Устройство для управления положением исполнительных элементов Советский патент 1983 года по МПК G05B19/19 

шифратора, подключенного входами к выходам реверсивного счетчика и входам цифроаналогового преобразователя, связанного выходом с управляющими входом координатного фотоприемника, причем выходы датчиков предельных положений оптического элемента подключены к входам RS-триггера, а , вт.орые входы компараторов - к соответствующим источникам порогового напряжения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОХЮЖЕНИЕМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее координатный- фотоприемник, у крторого вьгаоды противоположных сегментов подключены к входам дифференциального усилителями RS-триггер, .о. тличающееся тем, что, с целью расширения области применения и увеличения быстродействия устройства,, в него введены реверюивный счетчик, дешифратор, цифроаналоговый преобразователь, два делителя частоты, два датчика предельных положений оптического элемента, девять эленентов И, три элемента Ш1И-НЕ, два элемента НЕ,D -триггер, элемент И-НЕ, шесть компараторов и шина синхронизациИуПодключенная к первым входам первого, второго, третьего, чет.вертого и пятого элементов И и первому входу шестого элемента И, соединенного вторым входом-с первым выходом дешифратора, выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, а третьим входом - с выходом первого Компаратора, подключенного первым входом к одному входу дифференциального усилителя, связанного другим входом с первым входом второго компаратора, подключенного выходом к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, соединенного выходом со вторым входом пятого элемента И, вторым входом-- с выходом третьего компаратора н BTorvbifi входом четвертого элемента И, а третьим входом - с вторым входом третьего элемента И и выходом четвертого компаратора, подключенного первым входом к первому входу третьего компаратора, выходу дифференциального усилителя и первым входам.пятого и шестого компас to раторов, соединенных выходами со БТОрь 1И входами соотв.ешственно второго (Л и первого элементов И, подключенных выходами к первым входам соответственно второго и третьего элементов ИЛИ-НЕ, связанных вторыми входами через соответствующие де.гштели частоты с выходами соответственно четбертого и третьего элементов И, а третьими входами - с выходами соответстенно седьмого -и восьмого элементов И, подключенных первь&ш входами к выходу первого элемента НЕ, а вторыми входами - соответственно к инверсному и прямому выз4одам О -триггера, связанного D -входом с прямым выходом RS-TpHrrepa, а С-входом - с входом первого элемента НЕ и вьпсодом элемента И-НЕ, подключенного первым входом к выходу второго элемента НЕ, а вторым входом - к выходу пятого Элемента И и первому входу девятого элемента И, соединенного выходом с суммирующим входбм реверсивного счетчика, а вторым входом - с входом второго элемента НЕ и вторым выходом де

Изобретение относится к автоматике и может быръ использовано в сис темах юстировки оптических элементов по угловым координатам. Известно устройство для юстировки лазерного пучка, содержащее индикатор положения пучка, состоящий из двух пар датчиков, разность напряжений от которых регистрируется синхронным усилителем, используемым в сочетании с механическим прерьшате телем лазерного пучка. Данное устрой ство можно использовать в системе об ратной связи, предназначенной для ав томатической коррекции .изменений направления распространения входящего в оптическую систему лазерного пучка l . . - : Известно также устройства для автоматической юстировки оптических эл по угловым координатам, содер жащее координатный фотоприемник, про тивоположные сегменты которого через усилитель и фильтр подключенык входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с входами .двух триггеров, подключенных через логический блок к блоку управления шаговьми двигателями, осуществляющи ми коррекцию положения оптического элемента, проектирующего лазерный пучок на координатмйй фотоприемншс Недостатками известных устройств являпотся ограниченные область приме нения и функциональные возможности. Указанные недостатки проявляются в том, что устрюйство не может выполнять свои функции при потере световой связи между координатным фото приемником и источником света, а также затрудняется использование устройства в участках оптического тракта с меняницимся уровнем интенсивности лазерного пучка из-за отсутствия возможности регулировать чувствительность координатного фотоприемника. Кроме того,в известных устройствах на точность юстировки влияют вибрации оптического элемента, которые возникают при отработке шагов двигателем и вызывают рыскание светового пятна на поверхности координатного фотоприемника, препятствуя точному вводу оптического элемента в заданное положение. Это вынуждает для минимизации влияния вибраций и получения большей точности проводить весь процесс юстировки на пониженных скоростях работы двигателей,что увеличивает продолжительность юстировки. Цель изобретения - расширения области применения, и увеличения, быстродействия устройств. