Устройство для измерения диаметра изделий Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения диаметра изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет компенса- ции разброса и изменений параметров фотоприемников.

На фиг, 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2-4 - структурные схемы, соответственно первого, второго и третьего вариантов выполнения блока амплитудно-цифрового преобразователя; на фиг. 5 - структурная схема блока вычислений.

Устройство для измерения диаметра изделий содержит оптически связанные осветитель 1, на оптической оси которого устанавливается измеряемое изделие 2, эталон 3, объектив 4, диафрагму 5 и дискретный фотоприемник 6, выполненный в виде двух симметрично расположенных относительно оптической оси осветителя 1 линеек фотоприемников, генератор 7 опроса, первый и второй выходы которого связаны с входами первой и второй линеек фото- приемников дискретного фотоприемника 6 соответственно, блок 8 амплитудно-цифрового преобразования (АЦП), первый и второй входы которого связаны с выходами первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника б соответственно, блок 9 вычислений, первый вход и первый выход которого связаны двунаправленной шиной с третьим выходом и входом генератора 7 опроса, второй вход и второй выход связаны двунаправленной шиной с выходом и третьим входом блока 8 АЦП, блок 10 сигнализации, вход которого связан с третьим выходом блока 9 вычислений, командный блок 11, выход которого связан с третьим входом блока 9 вычислений.

По первому варианту блок 8 АЦП (фиг. 2) содержит первый и второй усилители 12, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока 8 АЦП, первый и второй компараторы 13, первые входы которых связаны соответственно с выходами первого и второго усилителей 12, выходы являются выходом блока 8 АЦП, цифроаналоговый преобразователь 14 (ЦАП), входы которого являются третьим уходом блока 8 АЦП, выход связан с вторыми входами первого и второго компараторов 13.

По второму варианту блок 8 АЦП (фиг. 3) содержит первый и второй усилители 15, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока 8 АЦП, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 16, первые входы которых свя-

заны соответственно с выходами первого и второго усилителей 15, вторые входы являются третьим входом блока 8 АЦП, выходы - являются выходом блока 8 АЦП. По третьему варианту блок 8 АЦП (фиг. 4) содержит первый и второй усилители 17, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока 8 АЦП, коммутатор 18, первый и второй входы которого связаны с выходами первого и второго усилителей 15 соответственно, аналого-цифрового преобразователя 19, первый вход которого связан с выходом коммутатора 18, выход является выходом блока 8 АЦП, третий вход коммутатора 18 и второй вход аналого-цифрового преобразователя 19 являются третьим входом блока 8 АЦП.

Блок 9 вычислений (фиг. 5) содержит тактовый генератор 20, вычислитель 21, блок 22 памяти, интерфейс 23, таймер 24, схему 25 рестарта, вход которой связан с первым выходом таймера 24, выход - с первым входом вычислителя 21, второй вход которого связан с выходом тактового генератора 20, вход и второй выход таймера 24, третий вход и выход вычислителя 21, вход и выход блока 22 памяти, первый вход и первый выход интерфейса 22 связаны между собой и с первым входом и первым выходом блока 9 вычислений двунаправленными шинами, второй вход и второй выход интерфейса 23 связаны двунаправленными шинами с вторым входом и вторым выходом блока 9 вычислений, третий вход интерфейса 23 связан шиной с третьим входом блока 9 вычислений, третий выход связан шиной с третьим выходом блока 9 вычислений.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания осветитель 1 направляет слабо сходящийся пучок света на изделие 2 и эталон 3, тенепые изображения которых объективом 4 через диафрагму 5 проецируются на первую линейку фотоприемников дискретного фотоприемника 6

-их левые края, на вторую линейку фотоприемников дискретного фотоприемника б

-правые. Степень расходимости пучка света осветителя 1 выбрана такой, чтобы при движении изделия 2 в процессе изготовления вдоль оптической оси устройства размеры его изображения в плоскости линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6 не изменялись. Через диафрагму 5 проходит свет, формирующий теневое изображение изделия 2 и эталона 3, в то же время рассеянные и преломленные в изделии 2 лучи практически полностью отфильтровываются диафрагмой 5. Также при включении питания в вычислителе 21 формируется сигнал Сброс, который инициализирует вычислитель 21 и интерфейс 23. Далее по сигналам тактового генератора 20 вычислитель 21 начинает выполнять программу, содержащуюся в ПЗУ блока 22 памяти. По командам программы происходят тестирования блока 9 вычислений в следующей последовательности: тест ОЗУ, тест ПЗУ, тест интерфейса, тест прерываний. Далее производится тестирование измерительного канала устройства: по командам блока 9 вычислений в генераторе 7 опроса формируется последовательность фазовых импульсов опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, 50 % выходных сигналов которых (при наличии нормальной мощности осветителя 1 и правильной юстировки оптических элементов устройства) близки к насыщению.

