Способ измерения перемещений объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

ел

С

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений. Формируют несколько световых марок, связанных с перемещающимся объектом и расположенных на заданном расстоянии друг от друга и последовательно проводят их вдоль фоточувствительной поверхности фотопреобразователя, определяют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определяют перемещение. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной; технике и может быть использовано для бесконтактного измерения перемещений объектов и контроля позиционирования станков с ЧПУ, промышленных роботов, предназначено для систем автоматизации технологических процессов в машиностроении.

Известен способ и устройство для измерения положения объекта, заключающийся в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразователя, источник фвета связан с объектом перемещения; преобразуют распределение освещенности в видеосигнал, выделяют временной интервал, пропорциональный смещению обьекта относительно первоначального положения. Временной интервал заполняется импульсами, количество которых подсчитывается счетчиком.

Недостатком данного способа и устройства является малый диапазон измерения перемещения, определяемый длиной фото чувствительной поверхности фотопреобразователя. При использовании оптического масштабирования для увеличения диапазо на пропорционально уменьшается точ ность.:

Наиболее близким по технической сущности к заявленному и выбранным за прототип является способ измерения перемещения объекта, заключающийся в том, что формируют на поверхности фотопреобразователя световую марку, преобразуют ее в электрический сигнал, по которому опре- .деляют положение энергетического центра световой марки и по нему судят о перемещении объекта.

. Известно устройство для реализации этого способа, содержащее последовательно установленный оптический узел, блок обработки сигнала, а также блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, причем управляющий выход блока управления соединен со входом фотопреобразователя, а синхроних|Ч |СЛ

Ю XI СА)

зирующий выход и выход высокой частоты подключены к блоку формирования кода, тактовый выход блока управления соединен с. блоком обработки сигнала.

Недостатком известного способа и устройства являются малый диапазон измерения и уменьшение точности при расширении этого диапазона.

Целью, изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений;

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения перемещений объекта, заключающемся в том, что формируют световую марку на поверхности фотопреобразователя, преобразуют оптический сигнал от марки в электрический сигнал, определяют по нему положение энергетического центра световой марки, по которому судят о перемещении объекта, формируют на поверхности фотопреобразователя несколько дополнительных световых марок, источники всех световых марок связаны с перемещающимся объектом, световые марки последовательно перемещают вдоль фотопреобразователя, подсчитывают количество прошедших вдоль фотопреобразователя световых марок, а перемещение объекта определяют с учетом номера и позиции каждой световой в текущий момент, общее перемещение вычисляют по формуле

m

х 2 п-1 + х| 1 1

В устройстве для измерения перемещения объекта, содержащем последоваг тельно установленные оптический узел, выполненный в виде оптически связанных источника света, диафрагмы и фотопреобразователя, блок обработки сигнала, блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, управляющий выход которого соединен со входом фотопреобразователя, а синхронизирующий и выход высокой частоты - подключены к блоку формирования кода; тактовый выход блока управления соединен с блоком обработки сигнала, оно снабжено блоком определения номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управления выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определения номера источника подключен к дополнительному выходу блока управления, сигнальный вы- . ход соединен с сигнальным входом блока формирования кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управления, а информационный выход блока определения номера источника является дополнительным выходом устройства, источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных источников, устанавливаемых на заданном расстоянии друг от друга вдоль направления перемещения объекта и кинематически связанных с ним.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающей увеличение диапазона измерения:

формируют несколько световых марок, связанных с перемещающимся объектом и расположенных на заданном расстоянии друг от друга, и последовательно проводят их вдоль фоточувствительной поверхности

фотопреобразователя;

определяют номер и текущее положение каждой из этих марок и по их совокупности определяют перемещение.

На фиг.1 приведена функциональная

схема устройства для реализации способа измерения перемещения объекта; на фиг.2 - примеры реализации оптического узла.

Устройство содержит последовательно установленные оптический узел 1, блок 2

обработки сигнала, блок 3 формирования выходного кода, а также блок 4 управления и блок 5 определения номера. Оптический узел 1 состоит из оптически связанных источника света 6, диафрагмы 7 и фотопреобразователя 8, выход которого подключен ко входу блока 2 обработки сигнала. Источник 6 света кинематически связан с перемещающимся объектом. Выходы блока 4 управления связаны с остальными блоками по

следующим шинам:

управляющие выходы по шине 9 с управляющим и тактовыми входами фотопреобразователя 8;

тактовый выход по шине 10 с тактовым

входом блока 2 обработки сигнала;

высокочастотный выход по шине 11с высокочастотным входом блока 3 формирования выходного Кода;

синхронизирующий выход п,о шине 12с

0 синхронизирующим входом блока 3 формирования выходного кода;

задающий выход текущего кода координаты развертки фотопреобразователя 8 по шине 13 с координатным входом блока 5

5 определения номера.

