Способ контроля положения объекта относительно опорного луча и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК H03M1/24 G01C5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций широкого класса изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций.

Целью изобретения является повышение точности контроля положения объекта

относительно опорного луча при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и объектом.

На фиг. 1 представлена схема способа контроля положения объекта относительно опорного луча; на фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего способ контроля; на фиг. 3 - анализатор позицион- но-чувствительного целевого знака ПЧЦЗ, вид сверху; на фиг. 4 - то же, вид сбоку; на

фиг. 5 - функциональная схема селектора импульсов; на фиг. 6 - временные диаграммы работы селектора импульсов; на фиг. 7 - функциональная схема блока формирования сигналов и временные диаграммы его работы; на фиг. 8 - функциональная схема функционального преобразователя; на фиг. 9 - временные диаграммы работы функционального преобразователя; на фиг. 10 -функциональная схема преобразователя кода в интервал времени.

В основу способа контроля положен тот факт, что при наличии турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3 (фиг. 1) изменяется направление распространения когерентного лазерного пучка. Это приводит к смещению опорной оси относительно своего теоретического положения и, следовательно, к погрешности измерения положения объекта. Погрешность от турбулентности определяется оптической передаточной функцией тракта и зависит от параметров лазерного пучка, длины трассы, структурной постоянной показателя преломления, длины волны/излучения. Структурная постоянная показателя преломления определяется, в основном, изменением температуры воздуха вдоль трассы. Процесс изменения температуры является нестационарным, причем значение и знак градиента температур изменяется во времени, вызывая соответствующие изменения показателя преломления. Опыт показывает, что случайную погрешность измерения положения обьектэ относительно опорного луча, вызванную турбулентность воздушного тракта, можно.уменьшить путем простого усреднения результатов измерений за определенный интервал времени. Однако остается неисключенный остаток случайной погрешности, вызванный слабой корреляцией интервала усреднения и постоянной времени тракта, а также нестаци- онарностью тепловых процессов в воздушном тракте. На больших трассах (100 м и более) смещение опорного луча относительно теоретической оси может достигать нескольких миллиметров.

При использовании двухчастотного лазера, одновременно генерирующего колебания на длинах волн AI иЯ2 , опорный луч вследствие дисперсии света разделяется на два луча, проходящих практически по одному и тому же оптическому пути. При Ai fa энергетические центры этих лучей на базе L (фиг. 1) будут находиться на расстояниях Xi. (Я-|) Х2( Я2 ) от теоретической оси (либо на

расстояниях (Ai) Х2 (Я2) при другом

зн.чке градиента температур вдоль трассы). На базе 100 м и более взаимное смещение энергетических центров двух лучей может составлять десятые доли миллиметра. Поскольку лучи с длинами волн Я1 и Я2 идут практически по одному и тому же оптическому пути, то при смене знака градиента температур вдоль трассы их энергетические центры могут совпасть только в точке, лежащей на теоретической оси. Это условие лежит в основе данного способа контроля. Если в качестве позиционно-чувствительно- го целевого знака ПЧЦЗ использовать устройство, имеющее избирательную

чувствительность на длинах волн Ai и Я2 , то в качестве выходного сигнала F (не содержащего составляющей, обусловленной турбулентностью воздушного тракта) следует использовать один из сигналов FI (для частоты Я1 ) или F2 (для частоты Я2 ) в момент совпадения их значений.

Устройство для реализации способа контроля (фиг. 2) содержит излучатель 1, оптически соединенный через коллиматор 2 с

анализатором 3, который, в свою очередь, оптически связан с формирователем 4 начала отсчета и механически с двигателем 5, а также селектор 6 импульсов, генератор 7 и два регистра 8 и 9, считывающее кольцо 10,

имеющее емкостную связь с анализатором

3 и электрическую связь с блоком 11 формирования сигналов. Модулятор 12, расположенный между излучателем 1 и коллиматором 2, электрически связан с

опорным генератором 13. В качестве модулятора 12 может использоваться серийно выпускаемый акустооптический модулятор МЛ-5. Блок 11 формирования сигналов соединен с селекторами 6 и 14 импульсов. Формирователь 4 начала отсчета связан с функциональными преобразователями 15 и 16, причем селектор 6 импульсов двумя сигналами связан с функциональным преобразователем 15, а селектор 14 импульсов

двумя сигналами связан с функциональным преобразователем 16. Устройство содержит также преобразователи 17-20 кода в интервал времени, причем первый и второй выходы функционального преобразователя 15

соединены с входами компарирования преобразователей 17 и 18 кода в интервал времени соответственно, первый и второй выходы функционального преобразователя 16 соединены с входами компарирования преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени соответственно, а третий выход - с входами стробирования преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени. Первые выходы преобразователей 17 и 18 кода в

