Фотоэлектрический преобразователь положения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения упрощение конструкции, повышение достоверности и надежности измерений работы ФЭПП. Фотоэлектрический преобразователь положения содержит оптически сопряженные источник 1 излучения, объектив 2, линейку 3 с кодовой шкалой, линейное многоэлектронное устройство 4 и блок 5 обработки сигналов. Цель достигается за счет того, что кодовая шкала линейки выполнена в виде оптически прозрачных марок, нанесенных с шагом менее половины входной аппертуры фотоприемного устройства, и сочетании оптически прозрачных и непрозрачных участков между марками, несущие информацию о местоположении марок, позволяет выполнять измерения больших расстояний и снижать технические требования к точности изготовления кодовых шкал. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным преобразователям положения, и может быть использовано в измерительных системах станков с числовым программным управлением, в координатно-измерительных машинах, средствах контроля крупногабаритных изделий. Известен фотоэлектрический преобразователь положения (ФЭПП), содержащий подвижный и неподвижный элементы-меры, на которых нанесены растровые дорожки и маски в виде рисунка из набора щелей, а также дополнительная маска в виде рисунка на одной из мер, идентично рисунку первой маски, на другую меру нанесен рисунок негативный по отношению к первой маске, что позволяет определять положение подвижного элемента меры относительно неподвижного только в точках нулевого отсчета. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является ФЭПП, принятый нами за прототип, на основе линейки с кодовой шкалой. Фотоэлектрический преобразователь положения содержит оптически сопряженные источник излучения, объектив, фотоприемное устройство, кодовую шкалу и блок обработки сигналов с фотоприемного устройства. Для преобразования линейного перемещения все поле кодовой шкалы разбивается на линейные дорожки, каждая из которых несет свое весовое значение о величине перемещения. При считывании информации с кодовой шкалы считывающие элементы располагаются по прямой, перпендикулярной к линейным кодовым дорожкам. При перемещении шкалы считывающие элементы фиксируют под ними коды нулей и единиц. Считывание информации с кодовой шкалы может приводит к большим ошибкам, так как при двоичной кодовой шкале два соседних числа могут различаться значениями всех своих разрядов. Минимальная дискретность измерений линейных перемещений по прототипу определяется линейными размерами ее младшего разряда кодовой шкалы линейки. Увеличение диапазона измерений линейных перемещений влечет за собой увеличение количества нанесенных на линейку кодовых разрядов. Как уменьшение дискретности линейных измерений, так и увеличение диапазона линейных измерений вызывают как существенные технологические трудности изготовления линейки с кодовой шкалой, так и трудности съема информации. Недостатком известного ФЭПП является высокая трудоемкость изготовления линейки с кодовой шкалой для измерения больших расстояний и сложность съема достоверной информации с нее. Цель изобретения упрощение, достоверность и надежность работы ФЭПП. Указанная цель достигается тем, что ФЭПП, содержащем оптически сопряженные источник излучения, объектив, линейку с кодовой шкалой, фотоприемное устройство и блок обработки сигналов, кодовая шкала линейки выполнена в виде оптически прозрачных марок, расположенных на линейке с шагом менее половины входной апертуры фотоприемного устройства, и сочетания оптически прозрачных и непрозрачных участков между марками, оптическая плотность которых отлична от оптической плотности марок, а фотоприемное устройство выполнено в виде линейной многоэлементной фоточувствительной линейки (ЛФЭ), соединенной с блоком обработки сигналов, состоящим из формирователя видеосигнала, источника опорных напряжений, четырех ключей, двух компараторов, формирователя одиночных импульсов, трех делителей частоты, четырех триггеров, двух счетчиков импульсов, сдвигового регистра и элемента ИЛИ, в котором первый выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых соединены с выходами источника опорных напряжений, выход первого компаратора соединен с первым входом формирователя одиночных импульсов, выход второго компаратора соединен с первым