Сигнальный выход блока 2 обработки сигнала (шина 14) подключен к сигнальному входу блока 5 определения номера, сигнальный выход которого (шина 15) связан с сигнальным входом блока 3 формирования выходного кода.

Выходами устройства являются выходы блока 3 формирования кода (шина 16) и выходы блока 5 определения номера источника 6 (шина 17).

Оптический узел в зависимости от областей применения может быть выполнен (фиг.2) в различных вариантах, например, каждый элементарный источник света, установленный на заданном расстоянии отсосед- них, может иметь конструктивно связанную с ним щелевую диафрагму 7, которая формирует узкий пучок света (фиг.2, а). При необходимости оптического масштабирования (фиг.2, б) световая марка может формироваться с помощью щелевой диаф- раГмы, конструктивно связанной с фотопреобразователем. В этом случае перемещение объекта связано с перемещением световой марки зависимостью

Дх --Јд1 ,

где d - расстояние от источника 6 света до щелевой диафрагмы 7;

f- расстояние от щелевой диафрагмы 7 до фотопреобразователя 8.

Следует отметить, что в этом случае направление перемещения объекта противоположно перемещению объекта в случае с расположением щелевых диафрагм на каждом источнике, а диапазон перемещения и. масштаб преобразований определяется расстояниями d и f и может легко изменяться в большую или меньшую сторону. Разновидностью этого случая является выполнение щелевой диафрагмы в виде цилиндрической линзы, установленной перпендикулярно фоточувствительному ряду фотопреобразователей (фиг.2 в): Выражение для перемещения объекта и световой марки такое же, как в предыдущем варианте. Отличием является то, что цилиндрическая линза собирает световой поток с гораздо большей площади по сравнению с щелью и фокусирует световую марку в виде узкой полоски, обеспечивая больший уровень интенсивности световой марки и соответственно большее расстояние между фотопреобразователем 8 и источником света.

Блок 2 может быть выполнен по известной схеме, содержащей усилитель, блок выборки-хранения, фильтр низких частот и амплитудный дискриминатор (аналогично как у прототипа).

Фотопреобразователь 8 может быть выполнен в виде фотолинейки ПЗС или в виде интегральной МДП-фотодиодной линейки,

имеющих большое количество дискретных фотоячеек (128-2048)

Блок 4 управления м$жет быть выполнен по известной схеме (прототип) или содержать 5 тактовый генератор с высокочастотным и тактовым выходами, делитель частоты с фззоим- пульсным представлением информации, тактируемый блок задержки. Коэффициент деления делителя определяется количест0 вом элементов фотопреобразователя 8. Делитель может быть выполнен на основе счетчика, имеющего выходы текущего кода координаты,

В зависимости от типа используемого

5 интегрального фотоприемника 8 блок 4 выдает по шине 9 требуемые тактовые и управляющие импульсы.

Блок 5 определения номера источника может быть выполнен, например, в следую0 щем виде (фиг.4). Он содержит дешифратор 18 кода начального участка фотопреобраэо- вателя 8, дешифратор 19 кода конечного участка фотопреобразователя 8, элементы 20,21,29, 30, 33, 36, 37 И, два амплитудных5 детектора 22, 23, элементы 24, 31, 39 ИЛИ, тригеры 27, 28, 34, 38, элементы задержки 25, 26, 35, 40, реверсивный счетчик 32. Вход прямого счета счетчика 32 соединен с инверсным выходом триггера 27, вход обрат0- ного счета соединен с прямым выходом триггера 27. Вход записи триггера соединен с выходом 31 ИЛИ. Первый вход 31 ИЛИ подключен к выходу 29 И, второй - к выходу 30 И, первый вход 29 И соединен с прямым

5 выходом триггера 27, второй вход соединен с выходом амплитудного детектора 23, третий вход объединен с первым входом 30 И. Первый вход 30 И соединен с инверсным выходом счетного триггера 28, второй вход

0 соединен с инверсным выходом триггера 27, третий вход соединен с выходом амплитудного детектора АД22. Вход С триггера 28 объединен с входом С триггера 27. Вход триггера 27 подсоединен к выходу элемента

5 задержки 25, вход Р подсоединен к выходу элемента задержки 26, вход С подключен к выходу 24 ИЛИ. Первый и второй входы 24 ИЛИ объединены соответственно с входами элементов задержки 25 и 26. Вход элемента

0 задержки 25 соединен с выходом амплитудного детектора АД22. вход элемента задержки 26 соединен с выходами амплитудного детектора 23. Вход амплитудного детектора АД22.соединен с выходом 21 И, вход АД23

5 соединен с выходом 21 И. Первый вход 20 1/1 соединен с выходом дешифратора кода 18 начального положения развертки фотопреобразователя 8. Второй вход объединен с первым входом 21 И и подключен к шине 14. Второй вход 21 соединен с выходом дошифратора конечного участка 19 фотопреобразователя 8. Входы начального и конечного дешифратора объединены и подключены к шине 13.