интервал времени соединены с соответствующими входами функционального преобразователя 15, а первые выходы преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени - с соответствующими входами функционального преобразователя 16. Устройство включает также компараторы 21 и 22 кодов, схему И 23. Третий выход функционального преобразователя 15 соединен с входами стробирования преобразователей

17и 18 кода в интервал времени. Третий выход функционального преобразователя 16 соединен с первым входом схемы И 23, а генератор 7 - со счетными входами преобразователей 17-20 кода в интервал времени, при этом выходы преобразователей 17 и

18кода в интервал времени подключены к первым входам компараторов 21 и 22 кодов соответственно, а выходы преобразователей 19 и 20 кода в интервал времени - к вторым входам компараторов 21 и 22 кодов и первым входам регистров 8 и 9 соответственно. Выходы компараторов 21 и 22 кодов соединены с вторым и третьим входами схемы И 23, выход которой подключен к входам стробирования регистров 8 и 9, выходы которых являются выходами и Np устройства соответственно.

В качестве излучателя 1 используется двухчастотный лазер, одновременно генерирующий колебания на длинах волн AI и Я2 , распространяющиеся в одном опорном луче.

Анализатор 3 (фиг. 3) представляет собой прозрачный диск радиуса R + Л R, на одной из сторон которого расположены прямолинейный фотоприемник 24 и спиралевидный фотоприемник 25, имеющие избирательную чувствительность на длине волны Х , а также прямолинейный фотоприемник 26 и спиралевидный фотоприемник 27, имеющие избирательную чувствительность на длине волны Я2 . Две стороны прямолинейных фотоприемников 24 и 26 расположены по радиусам R диска с углом разворота 2 р , две стороны спиралевидных фотоприемников 25 и 27 образованы левосторонними спиралями Архимеда с началом в центре анализатора 3, развернутыми по радиусу г на угол 180°, причем угол разворота спиралей между собой равен 2 (pi . а точки пересечения спиралей с базовой окружностью радиуса R симметричны относительно оси X, проходящей через центр диска анализатора 3 и осевую линию прямолинейных фотоприемников 24 и 26. Третьими сторонами всех фотоприемников являются дуги окружности радиуса R- AR. Анализатор 3 имеет также непрозрачную

зону 28 в виде кольца, ограниченного окружностями радиусов R- Л R и R+ AR. при этом непрозрачная зона 28 имеет два прозрачных окна 29 и 30 для формирователя 4 5 начала отсчета, причем прозрачное окно 29 представляет собой кольцевой сектор, примыкающий к прямолинейному фотоприемнику 24 и ограниченный окружностями радиусов R- AR и R, а также прямыми, про- 0 должающими радиальные стороны прямолинейного фотоприемника 24. Прозрачное окно 30 представляет собой кольцевой сектор, ограниченный окружностями радиусов R и R Д R, а также прямыми, продолжающи- 5 ми радиальные стороны прямолинейного фотоприемника 26. При этом на другой стороне диска анализатора 3 расположены четыре кольцевых электрода 31-34. причем прямолинейный фотоприемник 24 и спира0 левидный фотоприемник 25 имеют электрическую связь с кольцевыми электродами 31 и 32, а прямолинейный фотоприемник 26 и спиралевидный фотоприемник 27 имеют электрическую связь с кольцевыми электро5 дами 33 и 34. Считывающее кольцо 10, изготовленное из прозрачного материала имеет внутренний радиус R- AR и внешний радиус R+ AR , причем на одну из его сторон нанесены четыре кольцевых электрода 35-38,

0 идентичных по своим параметрам кольцевым электродам 31-34 анализатора 3 соответственно. Считывающее кольцо 10 является неподвижным и устанавливается в непосредственной близости от вращающе5 гося анализатора 3, при этом кольцевые электроды анализатора 3 и считывающего кольца 10 попарно образуют четыре проходных кольцевых конденсатора (Ci1 . C21 , Сз и С4 на фиг. 7). На другой стороне считываю0 щего кольца 10 имеются четыре контактные площадки (на фш. 4 не показаны), связанные с кольцевыми электродами для обеспечения надежного электрического соединения считывающего кольца 10 с блоком

5 11 формирования сигналов.

Формирователь 4 начала отсчета содержит два излучателя 39 и 40 и два фотоприемника 41 и 42, причем излучатель 39 и фотоприемник 41 оптически связаны через

0 прозрачное окно 29 анализатора 3. а излучатель 40 и фотоприемник 42 оптически связаны через прозрачное окно 30 анализатора 3, Фотоприемники 24-27 располагаются в зоне 43, ограниченной радиусом R- AR. На

5 фиг. 4 показан один из вариантов конструкции механической части ПЧ1 Л. при котором анализатор 3 помещен в металлическую обойму 44, закрепленную в подшипнике 45.

