Фотоэлектрическое устройство для измерения линейных размеров изделий

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет контроля коэффициента отражения и упрощение конструкции за счет исключения управления источником света и упрощение схемы. Измерение основано на методе оптической триангуляции с учетом чувствительности фотодиодной линейки и время накопления T_н заряда, на дискрете линейки формируется код, пропорциональный коэффициенту отражения. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейных размеров изделий, предназначено для систем автоматизации производства изделий в машиностроении. Цель изобретения расширение функциональных возможностей за счет контроля коэффициента отражения и упрощение конструкции за счет исключения управления источника света и упрощения схемы. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 функциональная схема электронной части устройства; на фиг. 3 временная диаграмма работы устройства; на фиг. 4 конструкция одновибратора; на фиг. 5 конструкция генератора тактовых импульсов. Устройство содержит источник узконаправленного оптического пучка, приемный объектив 2, линейный развертывающий фотоприемник 3, объектив 2 и фотоприемник 3 конструктивно объединены в оптоэлектронную головку 4, блок 5 развертки, блок 6 выделения и обработки сигнала, блок 7 управления, блок 8 формирования выходных кодов из узлов формирования кода по размеру 9 и коэффициенту отражения 10. Измеряются линейные размеры изделия 11, блок 5 имеет запускающие выходные шины 12, 13, тактовые шины 14, 15, фотоприемник имеет выходную шину 16, а блок 5 синхронизирующую выходную шину 17, блок 6 имеет выходные шины 18, 19, блок 7 выходную шину 20, блок 5 выходную шину 21, а блок 8 выходные шины 22, 23. Шина 24 является установочной. Выходная шина 16 фотоприемника 3 из дискретной фотодиодной линейки 25 подключена на вход блока 6 выделения и обработки сигнала, выходная шина 19 которого связана с информационным входом блока 8 формирования выходных кодов, запускающие выходные шины 12 и 13 блока 5 развертки связаны с управляющими входами регистров 26, 27 стирания и считывания фотоприемника 3. Выходная шина 21 высокой частоты блока 5 развертки подключена к высокочастотному входу блока 8 формирования выходного кода, выходные шины 22 и 23, 24 которого являются выходами устройства. Синхронизирующая выходная шина 17 блока 5 развертки подключена к управляющему входу блока 6 выделения и обработки сигнала, выходная шина 18 которого связана с входом блока 7 управления, выходная шина 20 которого подключена к управляющему входу блока 5 развертки. Линейный развертывающий фотоприемник 3 включает дискретную фотодиодную линейку 25, регистр 26 сдвига импульсов стирания и регистр 27 сдвига импульсов считывания. Блок 5 развертки включает генератор 28 тактовых импульсов, триггер 29, счетчик 30 с фазоимпульсным представлением, одновибратор 31, триггер 32. Одновибратор 31 предназначен для изменения длительности интервал Т_н времени накопления фотодиодной линейки 25. Первый выход генератора 28 подключен к входу триггера 29 и является шиной 17 блока 5 развертки. Второй выход генератора 28 является шиной 21 блока 5 развертки. Выходы триггера 29 шины 14 и 15. Кроме того, второй выход триггера 29 подключен к входу С триггера 32 и входу счетчика 30, выход которого является шиной 12 и подключен к входу одновибратора 31, выход которого связан с D-входом триггера 32, выход которого подключен к шине 13. Блок 6 выделения и обработки сигнала содержит узел 33 выделения видеосигнала, ключ 34, усилитель 35, фильтр 36 нижних частот, амплитудный детектор 37 и компаратор 38. Узел 33 выделения видеосигнала предназначен для выделения и запоминания пикового и среднего значения видеоимпульса. Усилитель 35 и ключ 34 предназначены для усиления выборки-хранения видеоимпульсов. Фильтр 36 нижних частот предназначен для выделения огибающей видеосигнала из дискретизаций сигнала на выходе усилителя 35. Амплитудный детектор 37 используется для формирования следящего порога срабатывания компаратора 38 при выделении измерительных сигналов и может быть выполнен по известной схеме пикового детектора. Его коэффициент устанавливается равным 0,5. Компаратор 38 предназначен для формирования прямоугольного импульса, равного по ширине видеоимпульсу на