Амплитудные детекторы 22 и 23 служат для определения наличия входных импульсов независимо от их длительности и выдачи при этом высокого уровня. Они могут быть выполнены по известным схемам пиковых детекторов, устройств выборки-хранения, элементов памяти и др.

Элементы задержки 25, 26, 35, 40 служат для нормального функционирования элементов 27, 34, 38.

Первый вход элемента 33 И соединен с инверсным выходом триггера 27. второй вход соединен с прямым выходом триггера 28, третий вход соединен с выходом амплитудного детектора АД22. Выходэлемента 33 И соединен с входом триггера 38. Первый вход элемента 39 ИЛИ соединен с выходом элемента 36 И, второй - с выходом 37 И. Первый вход 36 И объединен с входом С триггера 34 и подключен к шине 14, второй вход соединен с прямым выходом триггера 34, третий вход соединен с прямым выходом тригера 38. Первый вход 37 И соединен с инверсным выходом триггера 38. Второй вход элемента 37 И соединен с инверсным выходом триггера 34, третий - соединен с выходом элемента задержки 35. Вход элемента 35 подключен к шине 12. Вход С триггера 38 соединён с выходом элемента задержки 40. Вход элемента 40 объединен с третьим входом 33 И, Вход Р триггера 38 соединен с выходом амплитудного детектора АД23.

Дешифраторы 18, 19 начального и КО нечного участков фотопреобразователя 8- выдают высокий уровень в моменты опроса этих участков по текущему коду развертки. Они могут быть выполнены на основе стандартных дешифраторов и схем сравнения кодов.

Из перечисленных элементов блока 5 определения номера элементы с 18 по 32 предназначены собственно для определения текущего номера источника 6 света. Элементы с 33 по 40 предназначены для выделения информационного сигнала из нескольких импульсов.

При переходе световых марок через граничные участки фотопреобразователя 8 - начальный и конечный - этими элементами производится переключение и выделение информационного сигнала о положении нужной световой марки. Так как все выше- . перечисленные элементы блока 5 определения номера источника взаимосвязаны, то они объединены в один блок.

Суть способа поясняется с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. Формируют с помощью источника 6 света на фотопреобразователе 8 световую марку. Источник 6 света кинематически связан с объектом, поэтому при перемещении объекта происходит смещение световой

0 марки на поверхности фотопреобразователя 8. С управляющих выходов блока 4 управления подаются управляющие и тактовые импульсы для управления разверткой фотопреобразователя 8 с периодом Т, и сдвигом

5 во времени на интервал накопления, Под действием управляющих импульсов с выхода фотопреобразователя снимаются токовые сигналы, распределение амплитуд которых пропорционально распределению

0 светового потока. С блока 4 управления на блок 2 обработки сигнала подаются тактовые импульсы, которыми управляются схема выборки и хранения в блоке 2 обработки сигнала. В последнем производится также

5 дополнительное ограничение сигнала по спектру, выделяется огибающая световой марки. Отфильтрованный видеосигнал компанируется по уровню 0,5 И видео с помощью следящего амплитудного дискри0 минатора блока 2 обработки сигнала, и на выходе блока 2 получается импульс, временной интервал от центра которого до момента начала развертки пропорционален положению световой марки на поверхности

5 фотопреобразователя 8. Далее этот импульс проходит через блок 3 формирования выходного кода. В последнем производится выделение кода, пропорционального положению световой марки, путем заполнения

0 временного интервала от начала развертки до переднего фронта импульса высокочастотными импульсами с периодом Ттакт, самого импул.ьса - периодом 2ТТЗкт. Полученная импульсная последователь5 ность в параллельном или последовательном коде выдается на выход блока 3 формирования кода и на выход устройства и является цифровым эквивалентом положения текущей световой марки в данный

0 момент.

Последовательно проводят световые марки вдоль фотопреобразователя 8, получают на выходе блока 3 формирования кода их текущую позицию, соответствующую по5 ложению объекта. Масштаб преобразований координаты световой марки определяется коэффициентом оптико-электронного преобразования и обработки сигнала, в свою очередь определяемым величинами Т, 1 ...Тт, и оптическим масштабированием.

С помощью блока 5 определения номера производится подсчет номера текущей световой марки, соответствующего элементарному -му источнику из набора источников 6 света. Код номера снимается с выходной шины 17. По известным заданным расстоянием между элементарными источниками, номеру i, текущей позиции определяют общее перемещение обьекта так

m

х 2 n-i + xi 1 1

Вычисления производят в блоке регист- рации выходных данных, выполненного в виде микропроцессора, ЭВМ, калькулятора (на1 чертежах не показан).

