Устройство управления курсором для использования с системой отображения Советский патент 1992 года по МПК H03M1/22 H03M1/24 G05G9/00 

Изобретение относится к управляющим устройствам, а именно к устройствам управления курсорами для дисплейных систем..

В графических дисплейных станциях, работающих автономно, либо в составе вычислительного комплекса для вывода или отработки изображения на экране дисплея имеет место постоянная потребность в прямом управлении Относительными перемещениями курсора по экрану дисплея с помощью компактного устройства, позволяющего с достаточной точностью отклеживать перемещения курсора в зависимости от перемещения элемента управления этого устройства.

Кроме того, для прорисовки мелких деталей в заданной зоне экрана это устройство должно обеспечивать мал|з1е относительные изменения позиции курсора на всем поле экрана, что возможно только при достаточно большой рабочей зоне перемещения элемента управления и достаточно высокой разрешающей способности устройства.

Так, например, при разводке печатных пла., имеющих высокую плотность монтажа, где толщины печатных проводников составляют 0,15-0,25 мм, разрешающая способность устройства должна быть не менее 4-6 линий на мм.

Разрешающая способность подобных устройств имеет большое практическое значение, поскольку эти устройства используются в самых различных областях применения. К таким, областям относятся вычислительные комплексы математического моделирования и численного эксперимента, системы обработки изображений, системы автоматизации научных исследований, автоматизированные системы управления технологическими процессами, видеографика и спецэффекты в студийных комплексах вещательного телевидения и пр,

Известнокомпактное устройство перемещения курсора с элементом управления, выполненным в виде рычага, связанного с помо(Мью двух взаимно перпендикулярных осей качания с двумя перфорированными полукольцами, изменение положения которых регистрируется соответствующими датчиками.

Не смотря на очень высокую точность отслеживания, это устройство трудно использовать для прямого управления позицией курсора, поскольку небольшие движения руки оператора из-за ограниченности рабочей зоны перемещения элемента управления отражаются в положении экIMiHHoro курсора усиленными в 5-10 раз.

Поэтому такое устройство целесообразнее использовать для управления скоростью движения курсора, а не его позицией.

Наиболее близким к изобретению является устройство управления курсором для использования с системой отображения, содержащее шар, свободно вращающийся вокруг своего неподвижного центра, фрикционно связанный с двумя передающими

0 элементами сопряжения, выполненными в виде взаимно перпендикулярных валов, на каждый из которых насажено по одному кодовому диску с окнами по ободу, при вращении которых у каждого происходит

5 прерывание двух лучей света, распространяющихся от источников к светоприемникам, в результате чего формируются импульсные сигналы, представляющие приращения перемещений, а порядок, в кото0 ром происходит прерывание, задает направление движения экранного курсора. Данное устройство достаточно компактно; имеет неограниченную рабочую зону перемещения элемента управления, что по5 зволяет обрабатывать изображение в любой заданной точке экрана.

Кроме того, обладая высокой технологичностью, устройство может изготавливаться большими сериями.

0 Однако известное устройство не позволяет прорисовывать достаточно мелкие детали на экране дисплея, так как его разрешающая способность невелика из-за недостаточного количества импульсных сигналов, вырабатываемых за один оборот кодового диска, т. е из-за малого количества окон в кодирующей дорожке.

Достаточное увеличение количества окон кодовых дисов в данной конструкции

0 невозможно, так как при увеличении количества окон их ширина соответственноуменьшается. Но уменьшение ширины окон кодовых дисков ограничено размерами входных окон светоприемников, так как при

5 размерах кодирующих окон меньших, чем окна светоприемников, происходит засветка светоприемников через два или несколько соседних окон кодовогоДиска. В этом случае невозможно сформировать ни импульсные сигналы, ни порядок их прохождения, что делает данное устройство неработоспособным.

