Фотоэлектрический преобразователь положения в код Советский патент 1983 года по МПК G08C9/06 

ел

о со Изобретение относится к автоматике н вычислительной технике, и предназначе но для измерения углового или линейног положения и может быть использовано для ввода информации в ЭЦВМ, при программном управлении станками, для систем управления технологическими процессами, в различных сканирующих уст ройствах, в том числе в аналитических стереопрйборах. Известен фотоэлектрический преобразователь перемещения, который содержи расположенные последовательно вдоль оптической оси неподвижный источник света, измерительный растр, закреплен ный на перемещающемся объекте, а также неподвижные индикаторный растр и считъшающий элемент {фотоприемник), П перемещении измерительного растра в направлении, перпендикулярном его штрихам, происходит периодическое изменение фототока в фотоприемнике из-за модуля1ШИ светового потока сопряжением изме- рительного и индикаторного растра ij . Недостатком является то, что такой преобразователь при щаге растра 40 мкм позволяет получить разрещающую способность в 10 мкм. Случайные сбои в его работе приводят к появлению накопленны ощибок. При измерении положений, когда перемещение между двумя моментами прохождения датчика нуля может быть очень , накопленная ощибка может превьш1ать допустимые пределы, что затрудняет использование этого преобразователя для измерения. Известен фотоэлектрический преобразователь положения в код с оптико-мехашиеским интерполятором, содержащий осветительную систему, компенсационный лимб с нанесенной на нем спиральной сеткой, кодовый лимб с нанесенными на нем двумя радами прозрачных и непрозрачных щтрихов, сдвинутых на 1/4 щага друг относительно друга, кодовый элемент, и фотоприемники (считывающие элементы). Осветительная система ос-, вещает диаметрально противоположные рабочие зоны компенсационного лимба, изображения которых с помощью оптических систем проецируются на диаметрально противоположные участки кодового лимба. Модулятор осветительной системы попеременно перекрывает верхнюю шш нижнюю половины рабочехх поля. Когда лимбы находятся в согласованном положении, световьш потоки от обеих половин рабочего поля равны 2| . Недостатком является то, что при повороте кодов(яч лимба равенство нарушается, и на фотоприемниках появляется сигнал; рассогласования, управляющий следящим двигателем, осуществляющим соответствующий доворот компенсаиион- ного лимба до согласованного положения. Разрещающая способность датчика по углу - 0,3, угл. сек однако быстродействие его , как и всех преобразователей с оптико-механической интерполяцией, ограничивается скоростью вращения механических элементов и составляет величину порядка 0,1 с. Наи)лее близким по тех1гической сущности к предлагаемому является фотоэлектрический преобразователь положения в код, который содержит расположенные вдоль оптической оси неподвижный источник света, подвижный кодовый элемент, связанный с объектом перемещения, а также неподвижные целевую диафрагму и считывающие элементы - фотоприемники. Кодовая маска кодовго элемента представляет собой несколько кодовых дорожек, на которьк в двоичном коде в виде прозрачных и непрозрачньк участков закодирована координата 3 и 4J . Такой преобразователь позволяет с высоким быстродействием однозначно опре делять линейное или угловое положение движущегося объекта, однако его разре щающая способность ограничивается величиной щага кодовой дорожки младщего разряда и составляет 20-50 мкм для линейнйх положений 10-20 для угловых положений-. .. Цель изобретения - повьпиение разреающей способности преобразователя. Поставленная цель достигается тем, то в фотоэлектрическом преобразователе оложения в код, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической си источник света и кодовый элемент, читывающие элементы, введены оптически соединенные светоделительная призма, ферическое зеркало и две пары зеркаль- ых пластин, которые расположены перендикулярно друг другу, одна пара miacин установлена с возможностью перемещения, а другая - неподвижно, и размещеш 1 между сферическим зеркалом и ветоделнтельной призмой, о;гражающая грань которой обращена к считьтающим элементам и к отражакшшм граням подижной тшры зеркальных пластин. На . 1 изофажена схема предла-«емого фотоэлектрического преобразователя; на фиг. 2 - принцип умножения ли- нейного перемещения; на фиг. 3 - ход лучей в системе зеркальных пластин в плоскости, перпендикулярной направле-. нию перемещения; на фиг. 4 - схема npe« обраэователя углового положения; на фиг. 5 - принцип умножения углового перемещения. На пути распространения светового : пера от источника 1 света (фиг. 1) piacположены конденсор 2, кодовый элемент 3 и зеркально-линзовый объектив 4, состоящий из светоделительной призмы 5, задняя поверхность которой вьшолнена сферической, вогнутого сферического зеркала 6. Такой зеркально-линзовый объектив 4 с увеличением один обеспечивает очень высокое качество изображения, свя занное с объектом перемещения - подвижная пара зеркальных пластин 7, и неподвижная пара зеркальных пластин 8, считывающие элементы 9. Устройство работает следующим об разом.. Для измерения линейных положений кодовый элемент 3 вьшолнен в виде кодовой линейки, а подвижная пара зеркальных пластин 7 имеет возможность линейного перемещения вдоль кодовой линейки. Конденсор 2 формирует из светового потока, излучаемого источником 1 света, луч света, освещающий кодовую линейку (маску), проходит светоделительную призму 5 и попадает на систему зеркальных пластин.