — начальный и конечный — этими элементами производится переключение и выделение информационного сигнала о положении нужной световой марки. Так как все выше. перечисленные элементы блока 5 определения номера источника взаимосвязаны, то они обьединены в один блок, 55 ложению обьекта, Масштаб преобразований координаты световой марки определяется коэффициентом оптико-электронного преобразования и обработки сигнала, в свою очередь определяемым величинами Т, 1...Т,, и оптическим масштабированием.

Суть способа поясняется с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. Формируют с помощью источника 6 света на фотопреобразователе 8 световую марку. Источник 6 света кинематически связан с объектом, поэтому при перемещении объекта происходит смещение световой марки на поверхности фотопреобразователя 8. С управляющих выходов блока 4 управления подаются управляющие.и тактовые импульсы для управления разверткой фотопреобразователя 8 с периодом Т, и сдвигом во времени на интервал накопления, Под действием управляющих импульсов с выхода фотопреобразователя снимаются токовые сигналы, распределение амплитуд которых пропорционально распределению светового потока, С блока 4 управления на блок 2 обработки сигнала подаются тактовые импульсы, которыми управляются схема выборки и хранения в блоке 2 обработки сигнала. В последнем производится также дополнительное ограничение сигнала по спектру, выделяется огибающая свеговой марки, Отфильтрованный видеосигнал компанируется по уровню 0,5 И видео с помощью следящего амплитудного дискриминатора блока 2 обработки сигнала, и на выходе блока 2 получается импульс, временной интервал от центра которого до момента начала развертки пропорционален положению световой марки на поверхности фотопреобразователя 8. Далее этот импульс проходит через блок 3 формирования выходного кода. В последнем производится выделение кода, пропорционального положению световой марки, путем заполнения временного интервала от начала развертки до переднего фронта импульса высокочастотными импульсами с периодом Т кт, самого импульса — периодом 2Ттакт.

Полученная импульсная последовательность в параллельном или последовательном коде выдается на выход блока 3 формирования кода и на выход устройства и является цифровым эквивалентом положения текущей световой марки в данный момент.

Последовательно проводят световые марки вдоль фотопреобразователя 8, получают на выходе блока 3 формирования кода их текущую позицию, соответствующую по1795273

45

С помощью блока 5 определения номера производится подсчет номера текущей световой марки, соответствующего элементарному -му источнику из набора источников б света. Код номера снимается с выходной шины 17. По известным заданным расстоянием между элементарными источниками, номеру i, текущей позиции опредеlIAIoT общее перемещение обьекта так

Вычисления производят в блоке регистрации выходных данных, выполненного в виде микропроцессора, ЭВМ, калькулятора (на чертежах не показан), Рассмотрим подробнее работу блока 5 определения номера, В исходном состоянии все элементы обнуляются (не показано).

Для исключения пропаданий и нарушений измерений при переходе с одной световой марки на другую, расстояние между ними должно быть меньше, чем длина 1/2 фотопрфобразователя 8 для приведенной схемы блока 5 определения номера (фиг.4}.

Шаг между источниками света 6 выбирается таким, чтобы в поле зрения фотоприемникаа 8 находилось максимально 3 световые марки, при их расположении симметрично относительно центра фотоприемника 8, а в остальных положениях — 2 световые марки. Это необходимо для исключения прерываний преобразований в граничных условиях, Блоки с 33 по 39 выделяют информационный импульс от световой марки, номер которого определяется. По этому информационному импульсу формирований выходного кода определяется перемещение объекта с учетом номера световой марки.

Дешифраторы 18, 19 вырабатывают временные интервалы в моменты времени, соответствующие начальному и конечному участкам периода развертки фотопреобразователя 8, При появлении и совпадении инфОрмационного импульса с временным интервалом, соответствующим начальному или конечному участку фотопреобразователя, соответственно на выходе элемента 20 или 21 вырабатывается импульс в начале или конце периода. При этом соответствующий амплитудный детектор 22 или 23 вырабатывает высокий уровень. В зависимости от очередности сигнала высокого уровня на выходах АД22, АД23. триггер 27 выдает со5

30 ответствующий разрешающий сигнал на счетчик 32. На элементах 28, 29, 30, 31 вырабатывается сигнал записи. Элемент 29 И вырабатывает сигнал записи при положительном движении (перемещение источника света слева направо). Элемент 30 И вырабатывает сигнал записи при перемещении назад. Триггер 28 включен в счетном режиме для устранения двойного срабатывания счетчика 32 при реверсе. Триггер 27 производит запись по заднему фронту. Схема выделения информационного импульса работает следующим образом, Очередная запись в счетчик 32 происходит при срабатывании АД22. Во всех случаях при движении вперед необходимо выделять второй информационный импульс. При движении вперед очередная запись в счетчик 32 происходит при.срабатывании АД23. После срабатывания АД23 выделяет первый импульс, Триггер 34 включен в счетном режиме. Элемент 36 И пропускает первый импульс. Элемент 37 И пропускает второй импульс.

Триггер 38 разрешает прохождение первого или второго импульса. Элемент 33 И выделяет сигнал с АД22 при движении назад.

Сигналом с АД23 триггер.38 сбрасывается.

Перед началом каждой развертки триггер 34 подготавливается к работе импульсом сброса, поступающим по шине 12.

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

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

Предлагаемый способ и устройство при использовании в станках с ЧПУ, робо1отехнических системах позволяют повысить производительность и качество продукции.

1795273

25

Фиг.I

Формула изобретения

1. Способ измерения перемещений объекта, заключающийся в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразователя, преобразуют оптический сиг- 5 нал от марки в электрический сигнал, определяют по нему положение энергетического центра световой марки, по которому судят о перемещении объекта, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения 10 точности и расширения диапазона измерений, формируют на поверхности фотопреобразователя несколько дополнительных световых марок, источники всех световых марок связывают с перемещающимся объ- 15 ектом, световые марки последовательно перемещают вдоль фотопреобразователя, подсчитывают количество прошедших вдоль фотопреобразователя световых марок, а перемещение объекта определяют с 20 учетом номера и позиции каждой световой марки в текущий момент, общее перемещение вычисляют по формуле где х; — перемещение в текущем моменте марки i-го источника; и > — расстояние между источниками;

m — количество источников. . 2. Устройство для измерения перемещений объекта, содержащее последовательно установленные оптический узел, выполненный в виде оптически связанных источника света, диафрагмы и фотопреобразователя, блок обработки сигнала, блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, управляющий выход которого соединен с входом фотопреобразователя, а синхронизирующий и выход высокой частоты подключены к блоку формирования кода, тактовый выход блока управления соединен с блоком обработки сигнала, отл ич а ю щ ееся тем,что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено блоком определения номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управления выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определения номера источника подключен к дополнительному выходу блока управления, сигнальный выход соединен с сигнальным входом блока формирования кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управления, а информационный выход блока определения номера источника является дополнительным выходом устройства, источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных источников, устанавливаемых на заданном расстоянии друг от друга вдоль направления перемещения объекта и кинематически связанных с ним, 1795273

1795273

Фиг.ю

1795273

Составитель P.Ãàëèóëèí

Техред М.Моргентал Корректор T.Ïàëèé

Редактор

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

Заказ 4 2 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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