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее координатный -фотоприенник, у которого выводы противоположных сегментов подключены к входам дифференциального усилителя, и RS-триггер, введены реверсивный счетчик, дешифратор, цифроаналоговый преобразователь, два делителя частоты, два датчика предельных положений оптического элемента, девять элементов И, три элемента ИЛИ-НЕ, два элемента НЕ,D триггер, элемент И-НЕ, шесть компараторов и яигаа синхронизации, подключенная к перда лм входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого элементов И, и первому входу шестого элемен±а И, соединенного вторым входом с первым входом дешифратора, выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, а третьим входом - с выходом первого компаратора, подключенного первым входом к одному входу дифференциального усилителя, связанйого другим входом с первым входом второго кбмпаратора, подклюгенноГо выходом к первому входу первого элемента ИГО1-НЕ, соединен ного выходом -со вторым входом пятого элемента И, вторым входом - с выходом третьего компаратора и вторым входом четвертого элемента И, . а третьим входом - со вторым в:содом третьего элемента И и выходом четвертого ко чпаратора, подключенного первым входом к первому входу третьего компаратора, выходу дифференциального усилителя и первым входам пятого и шестого компараторов соединенных выходами со вторыми входами соответственно второго и первого элементов И, подключенных выходами к первым входам соответственно второго и третьего элементов ИЛИ-НЕ, связанных вторыми входами через соответствующие делители часто ты с выходами соответственно четвертого и третьего элементов И, а третьими входами - с выходами соответст венно седьмого и восьмого- элементов И, подключенных первыми входами к вы ходу первого элемента НЕ, а вторыми входами - соответственно к инверсному и прямому выходам D -триггера, связанного 33 -входом с прямым выходом RS-триггера, а С-входом - с входом первого элемента НЕ и выходом элемента И-НЕ, подключенного первым входом к выходу второро элемента НЕ, а вторым -входом - к выходу пятого элемента Н и первому входу девятого элемента И,, соединенного выходом с суммирующим входом реверсивного счет чика, а вторым входом - с входом вто рого элемента НЕ и вторым выходом Дешифратора, подключенного входами к выходам реверсивного счетчика и входам цифроаналогового преобразователя связанного вьссодом с управляющим входом координатного фотоприемника, причем выходы датчиков пр)едельных по ложений оптического- элемента подклю,чены ко входам RS-триггера, а вторые входы компараторов - к соответствующим источникам порогового напряжения На чертеже дана структурная схема устройства. Устройство содержит координатный фотоприемник (КФП) 1, дифференциальньй усилитель 2, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шес той 8 компараторы, пербьш 9, второй. 10 и третий 11 элементы ИЛИ-НЕ, шестой 12, пятый 13, четве этый 14, третий 15, второй 16, первый 17, девятый 18,восьмой 19 и седьмой 20 эле мен-гы И, реверсирньп счетчик 21, циф- роаналоговьги преобратователь 22,, дешифратор 23, второй 24 и первый 25 элементы НЕ, элемент И-НЕ 26, делители 27 и 28 частоты, датчики 29 и 30 предельных положений оптического эле.мента D -триггер 31, RS-триггер 32, блок 33 управления шаговьгм двигателем и шину 34 синхронизации, .Пороговые уровни (-bUp, -U, ) , компараторов 5 и 6 устанавливают такими, чтобы обеспечить максимальную точность сравнения амплитуд импульсов с КФП 1. Пороги срабатывания компараторов 7 и 8 (+Unn , ) выбирают равными минимальной амплитуде сигнала с выхода дифферрн1ишльного усилителя 2, при которой еще не может изменяться его полярность из-за рыскания светового пятна по КФП 1 на максимальной частоте работы двигателей (т.е.| Un-,| ). Порог компаратор.а 4 устанавливают равным порогу компаратора 5, а порог компаратора 3 () - равным верхнему пределу линейного участка характеристики, фотодиодов КФП 1 при макси(альном напряжении смещения (т.