Селектор б импульсов (фиг. 5) содержит три формирователя 46-48, счетный триггер 49 и три схемы И 50-52. Один из выходов блока 11 формирования сигналов соединен с входами формирователей 46 и 47 и схем И 50, 51 и 52, выход формирователя 46 соединен с входом стробирования счетного триггера 49, выход формирователя 47 соединен с входом формирователя 48, выход которого соединен с вторым входом схемы И 50. Выход схемы И 50 соединен с входом сброса счетного триггера 49, прямой выход которого соединен с вторым входом схемы И 51, а инверсный выход - с вторым входом схемы И 52, при этом выходами селектора 6 импульсов являются выходы схем И 51 и 52. Селектор 14 импульсов имеет идентичную структуру.

Блок 11 формирования сигналов (фиг, 7) содержит два одинаковых канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя 53(54), демодулятора 55(56) и фильтра 57(58) нижних частот, при этом входами блока 11 формирования сигналов являются входы усилителей 53 и 54, а выходами - выходы фильтров 57 и 58 нижних частот.

Функциональный преобразователь 15 (фиг. 8) содержит три формирователя 59-61, два триггера 62 и 63, источник 64 эталонного напряжения, восемь ключей 65-72, два интегратора 73 и 74, две схемы 75 и 76 выборки-хранения, два компаратора 77 и 78. При этом к первому входу функционального преобразователя 15 подключены вход формирователя 59 и управляющие входы ключей 66 и 70, к второму входу функционального преобразователя 15 подключены вход формирователя 60 и управляющий вход ключа 67, к третьему входу функционального преобразователя 15 подключены вход формирователя 61 и управляющий вход ключа 69. Выход формирователя 59 соединен с входами установки триггеров 62 и 63, выход формирователя 60 соединен с входом сброса триггера 62, с входами стробирования схем 75 и 76 выборки-хранения и с выходом Тц1 функционального преобразователя 15. Выход формирователя 61 соединен с входом сброса триггера 63, выход которого соединен с управляющим входом ключа 68. Выход триггера 62 соединен с управляющим входом ключа 65. Выход +Е0 источника 64 эталонного напряжения соединен с входами ключей 65-70, а выход -Е0 соединен с входами ключей 71 и 72, при этом выходы ключей 65, 66, 67 и 71 соединены с входами интегратора 73, выход которого соединен с входом схемы 75 выборки-хранения. Выходы ключей 68, 69, 70 и 72 соединены с вхо0

дами интегратора 74, выход которого соединен с входом схемы 76 выборки-хранения. Выходы схем 75 и 76 выборки-хранения подключены к входам компараторов 77 и 78

соответственно. Выход компаратора 77 соединен с вторым выходом Тк1 функционального преобразователя 15, а выход компаратора 78 - с третьим выходом Тк2 функционального преобразователя 15. Вы0 ходы схем 75 и 76 выборки-хранения соединены с пятыми входами интеграторов 73 и 74 соответственно. Управляющий вход ключа 71 соединен с четвертым входом Jtp функционального преобразователя 15, а уп5 равляющий вход ключа 72 - с пятым входом T/9i функционального преобразователя 15. Вторые входы компараторов 77 и 78 соединены с общей точкой устройства. Функциональный преобразователь 16 имеет идентичную структуру.

Преобразователь 17 кода в интервал времени (фиг. 10) содержит регистр 79 последовательного приближения, декремент- ный счетчик 80, триггер 81, схему И 82,

5 счетчики 83 и 84, а также буферный регистр 85. Первый вход ТЦ1 преобразователя 17 кода в интервал времени соединен с входом записи декрементного счетчика 80, входом установки триггера 81, счетным входом

0 счетчика 83. Второй вход ТК1 преобразователя 17 кода в интервал времени соединен с входом компарирования регистра 79 последовательного приближения (в качестве которого может быть использована, напри5 мер, микросхема 155ИР17), третий вход f соединен со счетчным входом декрементного счетчика 80, выход TR которого соединен

с первым входом схемы И 82. Выход

0 регистра 79 последовательного приближения соединен с входами декрементного счетчика 80 и буферного регистра 85. Выход Тед переноса счетчика 83 соединен с входом сдвига регистра 79 последовательного при5 ближения и со счетным входом счетчика 84, выход Тп переполнения которого связан с входом стробирования буферного регистра 85. Выход триггера 81 соединен с выходом Туя преобразователя 17 кода в интервал

0 времени и вторым входом схемы И 82, выход которой соединен со входом сброса триггера 81. Выход Npi буферного регистра 85 соединен со вторым выходом преобразователя 17 кода в интервал времени. Преобра5 зователи 18, 19 и 20 кода в интервал времени имеют аналогичную структуру.

Устройство работает следующим образом.