В блоке 8 АЦП под управлением блока 9 вычислений производится оцифровка выходных сигналов первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6. Последние последовательно из блока 8 АЦП вводятся в блок 9 вычислений, где определяется наличие 50 % нормальных по амплитуде световых сигналов на выходах обеих линеек фотоприемников дискретного фотоприемника б, при этом блок 9 вычислений через интерфейс 23 выдает на блок 10 индикации команды, по которым последний генерирует короткий звуковой сигнал, зажигает световой сигнал нормальной работы и переходит к основной программе измерения диаметра (изделия); наличие только темновых сигналов, при этом блок 9 вычислений через интерфейс 23 и блок 10 индикации выдает прерывистый звуковой сигнал, сопровождает его аналогичным световым сигналом, которые свидетельствуют или о необходимости замены лампочки накаливания в осветителе 1, или о необходимости юстировки оптических элементов; отсутствие сигналов на выходе одной из линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, при этом блок 9 вычислений через интерфейс 23 и блок 10 индикации выдает непрерывный звуковой сигнал, зажигает все запятые и одну из цифр 10-17 на цифровом табло блока 10 индикации. Последний, из указанных режимов индикации сигнализирует о наличии сбоя в устройстве. Цифры вместе с запятыми на блоке 10 индикации говорят о сбоях в следующих тестах: 10- неверно прошел тест ОЗУ; 12 - ПЗУ; 13 -интерфейса 23; 14 - прерываний; 15 - отсутствуют сигналы на выходе первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6; 16 - на выходе второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6; 17 - отсутствуют сигналы на выходах первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6. Основная программа измерения диаметра изделия включает в себя загрузку таймера 24, m циклов опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, оцифровки и ввода амплитуд измеренных сигналов фотоприемников в ОЗУ блока 22 памяти блока 9 вычислений через блок 8 АЦП, Между двумя циклами ввода производится сложение текущих амплитуд с накопленными ранее для последующего

усреднения. После циклов опроса и усреднения массива чисел at, at, описывающие выходные сигналы первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, подвергаются медианной фильтрации, в процессе которой получаются соответственно массивы bi, bt, в них исключены провалы отсчетов, вызванные разбросом параметров фотоприемников. Далее выполняется подпрограмма выделения перепадов яркости изображений на первой и второй линейках фотоприемников дискретного фотоприемника б, причем первый 1+ К фотоприемник, находящийся на первом краю изображения, определяется из условий

I 1 ;

Ьн-к-Ml 0,35М,(1)

с.

5

0

где К const 10 - число, превышающее максимальное количество фотоприемников, находящихся на перепадах яркости;

I +5

м 2 bj/10

Последний I - К фотоприемник, расположенный на анализируемом краю изображения, определяется из условий I - К I + К: I - M I 0,35 M, (2)

{.

i + 5

гдеМ bJ/10- j i - 5

Аналогично в массиве bi находится второй край изображения, принадлежащий из- делию 2 (первый перепад яркости создан краем эталона 3). Далее, определяются фотоприемники массива bi, принадлежащие третьему и четвертому перепадам яркости изображения, которые созданы соответственно, вторыми предметными краями изделия 2 и эталона 3. Обработка амплитуд сигналов фотоприемников, находящихся на первом краю изображения, заключается в следующих операциях: определение среднего уровнд перепада сигнала на краю изображения: Bi-( M)/2 + M; определение среднего изменения сигналов соседних фотоприемников, принадлежащих первому перепаду яркости:

bi-(bi--K-bi+K)/( 2 К);

определение номера фотоприемника I, имеющего амплитуду сигнала, ближайшую к среднему уровню перепада ЕЙ, но меньшую его по абсолютной величине: bi Вд; Ibi-Bil bi;(3)

определение расстояния от начала первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6 до середины первого края изображения (первый край эталона 3):

+T(Bi -bi)/bi T-l+ б , (4)

где Т - период линейки фотоприемников;

д - поправка положения края изображения с учетом линейной аппроксимации сигналов фотоприемников, принадлежащих рассматриваемому перепаду яркости изображения.

Далее аналогично определяются: расстояние от начала первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6 до середины второго края изображения (первый край изделия 2) S2, расстояние от начала второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6 до середины третьего края изображения (второй край эталона 3) Зз, от начала второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6 до середины четвертого края изображения (второй край изделия 2) S4. Последний блок основной программы определяет диаметр изделия 2 с учетом систематической и случайной ошибок устройства, так как наряду с одновременно полученными отсчетами Si,...,S4 в блоке 9 вычислений используется Lo - размер эталона 3, считываемый в вычислитель 21 из блока 22 памяти

D U-S2 + + S3.