Кроме того, при достаточно большом количестве окон, когда их размеры становятся

5 соизмеримы с размерами величин технологических погрешностей изготовления, в частности с величиной радиального биения кодового диска, при его вращении кодирующее окно смещается на величину этого бие-. ния в пределах одного оборота кодового диска, что нарушает порядок прерывания световых лучей и также делает данное устройство неработоспособным. Например, при ширине кодового окна диска, равной 0,2 мм, величина радиального биения для обеспечения надежной организации порядка прерывания световых лучей в данной конструкции должна быть меньше ширины окна примерно на порядок, т.е. 0,02 мм. Поэтому при выполнении таких жестких допусков появляется необходимость в юстировке при сборке устройства или применении специального оборудования (специальной технологии) при изготовлении и сборке этого устройства. Все это удорожает производство, поскольку введение сложных и трудоемких операций при изготовлении устройства и применение специального оборудования существенно сказываются на трудозатратах и стоимости изделий. Цель изобретения - повышение разрешающей способности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления курсором для использования с системой отображения, содержащее шар, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг своего неподвижного центра, и два сопряженных с шаром передающих элемента, каждый из которых связан со своим кодовым диском, установленным между двумя источниками и двумя светоприемниками, дополнительно, введены два непрозрачных экрана, каждый из которых установлен перед парой светоприемников и имеет два ряда равномерно расположенных оптических окон, причем начала этих рядов сдвинуты относительно друг друга на величину-, I ± k t. где b - ширина оптического окна; t - окон; k - любое натуральное число, а центральный угол а между осями соседних свётоприемников« 2arcsln(°J,), п к где I - расстояние между осью вращения кодового диска и оптическими осями светоприемников; п - количество кодирующих окон кодового диска; R- величина радиального биения кодового диска. Установка щелевых коллиматоров с равномерными оптическими дорожками, шаг которых равен шагу кодирующей дорожки кодового диска, позволяет независимо от количества коллимирующих окон nporty екать на каждый светоприемник половину (по площади) светового потокаот излучателя при совпадении окон, и не пропускать ничего в тот момент времени, когда окна на кодирующем диске и коллиматоре находятся в противофазе. Смещение коллимирующих дорОжек на вышеуказанную величину позволило организовать порядок прерывания световых лучей, а следовательно, и порядок формирования импульсных сигналов в зависимости от направления вращения кодовых дисков. Повышение разрешающей способности, т.е. увеличение количества окон кодовОго диска, при сохранении существующих погрешностей изготовления, а именно величины радиального биения, возможно тсЛпько в том случае, если максимальный угол между оптопарами не превышает угла в вышеуказанном выражении. Расположение оптических осей оптопар кодового диска под требуемыми углами позволило снизить влияние величины радиального биения кодирующей дорожки кодового диска на стабильность организации порядка прерывания световых лучей, а следовательно, и порядка формирования импульсных сигналов при вращения кодового диска. Все это дает возможность изготавливать ycтpoйctвa с повышенным количеством кодирующих окон на кодовых дисках, а следовательно, и с повышенной разрешающей способностью без усложнения конструкции и технологии его изготов/{ения., На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство ручного управления; на фиг. 2 коллиматор со смещенными оптическими дорожками; на фиг. 3 - сформированные импульсные сигналы и порядок их прохождения; на фиг. 4 - расположение оптических осей оптопар, угол между ними; величины радиального биения и смещений расположения окон от нОминальных положений. Устройство состоит (фиг. 1) из основания 1 с закрепленным на нем шаровым приводом 2, позволяющим шару 3 свободно вращаться вокруг своего неподвижного центра, двух передающих элементов 4, выполненных в виде дисков, каждый из которых соединен с кодовыми дисками 5. С одной стороны кодовых дисков установлены источники 6, а с другой - коллиматоры 7 со смещенными коллимирующимй дорожками и светоприемники 8. Устройство работает следующим обра-зом. При повороте шара на нужный угол с помощью передающих элементов поворачиваются и кодовые диски с окнами. При

этом происходит определенное количество прерываний световых лучей, пропорциональное углу поворота шара, и формирование управляющих импульсных сигналов с определенным порядком их прохождения.

Механизм организации порядка прохождения сформированных импульсных сигналов следующий.