Излучатель 1, в качестве которого используется двухчастотный лазер, с закрепленным на нем модулятором 12 и коллиматором 2 устанавливается на неподвижной базовой оснастке и используется для задания опорного направления (фиг. 2). Генератор 13 задает частоту f0 модуляции лазерного луча. Анализатор 3 ПЧЦЗ устанавливается в контролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя 5. Один раз за полный оборот анализатора 3 на выходах прямолинейных фотоприемников 24 и 26, а также на выходах спиралевидных фотоприемников 25 и 27 (фиг. 4) вырабатываются пачки импульсов, поступающих через соответствующие проходные емкости Ci , С2 , Сз и С4 на входы усилителей 53 и 54 (фиг. 7). При расстоянии между диском анализатора 3 и считывающим кольцом 10 d 0,5 мм и радиусе R 160 мм емкость проходных конденсаторов составляет 3-5 пФ. При модуляции луча излучателя 1 с частотой 500 кГц сопротивление проходных конденсаторов составляет 100 кОм, поэтому в качестве усилителей 53 и 54 следует использовать операционные усилители с большим входным сопротивлением и скоростью нарастания (например, 574УД1А). Сигналы с выходов усилителей 53 и 54 поступают сначала на демодуляторы 55 и 56, а затем на фильтры 57 и 58 нижних частот, образуя таким образом сигналы ТЛАТ и Тлд2 на выходе блока 11 формирования сигналов. Временные диаграммы формирования этих импульсов представлены на фиг. 7.

В сигнале Тлд1 содержится информация от прямолинейного фотоприемника 24 и спиралевидного фотоприемника 25, имеющих избирательную чувствительность на длине волны AI . В сигнале Тлд2 содержится информация от прямолинейного фотоприемника 26 и спиралевидного фотоприемника 27, имеющих избирательную чувствительность на длине волны А2 . В селекторах б и 14 импульсов происходит разделение импульсов ТЛАТ и Тлд2 на Теш, THPI и Тсп2, Тлр2, соответственно. Работа селекторов 6 и 14 импульсов основана на разделении импульсов по длительности. Длительность импульсов Теги в последовательности ТлА1 определяется углом разворота спиралей, образующих спиралевидные фотоприемники . а длительность импульсов ТпР1 пропорциональна углу раствора сектора, образующего прямолинейные фотоприемники , По переднему фронту импульсов ТЛАТ формирователь 47 вырабатывает импульс селекции Т2, длительность которого tn.P1 Г2 ГСП1 . . По заднему фронту импульса Т2 вырабатывается строб-импульс ТЗ. который приходит на вход сброса счетного триггера 49 только в момент прохожде- ния импульса Теш (см. временные 5 диаграммы на фиг. 6 и функциональную схему на фиг. 5). Счетный триггер 49 перебрасывается по переднему фронту импульсов Т1 с выхода формирователя 46. Таким образом, счетный триггер 49 установлен во вре- 0 мя прохождения импульсов Теги и сброшен во время прохождения импульсов Tripi. Следовательно, на выходе схемы И 51 выделяются импульсы Теш, а на выходе схемы И 52 - импульсы Tripi. Аналогичным образом ра5 ботает селектор 14 импульсов.

Функциональные преобразователи 15 и 1 б совместно с соответствующими преобразователями 17-20 кода в интервал времени осуществляют преобразование соответст0 вующих входных импульсов (Теги, Tn.Pi и Тнсл для функционального преобразователя 15 и Тепа, Тпр2 и Тно2 для функционального преобразователя 16) во временные интервалы, пропорциональные полярным

5 координатам р} ,(р , , энергетического центра лазерного луча на длине волны AI и р2 , (fa , энергетического центра лазерного луча на длине волны относительно центра анализатора 3. Функциональный

0 преобразователь содержит два канала - канал преобразования полярной координаты (f (триггер 62, ключи 65, 66, 67 и 71, интегратор 73, схема 75 выборки-хранения, компаратор 77) и канал преобразования по5 лярной координата р(триггер 63, ключи 68, 69, 70 и 72, интегратор 74, схема 76 выборки-хранения, компаратор 78). Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг. 9.

0 Известно,что

л 2лФ:

45

а § conct (1)

где тр- интервал времени между середина- ми импульсов ТПРТ и Тсгл;

- интервал времени между серединами импульсов TMPI и THOI;

Гц - интервал времени между соседними импульсами THOL соответствующий пе- риоду вращения анализатора 3.

Из временных диаграмм (фиг. 9) видно, что для последовательностей импульсов THOI и ТЛА имеют место соотношения:

°-5 ° 5 Тсп1;

$1 фт + О-5 ГПР1 + 0.5 Гно1 .