(5)

Выражение (5) используется ввиду того, что первая и вторая линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 6 опрашиваются навстречу друг другу. Далее из блока 9 вычислений на табло блока 10 индикации выводится измеренный диаметр D, в блок 9 вычислений считывается положение декадных переключателей командного блока 11 - Do и производится сравнение. Если Do+ Е D (е 15 мкм - допустимое отклонение диаметра изделий 2) - через интерфейс 23 на шину управления внешними

0

5

объектами выдается из вычислителя 21 команда - замедлить вытягивание изделия 2; если DO - е D - на шину управления внешними объектами выдается команда - ускорить вытягивание изделия 2; если D0 - - е D Do + E - выдается команда - диаметр в норме, и зажигается соответствующая лампочка в блоке 10 индикации. Далее анализируется разность между текущими отсчетами краев эталона Si.i; Ss.i и отсчетами краев эталона Si, Зз, полученными при первом проходе основной программы измерения диаметра изделия 2.

Если не выполняется ни одно из неравенств

Ai lSi-Si,i I So

A2 3з-3з,1 I So ,(6)

HC

{:

то осуществляется безусловный переход в

начало основной программы (So - максимально допустимое отклонение отсчета по любому краю эталона). Если выполняется хотя бы одно из неравенств (6), то на блоке 10 индикации зажигается лампочка Отклонение отсчета, на табло блока 10 индикации выводятся поочередно цифры: D, Дч, Да, осуществляется безусловный переход в начало основной программы измерения диаметра изделия 2. Оцифровка

выходных сигналов первой и второй линеек фотоприемников, дискретного фотоприемника 6 в основном измерительном режиме производится под управлением той же подпрограммы, что и в тестовом режиме, и для

первого варианта выполнения блока 8 АЦП (фиг. 2) состоит из операций: выдачи из блока 9 вычислений на ЦАП 14 кода опорного напряжения, запуск через генератор 7 опроса цикла считывания первой и второй

линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, выходные сигналы которых усиливаются первым и вторым усилителями 12, сравниваются с опорным напряжением в первом и втором компараторах 13,

выходные цифровые сигналы которых для каждого фотоприемника через интерфейс 23 записываются в блок 22 памяти блока 9 вычислений, Синхросигналы для приема данных в блок 22 памяти формируются в

генераторе 7 опроса синхронно с фазовыми импульсами опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6, Указанные синхросигналы поступают в блок 22 памяти и интерфейс

23 для реализации функций управления (окончание циклов опроса линеек фотоприемников), стробирования приемопередачи данных. Далее повторяется цикл опроса первой и второй линеек фотоприемников

дискретного фотоприемника 6 для следующего опорного напряжения, результаты двух циклов опроса анализируются, определяются номера фотоприемников, амплитуды которых заключены между сформированными опорными напряжениями, для этих фотоприемников записываются в массив ai коды амплитуды выходных сигналов. Описанный цикл опроса и программного анализа повторяется 2П раз, где п - разрядность ЦАП 14. Для второго варианта выполнения блока 8 АЦП (фиг. 3) оцифровка осуществляется после одного цикла опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника б, когда их выходные сигналы, усиленные в первом и втором усилителях 15 поступают на входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 (на их управляющие входы поступают из блока 9 вычислений стробирующие сигналы), где получаются коды амплитуды выходных сигналов фотоприемников, которые с выходов аналого-цифровых преобразователей 16 через интерфейс 23 записываются в блок 22 памяти. Для третьего варианта выполнения блока 8 АЦП (фиг. 4) оцифровка осуществляется также за время одного цикла опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника б, когда их выходные сигналы, усиленные в первом и втором усилителях 17, поочередно поступают через коммутатор 18 на вход аналого-цифрового преобразователя 19 (на управляющие входы коммутатора 18 и аналого-цифрового преобразователя 19 поступают коммутирующие и стробирующие сигналы, сформированные в интерфейсе 23 из синхросигналов, пришедших из генератора 7 опроса, где образуются коды амплитуды выходных сигналов фотоприемников, которые через интерфейс 23 записываются в блок 22 памяти). В начале основного цикла программы измерения диаметра из вычислителя 21 производится загрузка таймера 24, который (при сбоях, увеличивших или остановивших цикл зычислений) вырабатывает импульсы с частотой, заданной константой загрузки. Первый импульс таймера 24, пришедший в схему рестарта 25, вызывает формирование в ней сигнала Прерывание, поступающего в вычислитель 21. Если в данный момент прерывания запрещены и вычислитель 21 не возобновил свою работу, то по второму импульсу таймера 24, пришедшего в схему рестарта 25, последняя генерирует сигнал Сброс и вычислитель 21 начинает выполнять программу, содержащую в ПЗУ блока 22 памяти, начиная с первой команды (тестовый режим).