входом сдвигового регистра, второй выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого триггеров, первым входом первого счетчика импульсов и вторым входом формирователя одиночных импульсов, третий выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого ключей, выход четвертого ключа соединен с первым входом второго счетчика импульсов, выход первого ключа соединен с первым входом первого делителя частоты, выход формирователя одиночных импульсов соединен с первыми входами элемента ИЛИ, второго и третьего делителей частоты, вторыми входами второго триггера, первого делителя частоты и сдвигового регистра, выход которого соединен с вторым входом второго счетчика импульсов, выход третьего делителя частоты соединен с вторыми входами первого, третьего и четвертого триггеров и третьими входами второго счетчика импульсов, выход первого делителя частоты соединен с третьими входами второго и третьего триггеров, выхода второго и третьего триггеров соединены и вторыми входами соответственно первого и третьего ключей, выход третьего ключа соединен с вторым входом делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего делителя частоты и третьим входом сдвигового регистра, выход элемента ИЛИ соединен с третьим входом первого триггера, выход которого соединен с вторым входом второго ключа, выход второго ключа соединен с вторым входом первого счетчика импульсов, выход которого соединен с третьим входом четвертого триггера и вторым входом элемента ИЛИ, выход четвертого триггера соединен с вторым входом четвертого ключа. Упрощение предлагаемого ФЭПП вытекает из следующего. Разрешающая способность линейки, изготовленной по прототипу, определяется геометрическими размерами младшего разряда линейки с кодовой шкалой, последующее нанесение разрядов увеличивает диапазон измерений ФЭПП и все разряды линейки являются измерительными и, следовательно, требуют одинаковой точности их нанесения и взаимного расположения. Размещающая способность предлагаемого ФЭПП определяется геометрической величиной ячейки фотоприемного устройства и точностью выполнения шага марок. Код местоположения марки не является непосредственно измерительным и не влияет на точность измерений. Точность нанесения кода определяется лишь возможностью снятия информации о нем. Следовательно, снижение точности упрощает изготовление кодовой линейки, направляющих перемещения, индикаторной головки включающий в себя источник излучения, объектив и фотоприемное устройство. Минимальный геометрический размер прозрачной и непрозрачной частей, располагающихся в промежутках между марками определяется величиной промежутка между марками, входной апертурой ЛФЭ и числом разрядов кода местоположения марки, в котором отражено целое число шагов марок, расположенных до начала ЛФЭ. Измерение на участке кодовой линейки менее одного шага производится с дискретностью геометрической величины ячейки ЛФЭ. Повышение достоверности и надежности работы ФЭПП обеспечивается упрощением регулировки и юстировки его, взаимозаменяемостью линеек и индикаторных головок, устойчивостью параметров ФЭПП и сохранением точности измерений при износе подвижных частей, это характеризует надежность и долговечность работы. На фиг. 1 показана функциональная схема фотоэлектрического преобразователя положения; на фиг.2 одно из фиксированных положений линейного многоэлементного фотоприемного устройства относительно линейки и сигналы на элементах блока обработки сигналов; на фиг.3 механизм выполнения марок и кода их местоположения на линейке. Фотоэлектрический преобразователь положения (фиг.1) содержит оптические сопряженные между собой источник излучения 1, объектив 2, неподвижную, в рассматриваемом варианте, линейку 3 с кодовой шкалой, выполненной в виде оптически прозрачных марок, расположенных с шагом менее половины входной апертуры фотоприемного устройства 4 и сочетания оптически прозрачных и непрозрачных участков между марками, оптическая плотность которых отлична от оптической плотности марок и фотоприемное устройство, выполненное в виде многоэлементной фоточувствительной линейки, например, линейного прибора с зарядовой связью (ПЗС), соединенный с блоком 5 обработки сигналов с входящим в него формирователем 6 видеосигнала, первый выход которого соединен с первыми входами первого 7 и второго 8 компараторов, вторые