е. -Uy,: ) . Между световымн импульсом и сопровождающим его синхроимпулъсом модулятора лазерного излучения, поступающим по шине синхронизации 34, устанавливаются типичные временные соотношения, т.е. синхроимпульс начинается и заканчивается в пределах длительности светового импульса, а частота их поступления выбирается равной частоте приемистости используемых шаговых двигателей. В исходном состоянии после включения питания в реверсивном счетчике 21 устанавливается код, соответствующий макс1 мальному напряжению на выходе цифроаналогового преобразователя 22, что обеспечивает максимальное смещение и чувствительность фотодиодов КФП 1. Предлагаемое устройство работает следующим образом. При попадании на КФП 1 световых импульсов сигналы с высходов его противоположных сегментов поступают на входы дифференциального усилителя 2. Если сегменты освещены симметрично, то на их выходах появляются равные по амплитуде электрические импульсы, В этом сл-учае на выходе дифференциального усилителя 2 сигналы отсутствуют и на выходах компараторов 5-8 сохраняется низкий уровень, который препятствует прохождению синхроимпульсов модулятора через элементы И 14-17 и коррекция положения оптического элемента, проектирующего световые импульсы на КФП , не про.изводится. В этот момент сигналы высокого уровня будут вырабатываться только KOMnajiaTopoM 4, что вызьшает появление на выходе элемента ИЛИ-НЕ 9 сигнала низкого уровня, блокирующего прохождение синхроимпульсов через элемент И 13. При смещении светового пятна в сторону одного из сегментов на выходе дифференциального усилителя 2 появляется сигнал, амплитуда и полярность которого определйтотся вели чиной и направлением смещения пятна относительно центра КФП 1. Если амплитуда данного сигнала превышает пороги компараторов 7 или 8, что набл одается при значительном смещении пятна, то на выходе компараторов 7 или 8, а значит и выходе компараторов 5 или 6 появляются импульсы (высокого уровня), которые разрешают прохождение синхроимпульсов через элементы И J4 или 15, 16 или 17. С выходов элементов И 16 и 17 синхроимпульсы проходят в блок 33 управления шаговым двигателем непосредственно через соответствующий элемент ИЛИ-НЕ 10 и 11, а с выходов элементов И 14 и 15 поступают еще и через делители чистоты 27 и 28. Это приводит к тому, что при значитель ном смещении пятна от центра КФП 1 (когда срабатывают компараторы 7 или 8) шаговый двигатель будет отрабатыва:ть шаги и корректировать по ложение оптического элемента, проек тирующего пучок на КФП 1, на частоте поступления синхроимпульсов. По мере возврата пятна в заданное положение (т.е, в центр КФП ij, амплитуда сигналов на выходе дифференциального усилителя 2 уменьшается, а З шиси1 ость её от рыскания пятна по поверхности КФП 1 увеличивается«,До некоторого момента этим можно пренебречь, так как амплитуда сигналов с выхода дифференциального усилителя 2 достаточно велика по сравнению с ее изменениями из-за рысканий пятйа по КФП i н процесс коррекции положения оптического элемента устойчийо продолжается в одном направлении. По достижении момента, при котором появляется вероятность изменения нб только амплитуды, но и полярности сигнала на выходе дифферен1Д1ального усилителя 2, что вызвало бы изменение направления коррекции на противоположное, компараторы 7 или 8 прекращают вырабатьшать импульсы так как заданные пороги становятся больше сигнала с выхода дифференциального усилителя 2) и блокируется прохождение синхроимпульсов через элементы И 16 и 17. Но при этом продолжают вырабатьгвать сигналы компараторы 5 или 6, что обеспечивает прохождение синхроимпульсов через элементы И 14 или 15, делители 27 или 2.8 частоты на управление работой шаговых двигателей. Скорость отработки шагов двигателем. в этом случае уменьшается в соответствии с коэффициентом деления частоты у делителей 27 и 28, который выбирается таким, чтобы перед очередным шагом коррекции положения оптического элемента вибрации от предыдущего шапа уменьшались и не вызьшали существенных рысканий пятна по КФП j. Таким образом, в результате уменьшения Скорости работы двигателей лишь на КОНЕЧНОМ этапе юстировки сокращается время проведения юстировочных операций при сохранении той точности, которая достигается на минимальной скорости перемещения оптических элементов. Если в. процессе юстировки интенсивность света увеличивается настолько, что вводит в насыщение фотодио- ды КФП 1, то на выходах противоположных сегментов КФП 1 вырабатываются равные по амплитуде сигналы даже при несимметричной освещенности его сегментов и коррекция положения оптического элемента прекратится. В этот момент срабатывает компаратор 3, на выходе которого появляются сигналы высокого Уровня, разрешаюшле прохождение синхроимпульсов через элемент И 12 на вход обартного счета (вы читакиций вход реверсивного счетчика 21 (в качестве такого счетчика мо жет быть использован, например, К155ИЕ7/. С каждым синхроимпульсом код на выходе счетчика 21 убывает что вызывает уменывениё напряжения на вьпеоде циф оаналогового преобразователя 22 (совместно с К155ИЕ7 . 