При смещении коллимирующих дорожек двух соседних оптопар на величину смещения е, при «ращении кодового диска также происходит смещение сформированных импульсных сигналов (см. фиг, 3), где импульс первого сигнала идет с опережением относительно импульса второго на величину At, равную четверти периода Т выходного сигнала в случае, если длительность импульса равна длительности паузы. Но если вращать диск в противоположную сторону, то первый сигнал будет отставать от второго на четверть периода. Этим самым и определяется направление движения экранного курсора..

При изготовлении устройства управления, как и при изготовлении любого другого устройства, имеют место технологические погрешности изготовления, такие, как поля допусков на размеры, форму и расположение поверхностей деталей. Поэтому смещение импульсных сигналов относительно друг друга может колебаться в пределах одного оборота кодового диска.

Как видно из фиг. 3, устойчивая работа устройства имеет место только в том случав, когда передний фронт импульса второго сигнала находится между передним и задним фронтами импульса первого сигнала. Самый благоприятный случай, это когда передний фронт находится строго посередине между ними. Но работоспособность устройства сохранится и в том случае, если колебание смещения не будет превышать длительности импульса выходного сигнала.

Период импульсных вь ходных сигналов при постоянной Скорости вращения кодового диска прямо пропорционален шагу расположения окон кодирующей дорожки кодового диска.

Поэтому максимальное смещение окон кодирующей дорожки кодового диска относительно расположения коллимирующих окон не должно превышать величину их ширины, т.е.

ДЗсум-Ь,(1)

где AScyM величина суммарного колебания смещений кодирующих и коллимирующих окон;

b - ширина этих окон.

Суммарное колебание смещения состоит из колебаний смещения окон кодового иска и коллиматора. Поэтому величина коебания смещения кодового диска составит

Д5д 0,5-Ь(2)

Но, учитывая технологические погрешности изготовления кодирующих и коллимирующих окон, необходимо уменьшить величину колебаний смещения окон на веичину поля допуска этих окон примерно на 20%, что соответствует точности примеро по 11-12 квалитету согласно СТ СЭВ 144-75 и вполне приемлемо для изготовления в условиях серийного производства.

Тогда допустимое колебание смещения кодирующих и коллимирующих окон равно А5доп 0,З.Ь(3)

Теперь рассмотрим, какую величину колебаний смещения кодового диска при его

вращении вносит величина радиального биения кодирующей дорожки.

Колебание смещения окон кодового диска As складывается из двух величин: из колебания смещения окон от номинального

значения первой оптопары AS1 ивторой AS2 (фиг. 4). Как видно из фиг. 4, колебания смещения кодового диска можно определить из выражения

AS AS1 + AS2 R(Sin yS+Sin(«-))..(4)

где R - величина радиального биения кодового диска;

ее- центральный угол между оптическими осями оптопар;

j8 - текущий угол расположения геометрического центра кодирующей дорожки при повороте кодового диска.

Йс;следуя это выражение, находим, что максимальное значение AS имеет только в

том случае, когда текущий угол расположения геометрического центра кодирующей дорожки равен половине центрального угла «между оптическими осями оптопар, т.е. только при

д-«т

Р 2

При этом выражение справедливо при любых значениях .

Подставив выражение (5) в выражение (4), получим зависимость максимального колебания смещения окон кодового диска от величины радиального биения и центрального угла между оптическими осями оптопар. п

ASMaKC 2-R.Sln(f )(6)