выходе фильтра 36 нижних частот при амплитуде 0,5 от максимальной, и может быть выполнен, например, на основе стандартной ИМС 554 САЗ (10). Блок 7 управления содержит амплитудный детектор 39 и сравнивающий усилитель 40. Назначение амплитудного детектора 39 аналогично назначению амплитудного детектора 37. Сравнивающий усилитель 40 предназначен для формирования управляющих импульсов для блока 5 развертки. Блок 8 формирования выходных кодов включает узел 9 формирования кода по размеру и узел 10 формирования кода по коэффициенту отражения. Узел 9 формирования кода по размеру содержит RS-триггер 41, триггер-делитель 42, элементы 43 и 44 "И", схему 45 "ИЛИ", счетчик 46. Узел 10 формирования кода по коэффициенту отражения содержит RS-триггер 47, элемент 48 "И", счетчик 49. S-вход триггера 41 подключен к шине 12, а R-вход к шине 19. Выход триггера 41 подключен к первому входу элемента 43 "И", второй вход которого связан с шиной 21. Вход триггера 42 подключен к шине 21, выход этого триггера связан с первым входом элемента 44 "И", второй вход которого подключен к шине 19. Выходы элементов "И" 43 и 44 подключены на входы схемы 45 "ИЛИ", выход которой связан с входом счетчика 46. Вход сброса счетчика подключен к шине 12, а выход шина 22. S- и R-входы триггера 47 подключены соответственно к шинам 13 и 12, выход триггера 47 связан с первым входом элемента 48 "И", второй вход которого подключен к шине 21. Выход элемента 48 "И" подключен к входу счетчика 49, вход сброса счетчика 49 связан с шиной 13. Выход счетчика 49 шина 23. Устройство работает следующим образом. Принцип измерения основан на методе оптической триангуляции. Световой пучок источника 1 узконаправленного оптического пучка направляют на поверхность контролируемого изделия 11 (фиг. 1). Рассеянное излучение с поверхности изделия 11 фокусируют объективом 2 на поверхности фотоприемника 3 в виде световой марки. Изменение координаты световой марки (Х_i) на фотоприемнике 3 пропорционально изменению размера (D) изделия 11. С помощью блока 6 выделения и обработки сигнала осуществляется измерение координаты (X_i) от начала фотоприемника 3 до энергетического центра сигнала, вызванного изображением световой марки (фиг. 3 а) на фотоприемнике 3. С выходных шин 22 и 23 блока 8 формирования выходных кодов снимаются двоичные параллельные коды значений размера D коэффициента отражения изделия К. Эти коды могут подаваться на выходы устройства для дальнейшей обработки. Последний определяется цветом, шероховатостью и наклоном поверхности. Оптико-электронное преобразование изображения световой марки осуществляется следующим образом. Блок 5 развертки формирует сигналы, которые обеспечивают операции преобразования: тактовые импульсы со скважностью четыре, сдвинутые друг относительно друга на половину периода (фиг. 3 б,в), которые подаются по шинам 14 и 15 на тактовые входы С1 и С2 регистров 26, 27 стирания и считывания; импульсы запуска регистров 26 и 27 стирания и считывания, задержанные друг относительно друга на интервал времени Т_н накопления фотодиодной линейки 25 (фиг. 3 г,д), которые подаются по шинам 13, 12 на управляющие входы регистров 26, 27; импульсы высокой частоты (фиг. 3 и), которые подаются по шине 21 на высокочастотный вход блока 8 формирования выходных кодов; импульсы тактовой частоты скважностью 2, которые подаются по шине 21 на высокочастотный вход блока 8 формирования выходных кодов; импульсы тактовой частоты скважностью 2, которые подаются на управляющий вход блока 6 выделения и обработки сигнала по шине 17. Частота высокочастотных импульсов в 10-100 раз выше частоты тактовых импульсов. В соответствии с перечисленными управляющими сигналами выполняются следующие операции: изображение световой марки вызывает изменение уровней напряжений в отдельных ячейках дискретной фотодиодной линейки 25, вследствие чего распределение выходных фотодиодных ячеек во времени при считывании пропорционально пространственному распределению интенсивности света по сечению световой марки на фотоприемнике 3, которое совпадает с продольной осью фотоприемника 3. Регистр стирания 26 обеспечивает приведение уровней фотодиодных ячеек линейки 25 в исходное состояние. Регистр считывания 27 со сдвигом во времени на интервал Т_н обеспечивает последовательное подключение каждой