7 можно использовать микросхемный,цифроаналоговый преобразователь ) Это приводит к уменьшению напряжения смещения и чувствительности фотОдиОдов КФП 1, Как только смещение уменьшается до величины, при которой фотодиоды КФП 1 выходят из насыщения амплитуды сигналов с секторов КФП 1 становятся меньше порога компаратора 3 и дальнейшее поступление синхроимпульсов в реверсивный счетчик 21 через элемент И 12 блокируется. Минимальное значение напряжения смещения может регулироваться с помощью дешифратора 23, сигнал от которого (ни V «. ... . . КОГ&, уровня) блокирует дальнейшее прохождение синхроимпульсов через элемент И 12, когда на выходах реверсивного счетчика 21 устанавливает ся соответствующий код. - Когда интенсивность -света уменьшается на такую величину, при которой амплитуды сигналов с КФП 1 становятся недостаточными для срабатывания компараторов 4-6 на выходе эле-25 Д мента ИПИ-НЕ 9 сохраняется высокий уровень ,разрешающий прохождение синхроимпульсов через элемент И 13. Если код в реверсивном счетчике перед этим не соответствовал максимальному значению напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 22 (а значит и максима11ьной .чyвctвитeльности фотодиодов КФП J), то сигнал высокого уровня со второго выхода дешифратора 23, пройдя через элемент НЕ 24, блокирует поступление синхроимпульсов через элемент И-НЕ 26. Одновременно данный сигнал поступает на второй вход элемента Н J8 и раз- решает прохождение через него синхро HMnyJtbCojB на суммирукиций вход (прямого счета) реверсивного счетчика 21 В этом случае с каждым синхроимпульсом код иа выходах счетчика 21 возрастает, что вызывает увеличение напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 22 и приводит к увеличению смещения и чувствительности фотодиодов КФП 1. Как только это обеспечивает появление на выходах КФП 1 сигналов с амплитудой, достаточной для срабатьшанйя компараторов 4-6 на выходе элемента ИЛИ-НЕ 9 появ ляются сигналы низкого уровня, которые запрещают дальнейшее поступле- ние синхроимпульсов через элемент И 13. Максимальное значение смеще- ния фотодиодов КФП 1 -регулируется С 228 помощью дешифратора 23, сигнал от которого (низкого уровня) блокирует прохождение синхроимпульсов через элемент И 18 в счетчик 21, когда в нет-; устанавливается соответструюгций код. Ситуация, при которой не срабатывают компараторы 4-6. наблюдается и в случае потери световой связи между КФП 1 и источником света. В зтом режиме устройство работает следую1ЦИМ образом. Поскольку световые импульсы не попадают на поверхность КФП 1, то на выходах компараторов 3-8 сохраняется -исходное состояние, т/е. низкий уровень, и элементы И 12, 14-1 закрыты для прохождения синхроимпульсов . Но в этом случае на выходе элемента ИЛП-НЕ 9 находится высокий уровень (так как низкий уровень присутствует на всех трех;- его входах который разрешает прохождение синхроимпульсов через элемент И 13 на вхоэлементов Н 18, И-НЕ 26. Если код на выходе счетчика 21 до поступления синхроимпульсов не соответствовал максимальному значению напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 22, то на втором Ьыкоде дешифратора 23 имеется высокий уровень что разрешает прохождение синхроимпульсов через элемент И 18 на вход прямого счета реверсивного счетчика 21, но блокирует их поступление через элемент И-НЕ 26 в часть схемы, которая выполняет ввод юстировочного пучка в зону захвата КФП 1 (т.е. восстанавливает световую связь между КФП 1 и источником света). - Благодаря указанным действиям, не выполняется режим ввода юстировочного пучка, если данный пучок попадает на поверхность КФП 1, но интенсивность света на установленном ;пределе чувствительности фотодиодов КФП 1 недостаточна для работы устройства. Когда чувствительность фотодиодов КФП 1 находится на максимальном пределе, но сигналов с КФП 1 не поступаетдна втором выходе дешифратора 23 появляется низкий уровень,.что блокирует дальнейшее поступление синхроимпульсов через элемент и 18 в счетчик 21, но разрешает их прохождение через элемент И-НЕ 26. С выхода элемента И-НЕ 26 синхроимпульсы поступают на С-вход1) -триг9