Для нормальной работы устройства управления величина максимального колебания смещения окон дисков не должна превышать его допустимого значения, т.е. AS макс ДЗдоп.(7) Тогда, подставив выражения (3) и (6) в выражение (7, получим 0.15 b а 2 arcsin ( R В выражении (8) показана зависимость центрального угла между оптическими осями оптопар от величины ширины кодирующих и коллимирующих окон и радиального биения кодового диска. Но гораздо удобнее будет пользоваться этой формулой, если центральный угол будет вычисляться в зависимости от количества кодирующих окон, характеризующего разрешающую способность устройства. Ширина кодирующих окон, в случае, если она равна ширине промежутка между ними, определяется из выражения Ь ,(9) где I - расстояние от оси вращения диска до оптической оси оптопары (фиг. 4): п - количество кодирующих окон кодового диска. Подставив выражение (9) в выражение (8), получим arcsin () Макет предлагаемого устройства был изготовлен и опробован с целью использования его в высокоразрешающей графической дисплейной станции. В этом макете в контакте с пластмассо вым шаром диаметром 70 мм находятся два передающих элемента, выполненные в виде плоских фторопластовых дисков. На одном валу с каждым из зтих дисков закреплено по одному кодовому диску с окнами, которые при вращении прерывают световые лучи, идущие от источников к светоприемникагх. Количество окон, необходимых для получения заданной разрешающей способности было выбрано равным 120. В качестве источников использовались светодиоды ЗЛ107Б, в качестве светоЬриемников - фотодиоды ФД256. Перед каждой парой светоприемников установлено по одному коллиматору со смещенными коллимирующими дорожками (см. фиг, 2). Сформированные в результате прерываний импульсные сигналы определяли величину и направление перемещения экранного курсора., Первоначально величина угла между оптопарами составляла 83° при расстоянии от центра вращения до оптических осей оптопар, равном 12 мм. При этом допускаемое радиальное биение кодового диска составило 0,07 мм. Эта величина складывалась из допуска на биение в подшипнике, допуска на посадку вала сопрягаемого элемента, несоосности этой посадочной поверхности с поверхностью, на которую базируется кодовый диск, допуска при посадке кодового диска на вал и несоосности осей посадочного отверстия кодового диска и геометрического центра кодирующей дорожки. Поэтому для получения вышеуказанного радиального биения-необходимо было либо изготавливать эти детали с допусками на посадочные размеры по 6-му квалитету точности согласно GT СЭВ 144-75, что неприемлемо для условий серийного производства, либо производить юctиpб)вкy при установке кодового диска под микроскопом, что требует высокой квалификации сборщика и дополнительных затрат времени и средств на изготовление устройства. Затем величина радиального биения была выбрана равной 0,2 мм, что позволило изготавливать детали устройства по 11-му квалитету точности. При этом максималь,ный угол между оптопарами уменьшили до 27°. В результате этого работоспособность изделия была достигнута при сборке без дополнительных юстировок, что вполне приемлемо для условий серийного производства. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет устранить отрицательные явления, возникающие при увеличени количества кодирующих окон кодового диска, что дает возможность повысить разрешающую способность устройства, сохраняя при этом простую технологию его изготовления и сборки. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет путем варьирования углами между оптическими осями оптопар изготавливать устройства управления курсором для использования с системой отображения с наперед заданной разрешающей способностью в условиях серийного производства. Формул а изобретения Устройство управления курсором для использования с системой отображения, содержащее шар, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг своего неподвижного центра, и два сопряженных с шаром передающих элемента, каждый из которых связан со своим кодовым диском, установленным между двумя источниками и двумя светоприемнйками, отличающеес я тем, что, с целью повышения разрешающей способности устройства, в него дополнительно введены два непрозрачных экрана, каждый из которых установлен перед парой светоприемников и имеет два ряда равномерно расположенных оптических окон, прич0м начала этих рядов сдвинуты относительно друг друга на величину е- |±kt, где Ь - ширина оптического окна; t - шаг OKOHi k - любое.Натуральное число, а центральный угол амеждуЪсями соседних светоприемников соответствует выражению ,0,15 -я a 2arcsln(где I - расстояние между осью вращения кодового диска и оптическими осями светоприемников; п - количество кодирующих окон кодового диска; R - величина радиального биения кодового диска.

Т- период (рорниробаний 1б1ходны}( импильсм1х

Сигналов. л i смещения uMnyA&c/ tix 5ыходнб/х

CUSHQAOS

иг. 3.

us. 2

i-u сигнал

2-иа/гнал -i

Onmuijec uf ffcuffn/Tfa/.

Траектория перемещение 2so empu4seKOzo центра 1содирующ О дорожки

иг.