фотодиодной ячейки линейки 25 к шине 16. Регистры стирания и считывания 26, 27 могут быть выполнены как в виде отдельных микросхем, так и совместно с дискретной фотодиодной линейкой 25 по единой интегральной технологии. Токовый сигнал по шине 16 поступает на вход узла 39 выделения видеосигнала, с выхода которого напряжение видеоимпульса поступает на вход усилителя 35 при замкнутом ключе 34. Ключ 34 размыкается при поступлении синхроимпульсов по шине 17. Сигнал с выхода усилителя 35 (фиг. 3 е) поступает на вход фильтра 36 нижних частот, с выхода которого снимается электрический эквивалент световой марки фотоприемника 3 (фиг. 3 ж). На выходе компаратора формируется прямоугольный импульс (фиг. 3 а), равный по ширине видеоимпульсу на выходе фильтра 36 нижних частот, с выхода которого снимается электрический эквивалент световой марки фотоприемника 3 (фиг. 3 ж). На выходе компаратора формируется прямоугольный импульс (фиг. 3 а), равный по ширине видеоимпульсу на выходе фильтра 36 нижних частот при амплитуде 0,5 от максимальной амплитуды видеосигнала, что достигается установкой коэффициента передачи амплитудного детектора равным 0,5. Сигнал с выходной шины 19 блока 6 выделения и обработки сигнала поступает на RS-вход RS-триггера 41 узла 9 формирования кода по размеру, на RS-вход которого поступают импульсы запуска регистра считывания по шине 12. Узел 9 формирования кода по размеру обеспечивает измерение времени от начала опроса фотодиодной линейки 25 до середины видеоимпульса (фиг. 3 ж), что эквивалентно расстоянию от начала фотоприемника 3 до энергетического центра световой марки (фиг. 3 а), т.е. координата Х_i. Узел 10 формирования кода по коэффициенту отражения осуществляет измерение интервала между импульсами запуска считывания и запуска стирания и формирование выходного кода, пропорционального коэффициенту отражения изделия 11. Рассмотрим выполнение операции измерения времени узлом 9 формирования кода по размеру. Для этого в счетчик 46 (на С-вход) через схему 45 "ИЛИ" подается сначала высокая частота с выхода элемента 43 "И" (фиг. 3 л), а затем в течение времени поступления видеосигнала с выхода блока выделения и обработки сигнала через схему 45 "ИЛИ" поступает высокая частота, поделенная на два, с выхода элемента 44 "И" (фиг. 3 м). В результате этого в момент окончания опроса линейки 25 в счетчике 46 формируется цифровой эквивалент измеряемой величины Н (размера изделия 11), параллельный двоичный код которого снимается с шины 22. Рассмотрим работу узла 10 формирования кода по коэффициенту отражения. Для этого в счетчик 49 с выхода элемента 48 "И" поступают импульсы высокой частоты в течение интервала времени Т_н накопления. В результате в счетчике 49 формируется цифровой эквивалент коэффициента отражения К_о параллельный двоичный код, который снимается с шины 23. С помощью блока 7 управления можно регулировать длительность интервала Т_н, изменяя тем самым чувствительность фотодиодной линейки 25.

Формула изобретения

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ, содержащее источник узконаправленного оптического пучка, приемный объектив и установленные последовательно по ходу оптического пучка линейный развертывающий фотоприемник, расположенный в плоскости изображения объекта, блок развертки, подключенный первым запускающим и тактовыми выходами к соответствующим входам линейного развертывающего фотоприемника, выход которого подключен к последовательно соединенным блоку выделения и обработки сигнала, блоку формирования выходных кодов, и блок управления, выход которого связан с блоком выделения и обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет контроля коэффициента отражения и упрощения конструкции, блок развертки выполнен с дополнительными вторым запускающим и высокочастотным выходом и управляющим входом, линейный развертывающий фотоприеник выполнен с дополнительным запускающим входом, а блок формирования выходного кода с дополнительным входом, второй запускающий выход блока развертки подключен к дополнительному запускающему входу линейного развертывающего фотоприемника, выход высокой частоты соединен с соответствующим дополнительным входом блока формирования выходного кода, а управляющий вход подключен к выходу блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5