(2)

Интервалы времени и Tpi формируются при помощи триггеров 62 и 63, а также формирователей 59, 60 и 61 (фиг. 8). При изменении эффективного радиуса г опорного луча в плоскости анализатора 3 (под эффективным радиусом г опорного луча понимается максимальное расстояние от центра пятна излучателя до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания фотоприемников 24-27) значения -ф не изменяются (фиг. 9). Поэтому в данном устройстве отсутствует погрешность от неизвестного эффективного радиуса г. Канал преобразования полярной координаты (р работает совместно с преобразователем 17 кода в интервал времени. Этот канал объединяет в себе итерационный преобразователь отношения двух интервалов времени в напряжение и итерационный преобразователь напряжения в код с поразрядным уравновешиванием. Рассмотрим сначала работу преобразователя о (ношения двух интервалов времени в напряжение. Для этого предположим, что ключ 71 всегда разомкнут. Этот преобразователь работает циклично. В каждом цикле осуществляется:

интегрирование интегратором 73 выходного напряжения +Е0 источника 64 эталонного напряжения в течение интервалов

времени , TflPt и теш , и через ключи 65, 66 и 67 соответственно;

выборка выходного напряжения интегратора 73 схемой 75 выборки-хранения в момент времени Тц;

интегрирование интегратором 73 напряжения на выходе схемы 75 выборки-хранения в течение времени цикла Тц.

Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе схемы 75 выборки-хранения равно UH. Тогда, учитывая, что сопротивление интегратора 73 по входам интегрирования импульсов Тпр1 и THOI вдвое больше сопротивления по входу

J 1 интегрирования импульсов Т ri (2R2 и R2

соответственно, фиг. 8), это напряжение после первого цикла работы канала станет равным:

Ui U4 + -i

4)X

R2 С + 0.5 ГПР1 + 0,5 Гно1 J

ц тц - - UH -

Ri -С

10

R2 С

4i + UH Q , (3 }

5

0

где С - емкость интегратора 73:

R1 - сопротивление интегратора 73 по входу обратной связи;

КВх - коэффициент передачи схемы 75 выборки-хранения;

Q - коэффициент сходимо- Квх тц R1 С

Учитывая, что выражение (3) представляет собой рекуррентное соотношение, то после п-го цикла интегрирования оно примет вид

сти Q 1 5

Un

Ео

К,

R2 -С

Vi

io 1 1

+ ин Q. (4)

Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при условии I QI 1 , и убывающего при этом же условии члена УнО Используя формулу для суммы членов гео35

метрической прогрессии

Soп л

-(1 - Q)/(1 - Q). в установившемся режиме (п - оо ) получим

40

Ita Urn Un Ео ФГ п - 00К 4Ц

(5)

Необходимое число циклов п для дости- 45 жения заданной погрешности преобразования } п определяется из выражения

П lnt

In

Уп Uoo

Uoo-UH

In I Q I

+ 1

(6)

где Int - целая часть числа;

Uoo- установившееся значение напря- „ жения на выходе схемы 75 выборки-хране

ния.

При Q - 0 преобразователь сходится за один цикл. На практике легко получить значение Q 0,1. При этом для достижения

значения уп необходимо всего 3-4 цикла работы преобразователя.

В преобразователе 17 кода в интервал времени счетчик 83 считает по модулю 4. а счетчик 84 - по модулю 12 (если используется 12-разрядный регистр последовательного приближения). С помощью блока 17, а также ключа 71 и компаратора 77 осуществляется поразрядное уравновешивание напряжения на выходе схемы 75 выборки-хранения при помощи напряжения компенсации -Е0 источника 64 эталонного напряжения. Сначала 1 записывается в старший разряд регистра 79. Этот код поступает на вход декремент- ного счетчика 80 и с помощью триггера 81 и схемы И 82 формируется интервал времени компенсации . который поступает на управляющий вход ключа 71 в блоке 15. Этот код остается неизменным в течение четырех циклов работы преобразователя, что обеспечивается счетчиком 83. Если произошла перекомпенсация (изменился сигнал на выходе компаратора 77), то 1 записывается в следующий разряд регистра 79, а в старшем разряде его она стирается. Если перекомпенсации не было, то 1 в старшем разряде остается. Затем через четыре цикла работы снова определяется знак напряжения на выходе компаратора 77. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут использованы все разряды регистра 79 последовательного приближения. При этом напряжение на выходе схемы 75 выборки-хранения станет равным нулю (или точнее, оно попадает в область нечувствительности компаратора 77). а код N на

выходе регистра 79 последовательного приближения будет пропорционален полярной координате р опорного луча в плоскости анализатора 3, Этот код переписывается в буферный регистр 85 по приходу строб-импульса Тп конца преобразования с выхода счетчика 84. После этого процесс преобразования повторяется снова.