Формула изобретения 1. Устройство для измерения диаметра изделий, содержащее оптически связанные осветитель, объектив и дискретный фото- 5 приемник, выполненный в виде первой линейки фотоприемников, блок управления, первый выход которого связан с входом первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника, блок вычислений, о т0 личающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено эталоном, расположенным между осветителем и объективом, диафрагмой, расположенной между объективом и диск5 ретным фотоприемником, блоком амплитудно-цифрового преобразования (АЦП), блоком сигнализации и командным блоком, дискретный фотоприемник снабжен второй линейкой фотоприемников, расположенной

0 симметрично первой линейки фотоприемников относительно оптической оси осветителя, блок вычислений выполнен с тремя входами и тремя выходами, блок управления выполнен в виде генератора опроса с

5 тремя выходами и одним входом, второй выход генератора опроса связан с входом второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника, третий, выход и вход связаны двунаправленной шиной с первым

0 входом и первым выходом блока вычислений, второй вход и второй выход блока вычислений связаны двунаправленной шиной с третьим входом и выходом блока АЦП, третий выход - с входом блока сигнализа5 ции, третий вход - с выходом командного блока, первый и второй входы блока АЦП связаны соответственное выходами первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника.

02. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок АЦП выполнен в виде первого и второго усилителей, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока АЦП, первого и второго

5 компараторов, первые входы которых связаны соответственно с выходами первого и второго усилителей, выходы являются выходом блока АЦП, цифроаналогового преобразователя, входы которого являют0 ся третьим входом блока АЦП, выход связан с вторыми входами первого и второго компараторов.

3. Устройство по п. 1,отличающе- е с я тем, что, с целью увеличения быстро5 действия, блок АЦП выполнен в виде первого и второго усилителей, входы которых являются соответственно первым м вторым входами блока АЦП, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, первые входы которых связаны соответственно с

выходами первого и второго усилителей, вторые входы являются третьим входом блока АЦП. выходы являются выходом блока АЦП.

4. Устройство по п. 1,отличающе- е с я тем, что, с целью упрощения, блок АЦП выполнен в виде первого и второго усилителей, входы которых являются соответственно первым и вторым входам блока АЦП, коммутатора, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходами первого и второго усилителей, аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого связан с выходом коммутатора, выход является выходом блока АЦП, третий вход коммутатора и второй вход аналого-цифрового преобразователя являются третьим входом блока АЦП.

5. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что блок вычислений выполнен в виде последовательно соединенных таймера, схемы рестарта и вычислителя, тактового генератора, выход которого связан с вторым входом вычислителя, блока памяти и интерфейса, вход и второй выход таймера, третий вход и выход вычислителя, вход и выход блока памяти, первый вход и первый

выход интерфейса связаны между собой двунаправленными шинами и являются первым входом и первым выходом блока вычислений, второй вход и второй выход интерфейса связаны двунаправленными

шинами и являются вторым входом и вторым выходом блока вычислений, третий вход интерфейса является третьим входом блока вычислений, третий выход является третьим выходом блока вычислений.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет компенсации разброса и изменений параметров фотоприемников. Устройство для измерения диаметра изделий содержит оптически связанные осветитель 1, на оптической оси которого устанавливается измеряемое изделие 2, эталон 3, объектив 4, диафрагму 5 и дискретный фотоприемник б, выполненный в виде двух линеек фотопри5 емников, симметрично расположенных относительно оптической оси осветителя, на которые проецируются теневые изображения краев изделия 2. Генератор 7 опроса формирует М циклов опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6. После циклов опроса, оцифровки амплитуд измеренных сигналов фотоприемников в блоке 8 амплитудно-цифрового преобразования осуществляется ввод чисел в блок 9 вычислений. Между двумя циклами ввода производится сложение текущих амплитуд с накопленными ранее для последующего усреднения, после усреднения массивы чисел, описывающие выходные сигналы первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 6. подвергаются медианной фильтрации, где исключаются провалы отсчетов, вызванные разбросом параметров фотоприемников. Далее в блоке 9 вычислений осуществляется выделение перепадов яркости изображений на первой и второй линейках фотоприемников дискретного фотоприемника б, по которым и определяется диаметр изделия. 4 з.п. ф-лы, 5 ил. Ё XI СО О СП со XI

4Ј-т4

кд Фиг. 2

17

«а сГ Ч

I

18

-

19

А

л

8

ФигЗ