гера 31 и через элемент 25 из БХОДЬ; элементов Н 19 и 20, Если Х)- Триггер 31 находится в единичном состоянии (на ПРЯМОМвыходе ), то синкроимпульсы проходят через эленента И 19, Ш{И-НЕ Is п- блок 33 управления шаговым двигателем,; что вызывает, отработку шагов двигателак и перемещение оптического эпеыеита. усЛ.ОВНО влево . Если D, -Триггер 33 на-водится в НулевОЧ состоянии i КЗ выходе „ то c:йH ;poи iпyльcьL проу.одят в блок 33 упр,а1злакн:к гааго- .: вьгм дзигаталенчерез элег.;енты И 20;, ШИ-НЕ Юг .BbiSbissei сграбстКу шагов двигателем -условно вправе, Процесс перемещения оптического элгмента молсет осуществляться .в пределаКгКоторые задаются датчккамрт 29, н 30 предельных положений «Если при r:epe eш;e НИИ оптического, элемента .s сторону одного из пределоз юстнровсчньш: пу.чок не ггопадает наКФП I., тО; достиг nys этого предела, оптическ -1к эле.«ект вызывает срабатывание соответствующего датчика 29 ;ЗЛй 30 предельного положения оптического ,эле мента , Сигнал от датчшса 29 г-шн 30 переключает RS Tp7rirrep ,,, что вызызает изменение и.нформации на Р -входе1}4. -триггера 31 .котбрый устанавли-Бается в .соответствующее ,состояние п окончании ближайшего синхроимпульса. Это приводит к тому, что последуквдие синхроимпулъсы.г поступая в блок 33 управления шагозь м двигателем, обеспе-чиваит отработку шагов двигатапвм (а значит5 к перемещение оптического элемента 1 в обратном налоавлежск,

Поскольку при каж.дом .гтареключении RS-триггера 321}. -триггер 31 устанавливаетск в соответствутощее полол ение ПС окончании шхижайвзёго синхроимпульс а то кредогврашаетсл изменение на.правленая перемещения опткческого элемента до окончания 0тработки очередного шага ( существенно,, когда момент переключения RS-триггера 32 совпадает с моментом поступления синхроимг зшьса) ,

Каж только в процессе переке.щекЕ-зя оптического элемента юстировочиьж пучок попадает на КФП I, на выходе соответствующего койлара-тора 4, 5 или б появляется сигнал (высокого jpoB HR} который проходит через элемент. ИШ-НЕ 9 и блокирует прохояд,енне последун йх синхроимпульсов через элемент И 4.3, Это nptfflbflHT к TOMJ%

10

что npoiiecc ввода юстнрозочного пучка гфекращается и устройство вновь переходит в режим коррекции положения оптического элемента по сигналам от. КФП Ь

Пред,.пагаемая схема позволяет непосредственно юстировать оптический элемент по одной координате. Если устройство дополнить аналогичной схемой5 подключаемой к другой паре сегментоЕ КФП 1 ,; то обеспечг-шаетСя одновременно юстировка по двум координатам. Причем элементы И 12; 13, 8,- 9, И-НЕ 26/НЕ 24, ревр.рсквт;й счетчик 215 цифроаналоговьп1преобразователь 22 и дешифратор 23 могут быть общими для двух схем. .Б этом случае элементЖМ-НЕ 9 рас- злиряется на три входа для подключения к выходам компараторов,, которые Еьтолняют функции, ана погичные ком-, параторам 4-6 в первой схеме а Дла воСстанозлення cвetoвoй связи между КФП 1 и источником света в устройстве вместо Р-З триггера 32sD.j... -триггера 3, злеманта НЕ 25 и элементов И 19 и 20 необходимо использовать распределитель импульсов« Такой распределит-ель нмпульсов дояжен форми- р:овать из слнхроимпульСоБ; поступаю- щих с выхода элемента И-НЕ 26s чет.ыр,е после.а;овательности импульсов s две из дли управления вле&о и вправо шаговым двигателем, который выполняет перемещение по первой координате, .а две других для двигателя. выполняющего перемещение по второй координатер При этом распределитель вырабатьшает первоначально последовательность- импульсов, которая .зызьшает полное перемещение оптического элемента по одной координате (капримерд горизонтальной}-, а затем серию импульсов при которой оптичекгккй элемент перенещается по ,второй координате .(вертикальной на расстоя1-ше меньшее, чем миниг- альный размер КФП. i (чтобы в про.цессе ввода не пропустить КФП |). После этого выполняется полное перемещение оптического элемента по первой координате j но уже в противоположщто еторокув а затем вновь по второй координате и т,Г,,Такю-i образомэ обеспечивается сканировйние оптического элймента и 1 стировочного пучка по траектории строчной развертку до момента юпадання сйета на КФП i П Технико-экономическая эффектив ность предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей и области применения. Обеспечивается возможность выполнения автоматической юстировки в участ ках оптического тракта с меняющимся 22 уровнем иктенсирностч лазерного пучка, а также при потере световой связи между координатным фотоприемником и ИСТОЧ1ШКОМ света и сокращается время проведения юстировки при сохранении требуемой точности.