Таким образом, канал преобразования полярной координаты уравновешивается за 48 циклов. При этом можно записать

Е°Т2 гц1

т -NH Т 1--Ј-отсюда

-С -fk где fK частота квантования.

Таким образом, если fK R1 С 2 я, то значение Ny на выходе преобразователя 17 кода в интервал времени пропорционально координате опорного луча в плоскости анализатора 3.

Аналогичным образом работает канал преобразования полярной координаты /51 . После завершения 48 циклов преобразования код на выходе преобразователя 18 кода в интервал времени определится выражением

N/91

R2 R3

R1 С fk

Ј: (V

0

5

где Вз - сопротивление интегратора 74 по входу интегрирования импульсов Т;

RI - сопротивление интегратора 74 по входу обратной связи;

R2 - сопротивление интегратора 74 по входу компенсации;

С - емкость конденсатора интегратора 74.

Такимобразом,если

R2

.,, ,-, .,. кода

R3

R1 -Ст1с 2яа, то значение

30

35

40

45

50

55

Npi на выходе преобразователя 18 кода в интервал времени пропорционально полярной координате pi опорного луча в плоскости анализатора 3 Значения времязадающих элементов интеграторов 73 и 74 выбраны равными для обеспечения одинакового времени сходимости обоих каналов.

Используемый в каналах преобразования полярных координат и итерационный функциональный преобразователь обеспечивает высокую точность преобразования при сравнительно низких требованиях к блокам, входящим в его состав. Так, на погрешность измерения не влияет нестабильность напряжения Е0 источника эталонного напряжения, коэффициента КВх схемы выборки-хранения. Высокие требования предъявляются только к стабильности резисторов R1, R2 и R3, конденсатора интегратора С и частоте квантования f генератора 7, но их выполнение не является технической проблемой. С помощью итерационного преобразователя в значительной степени компенсируется случайная погрешность от турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3 (более чем на порядок). Механизм этой компенсации близок к методу скользящего окна, широко используемого в математической статистике.

Аналогично работает функциональный преобразователь 16 совместно с преобразователями 19 и 20 кода в интервал времени. Следовательно, на входах компаратора 21 кодов сравниваются коды Ny) и Ny . соответствующие полярным координатам опорного луча (на длинах волн AI и Аг соответственно) относительно центра анализатора 3. На входах компаратора 22 кодов сравниваются коды Np и Np2 . соответствующие полярным координатам /91 ирг опорного луча (на длинах волн AI и Дг соответственно) относительно центра анализатора 3. Если эти коды попарно совпадают, то схемой И 23 вырабатывается сигнал Тс, по которому коды и Np Npi - Np2 переписываются в буферные регистры 8 и 9. Следовательно, коды координат на выход устройства будут переписываться только, в момент совпадения энергетических центров составляющих опорного луча на длинах волн AI иЯ2 .А это происходит только в момент совпадения опорного луча с теоретической осью. Поэтому в устройстве ском- пенсирована погрешность от турбулентности воздушного тракта между излучателем 1 и анализатором 3.

Таким образом, достигается более высокая точность контроля положения обьек- та относительно опорного луча. Другим преимуществом данного устройства является больший диапазон измеряемых перемещений при одинаковом радиусе R анализатора 3.

Формула изобретения

1. Способ контроля положения объекта относительно опорного луча, при котором опорный луч задается лазером, установленным на неподвижной базовой оснастке, и используется в качестве эталона прямолинейности, а анализатор позиционно-чувст- вительного целевого знака закрепляют в контролируемой точке объекта, причем изменение величины выходных сигналов по- зиционно-чувствительного целевого знака используют для контроля положения объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и позиционно-чувствительным целевым знаком, в опорном луче генерируют колебания с двумя различными длинами волн, получают и сравнивают соответствующие им электрические сигналы, а информацию о положении объекта относительно

опорного луча определяют по соотношению величин электрических сигналов.

2. Устройство контроля положения объекта относительно опорного луча, содержащее излучатель, оптически соединенный через коллиматор с анализатором, который оптически связан с формирователем начала отсчета и механически с двигателем, а также первый селектор импульсов, генератор и

0 два регистра, отличающееся тем, что оно содержит считывающее кольцо, имеющее емкостную связь с анализатором и электрическую связь с блоком формирования сигналов, модулятор, расположенный

5 между излучателем и коллиматором и электрически связанный с опорным генератором, при этом блок формирования сигналов соединен с первым и вторым селекторами импульсов, формирователь начала отсчета

0 связан с первым и вторым функциональными преобразователями, причем первый селектор импульсов двумя сигналами связан с первым функциональным преобразователем, а второй селектор импульсов двумя сиг5 налами связан с вторым функциональным преобразователем, а также четыре преобразователя кода в интервал времени, причем один из выходов первого функционального преобразователя соединен с входом компа0 рирования первого преобразователя кода в интервал времени, второй выход первого функционального преобразователя соединен с входом компарирования второго преобразователя кода в интервал времени, а