При перемещении подвижной пары зеркальных пластин 7 на величину ой луч света на его выходе сме- щается (фиг. 2). После одного отражения от пластины 7 световой луч об смещается вдоль направления перемещения на ве- личину 2 0, после второго отражения на величину после третьего отражения - на величину 6 at. В общем виде эта зависимость записьтается следую- щим образом А«2кл, где А - смещение| лу на выходе системы зеркальных1тйетан в направлении смещения подвижной пары зеркальных пластин 7; к - целое число, равное числу циклов отражений в системе. Для разнесения входа и выхода nf вводится в систему зеркальных плас тин под углом в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения попвт ной пары зеркальных пластин 7, как это показано на фиг. 3, луч, прощедший через эту систему, отражается вогнутым сферическим зеркалом 6, вновь проходит через систему зеркальных пластин, смещаясь дополнительно на вели1ину 2 к, и после отражения от светоделитбльной плоскости призмы 5 попадает на линейку считьгеаюших элементов 9. В плоскости расположения считывающих элементов 9 формируется в масштабе m 1 изображение кодовой линейки, смещенное на величину А 4k(vS вдоль направления кодовых дорожек. Таким образом, разрешающая способность преобразователя повьпиается в 4 к раз. Практически наибольший эффект достигается при к 1-6, что позволяет реально повысить разрешающую способность фотоэлектрического преобразователя в 16-24 раза. Аналогично описанному выше фотоэлектрическому преобразователю линейных положений может быть вьшолнен фотоэлектрический преобразователь угловых положений (фиг. 4). Отличие его состоит в том, что кодовая линейка заменена на кодовый диск, т. е. кодовые дорожки расположены на окружности, и соответственно подвижная пара зеркальных пластин 7, связанная с объектом перемещения, имеет возможность вращения вокруг оси, перпендикулярной линии пересечения точности, в которых расположены неподвижные зеркальные пластины 8. На фиг. 5 показан принцип умножения углового перемещения. Подвижные зеркальные тластины 7 повернуты на угол о относительно неподвижных зеркальных пластин Я. Изображение штриха b (фиг. 5) на входе пластин 7 смещается на угол 2 об в положение Ъ на выходе пластин 7 после первого цикла и возвращается на неподвижные зеркальные пластины 8, из которого оно выходит в положение С, вновь возвращается на подвижные зеркальные пластины 7, на выходе которого оно смещается после второго цикла уже на угол 4 об (положение С ), после третьего цикла изображение смещается на величину 6ot (положение с ) затем выхо положение Л и т. д. Таким обра У™ Р наличии k пиклов отражений в системе зеркальных плас«тин разрешающая способность преобразователя повьшхается в 4k раз. Повышение разрешающей споообности преобразователя угловых или линейных положений в 4 k раз сопровождается таким же уменьшением пределов измерения. В тех случаях, когда необходимо при повьш1ении разрешающей способности сохранить пределы измерения, следует вместо одной пары подвижных зеркальных 104 пластин установить несколько пар пластин. Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь положения, используя относительно грубую кодовую маску с шагом точной дорожки 40-100 мкм, позволяет повысить разрешающую способность в . 16-24 раза, т, е. достигнуть линейной разрешающей способности 2-5 мкм и угловой 0,5-1, не снижая при этом быстродействия и надежности преобразователя,не ус ложняя электронику считывания и не повышая трудоемкость и стоимость преобразователя. 036 Кроме того, конструкция и принцип действия предлагаемого фотоэлектрического преобразователя положения в код позволяют использовать известные способы и устройства оптико-механической или электронной интерполяции, повьшхающие разрешающую способность в 1О-2ОО раз, и добиться таким образом пре- дельно высокой разрешающей способности порядка 0,01 мкм и 0,01, что Может найти широкое применение при разработке преиезионных приборов.

ФОЮЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ В КОД, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света и кодовый элемент, считъшаюхние элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения его разрешающей способности, в него введены оптически соединенные светоделительная призма, сферическое зеркало и две пары зеркальных пластин, которые расположены перпендикулярно друг другу, одна пара пластин установлена с возможностью перемещения, а другая - неподвижно, и размещены между сферическим зеркалом и светоделИ Q тельной призмой, отражающая грань когорой обращена к считьшающим элементам (Л и к отражающим граням подвижной пары зеркальных пластин.

§

v

ff ff ffa

Ф&г.