Рассмотрим подробнее работу блока 5 определения номера. В исходном состоя- ний все элементы обнуляются (не показано). Для исключения пропаданий и нарушений измерений при переходе с одной световой ма{эки на другую, расстояние между ними должно быть меньше, чем длина 1/2 фото- пр образователя 8 для приведенной схемы блс-ка 5 определения номера (фиг.4).

Шаг между источниками света 6 выбирается таким, чтобы в поле зрения фотопри- 8 находилось максимально 3 световые марки, при их расположении симметрично относительно центра фотоприем- ниКа 8, а в остальных положениях - 2 световые марки. Это необходимо для исключения прерываний преобразований в граничных условиях. Блоки с 33 по 39 выделяют информационный импульс от световой марки, номер которого определяется. По этому информационному импульсу формирований выходного кода определяется пе- ремещение обьекта с учетом номера световой марки.

Дешифраторы 18, 19 вырабатывают временные интервалы в моменты времени, соответствующие начальному и конечному участкам периода развертки фотопреобразователя 8. При появлении и совпадении информационного импульса с временным интервалом, соответствующим начальному или конечному участку фотопреобразовате- ля, соответственно на выходе элемента 20 или 21 вырабатывается импульс в начале или Конце периода. При этом соответствующий амплитудный детектор 22 или 23 вырабатывает высокий уровень. В зависимости от очередности сигнала высокого уровня на выходах АД22, АД23. триггер 27 выдает со

5

10

1t-

п с.

„ -л

.,. -,.

5

ответствующий разрешающий сигнал на счетчик 32. На элементах 28, 29, 30, 31 вырабатывается сигнал записи. Элемент 29 И вырабатывает сигнал записи при положительном движении (перемещение источника света слева направо). Элемент 30 И вырсэба- тывает сигнал записи при перемещении назад. Триггер 28 включен в счетном режиме для устранения двойного срабатывания счетчика 32 при реверсе. Триггер 27 производит запись по заднему фронту. Схема выделения информационного импульса работает следующим образом. Очередная запись в счетчик 32 происходит при срабатывании АД22. Во всех случаях при движении вперед необходимо выделять второй информационный импульс. При движении вперед очередная запись в счетчик 32 происходит при.срабатывании АД23. После срабатывания АД23 выделяет первый импульс. Триггер 34 включен в счетном режиме. Элемент 36 И пропускает первый импульс. Элемент 37 И пропускает второй импульс. Триггер 38 разрешает прохождение первого или второго импульса. Элемент 33 И выделяет сигнал с АД22 при движении назад. Сигналом с АД23 триггер.38 сбрасывается. Перед началом каждой развертки триггер 34 подготавливается к работе импульсом сброса, поступающим по шине 12.

Следует отметить, что выполнение блока 5 определения номера источника может быть и другим, в частности, в качестве него может быть использован микропроцессор, микроЭВМ и др. с соответствующей простой программой подсчета номера источника и выделения положения требуемого источника.

По сравнению с растровыми фотоэлектрическими устройствами (базовый обьект), которые имеют диапазон обычно 10-200 мм, предложенные способ и устройство позволяют получить высокую точность (менее 1 мкм) и значительно больший диапазон перемещений - доли и единицы метров. При этом конструктивное выполнение оптического узла значительно проще и не требует прецизионного оборудования. Способ и устройство обладает большей помехоустойчивостью, так как при случайных сбоях информация возобновляется в следующих периодах опроса.

Предлагаемый способ и устройство при использовании в станках с ЧПУ, робототех- нических системах позволяют повысить производительность и качество продукции.

Формула изобретения

m

х 2 n-1 + XL

где xj - перемещение в текущем моменте марки 1-го источника;

П-1 - расстояние между источниками;

m - количество источников.

. J

установленные оптический узел, выполненный в виде оптически связанных источника света, диафрагмы и фотопреобразователя, блок обработки сигнала, блок формирования кода, выход которого является выходом устройства, блок управления, управляющий выход которого соединен с входом фотопреобразователя, а синхронизирующий и выход высокой частоты подключены к блоку

формирования кода, тактовый выход блока управления соединен с блоком обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено блоком определения номера источника, сигнальный вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала, блок управления выполнен с дополнительным выходом, задающий вход блока определения номера источника подключен к дополнительному выходу блока управления, сигнальный выход соединен с сигнальным входом блока формирования кода, синхронизирующий вход подключен к синхронизирующему выходу блока управления, а информационный выход блока определения номера источника является дополнительным выходом устройства, источник света оптического узла выполнен в виде набора элементарных

источников, устанавливаемых на заданном расстоянии друг от друга вдоль направления перемещения объекта и кинематически связанных с ним.

Фиг. 2

Фаг.З

Фиг. 4