5 третий выход - с входами стробирования первого и второго преобразователей кода в интервал времени, первый выход второго функционального преобразователя соединен с входом компарирования третьего пре0 образователя кода в интервал времени, второй выход - с входом компарирования четвертого преобразователя кода в интервал времени, а третий выход - со входами стробирования третьего и четвертого пре5 образователей кода в интервал времени, при этом выходы первого и второго преобразователей кода в интервал времени соединены с соответствующими входами первого функционального преобразовате0 ля, а выходы третьего и четвертого преобразователей кода в интервал времени соединены с соответствующими входами второго функционального преобразователя, а также два компаратора кодов, схема И,

5 причем третий выход второго функционального преобразователя соединен с первым входом схемы И, а генератор соединен со счетными входами четырех преобразователей кода в интервал времени, при этом выходы первого и второго преобразователей

кода в интервал времени подключены к первым входам первого и второго компараторов кодов соответственно, а выходы третьего и четвертого преобразователей кода в интервал времени подключе- ны к вторым входам первого и второго компараторов кодов и первым входам первого и второго регистров соответственно, причем выходы первого и второго компараторов кодов соединены с вторым и третьим входами схемы И, выход которой подключен к входам стробирования первого и второго регистров, выходы которых являются выходами устройства соответственно.

3. Устройство по п.2, от л и ч а ю щ е е - с я тем. что в качестве излучателя используется двухчастотный лазер, одновременно генерирующий колебания на длинах волн AI иА2 . , распространяющиеся в одном опорном луче.

4. Устройство по п.2, отличающее с я тем. что анализатор представляет собой прозрачный диск радиуса R + Д R, на одной из сторон которого нанесены два прямолинейных и два спиралевидных фотоприемни- ка, расположенных центрально симметрично относительно центра анализатора, причем две стороны прямолинейных фотоприемников расположены по радиусам диска R с углом разворота 2 . две стороны спиралевидных фотоприемников образованы левосторонними спиралями Архимеда с началом в центре диска и развернутыми по радиусу R на угол 180°, причем угол разворота спиралей между собой равен 2 {ъ . а точки пересечения спиралей с базовой окружностью радиуса R симметричны относительно оси X, проходящей через центр диска анализатора и осевую линию прямолинейных фотоприемников, третьими сторонами всех фотоприемников являются дуги окружности радиуса R- AR, при этом первые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют избирательную чувствительность к длине волны AI , а вторые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют избирательную чувствительность к длине волны Кг , анализатор имеет также непрозрачную зону в виде кольца, ограниченного окружностями радиусов R- AR и R+ AR, при этом непрозрачная зона имеет два прозрачных окна для формирователя начала отсчета, причем первое прозрачное окно представляет собой кольцевой сектор, примыкающий к первому прямолинейному фотоприемнику и ограниченный окружностями радиусов R- AR и R, а также прямыми, продолжающими радиальные стороны первого прямолинейного фотоприемника, второе прозрачное окно-

5 10

15

20

5 0 5 0 -

5

0

5

представляет собой кольцевой сектор, ограниченный окружностями радиусов R и R+ + А R, а также прямыми, продолжающими радиальные стороны второго прямолинейного фотоприемника, при этом на другой стороне диска анализатора расположены четыре кольцевых электрода для сьема информации с фотоприемников, причем первые прямолийненый и спиралевидный фотоприемники имеют электрическую связь с вторыми двумя кольцевыми электродами, а вторые прямолинейный и спиралевидный фотоприемники имеют электрическую связь с вторыми двумя кольцевыми электродами, при этом считывающее кольцо, изготовленное из прозрачного материала, имеет внутренний радиус R- A R и внешний радиус R+ A R, причем на одну из его сторон нанесены четыре кольцевых электрода, идентичных по своим параметрам кольцевым электродам диска анализатора, считывающее кольцо является неподвижным и устанавливается в непосредственной близости от вращающегося диска анализатора, при этом соответствующие кольцевые электроды диска и считывающего кольца попарно образуют четыре проходных кольцевых конденсатора, обеспечивая, таким образом, съем информации с фотоприемников вращающегося анализатора, на другой стороне считывающего кольца имеются четыре контактные площадки, связанные с кольцевыми электродами для обеспечения надежного электрического соединения считывающего кольца с блоком формирования сигналов.

5.Устройство по п.2, отличающее- с я тем. что формирователь начала отсчета содержит два излучателя и два фотоприемника, причем первые излучатель и фотоприемник оптически связаны через первое прозрачное окно анализатора, а вторые излучатель и фотоприемник оптически связаны через второе прозрачное окно анализатора.

6.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что каждый из двух селекторов импульсов содержит три формирователя, три схемы И и счетный триггер, причем один из выходов блока формирования сигналов соединен с входами первых двух формирователей и трех схем И. выход первого формирователя соединен с входом стробирования счетного триггера, выход второго формирователя соединен с входом третьего формирователя, выход которого соединен с вторым входом первой схемы И,

выход первой схемы И соединен с входом сброса счетного триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом второй схемы И, а инверсный выход соединен с вторым входом третьей схемы И, при этом выходами селектора импульсов являются выходы второй и третьей схемы И.

7.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что блок формирования сигналов содержит два одинаковых канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя, демодулятора и фильтра нижних частот, при этом входами блока формирования сигналов являются входы усилителей, а выходами - выходы фильтров нижних часто.

8.Устройство по г лотличающее- с я тем, что каждый из двух функциональных преобразователей содержит три формирователя, два триггера, источник эталонного напряжения, восемь ключей, два интегратора, две схемы выборки-хранения, два компаратора, при этом к первому входу функционального преобразователя подключены вход первого формирователя и управляющие входы второго и шестого ключей, к второму входу функционального преобразователя подключены вход второго формирователя и управляющий вход третьего ключа, к третьему входу функционального преобразователя подключены вход третьего формирователя и управляющий вход пятого ключа, выход первого формирователя соединен с входами установки первого и второго триггеров, выход второго формирователя соединен с входом сброса первого триггера, входами стробирования первой и второй схем выборки-хранения и выходом функционального преобразователя, выход третьего формирователя соединен с входом сброса второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа, выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа, выход +Е0 источника эталонного напряжения соединен с входами первых шести ключей, а выход -Е0 соединен с входами седьмого и восьмого ключей, при этом выходы первого, второго, третьего и седьмого ключей соединены с входами первого интегратора, выход которого соединен с входом первой схемы выборки-хранения.

выходы четвертого, пятого, шестого и восьмого ключей соединены с входами второго интегратора, выход которого соединен с входом второй схемы выборки-хранения, выходы первой и второй схем выборки-хранения подключены к первым входам первого и второго компараторов соответственно, причем выход первого компаратора соединен с вторым выходом функционального преобразователя, а выход второго компаратора соединен с третьим выходом функцио- нального преобразователя, при этом управляющие входы седьмого и восьмого ключей соединены с четвертым и пятым входами функционального преобразователя соответственно, а вторые входы первого и второго компараторов соединены с общей точкой устройства, при этом выходы первой и второй схем выборки-хранения соединены с пятыми входами первого и второго интеграторов соответственно.

9. Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что каждый из четырех преобразователей кода в интервал времени содержит регистр последовательного приближения, выход которого связан с входом декремент- ного счетчика, один из входов преобразователя кода в интервал времени связан с входом записи декрементного счетчика и с входом установки триггера, выход которого соединен с первым входом схемы И и первым выходом преобразователя кода в интервал времени, к второму входу схемы И подключен выход обнуления декрементного счетчика, при этом выход схемы И соединен с входом сброса триггера, первый вход преобразователя кода в интервал времени соединен со счетным входом первого счетчика, выход которого соединен с тактовым входом регистра последовательного приближения и со счетным входом второго счетчика, выход переноса которого подключен к стро- бирующему входу буферного регистра, при этом выход регистра последовательного приближения связан также с входом буферного регистра, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя кода в интервал времени, вход компарирования регистра последовательного приближения связан с вторым входом, а счетный вход декрементного счетчика связан с третьим входом преобразователя кода в интервал времени.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Цель изобретения - повышение точности контроля положения объекта относительно опорного луча при наличии турбулентности воздушного тракта между лазером и объектом. Способ заключается в том, что опорный луч, используемый в качестве эталона прямолинейности, задается лазером. Генерируют колебания с длинами λ₁ и λ₂ волн, распространяющиеся в одном опорном луче. Информацию о положении объекта относительно опорного луча определяют по соотношению величин электрических сигналов, соответствующих генерируемым колебаниям. Устройство содержит излучатель, анализатор, блок формирования сигналов, два селектора импульсов, два функциональных преобразователя, четыре преобразователя кода в интервал времени, два компаратора кодов, схему И и два регистра. Анализатор закрепляется в контролируемой точке объекта. В устройстве производится сравнение сигналов F₁ и F₂ для длин λ₁ и λ₂ волн опорного луча. В качестве выходного сигнала устройства, содержащего информацию о положении объекта относительно опорного луча, используется сигнал в момент совпадения величин сигналов F₁ и F₂. При этом достигается компенсация погрешности от турбулентности воздушного тракта между излучателем и анализатором. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

я

со со го

т

гСО

-к

% Ј

89EfrA9l

8 В

Оо

QO s Qo

-va

5o

89EH91

am 15- 0/77/5- от