входы компараторов 7 и 8 соединены с выходами источника 9 опорных напряжений, выход компаратора 7 соединен с первым входом формирователя 10 одиночных импульсов, выход компаратора 8 соединен с первым входом сдвигового регистра 11, второй выход формирователя 6 видеосигнала соединен с первыми входами первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 триггеров, первым входом первого счетчика 16 импульсов и вторым входом формирователя 10 одиночных импульсов, третий выход формирователя 6 видеосигнала соединен с первыми входами первого 17, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 ключей, выход четвертого ключа 20 соединен с первым входом второго счетчика 21 импульсов, выход первого ключа 17 соединен с первым входом первого делителя 22 частоты, выход формирователя 10 одиночных импульсов соединен с первым входом элемента ИЛИ и вторыми входами второго триггера 13, первого делителя 22 частоты и первыми входами второго 24 и третьего 25 делителей частоты, выход третьего делителя 25 частоты соединен с вторыми входами первого 12, третьего 14 и четвертого 15 триггеров, третьим входом второго счетчика 21 импульсов, выход сдвигового регистра 11 соединен с вторым входом второго счетчика 21 импульсов, выход первого делителя 22 частоты соединен с третьими входами второго 13 и третьего 14 триггеров, выходы второго 13 и третьего 14 триггеров соединены с вторыми входами соответственно первого 17 и третьего 19 ключей, выход третьего ключа 19 соединен с вторым входом второго делителя 24 частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего делителя 25 частоты и третьим входом сдвигового регистра 11, выход элемента ИЛИ 23 соединен с третьим входом первого триггера 12, выход которого соединен с вторым входом второго ключа 18, выход второго ключа 18 соединен с вторым входом первого счетчика 16 импульсов, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 23 и третьим входом четвертого триггера 15, выход которого соединен с вторым входом четвертого ключа 20. Работает ФЭПП следующим образом. При перемещении индикаторной головки, элементы 1, 2, 4, относительно неподвижной кодовой линейки 3 на фоточувствительных ячейках ЛФЭ, например, прибора с зарядовой связью (ПЗС) формируются заряды в соответствии с оптически прозрачными марками и оптически прозрачными и непрозрачными участками между марками, несущими информацию о местоположении марок и взаимоположении ПЗС и кодовой линейки (фиг.2). Марки, коды местоположения марок и видеосигнал от них показаны условно для рассматривания принципа работы ФЭПП. Заряды ПЗС преобразуются формирователем 6 в видеосигнал (фиг.2, а), отражающий оптически прозрачные марки, имеющий большую амплитуду напряжения по отношению к сигналам оптически прозрачных участков между марками. С первого выхода формирователя 6 видеосигнал подается на входы первого 7 и второго 8 компараторов на другие их входы от источника напряжений 9 подаются опорные напряжения разной величины U₀₁, U₀₂, позволяющие селектировать сигналы от марок и от кодов местоположения марок по амплитуде напряжения. В результате селекции на выходе компаратора 8 формируются импульсные последовательности от полного видеосигнала (фиг.2,г). На выходе компаратора 7 формируются сигналы от марок линейки (фиг.2,д). Со второго выхода формирователя 6 видеосигнала одиночный импульс (фиг.2, б) соответствующий, например, сигналу затвора разрешающего (U_зр) для ПЗС (К 1200 ЦЛ 1), устанавливает исходное состояние формирователя 10 одиночных импульсов, первого триггера 12 (фиг.2,л), управляющего вторым ключом 18, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 триггеров и записывает в первый счетчик 16 импульсов число N, установленное на его входах (замыканием на "корпус" и +U_и.п., D-входы счетчиков) на фиг.1 не показано. Записанное N число соответствует числу дискретности, укладывающихся в геометрический размер шага марок I. На вторые входы первого 17, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 ключей подают тактовые импульсы (ТИ) с третьего выхода формирователя 6 видеосигнала, соответствующего сигналу третьей фазы (U_фз) ПЗС (К 1200 ЦЛ1) (фиг. 2,в). Для взаимного расположения линейки с кодовой шкалой 3 и многоэлементного фотоприемного устройства (ПЗС) 40 показанного на фиг.2, шаг марок I равен I I_x + I _изм где I_x расстояние, равное смещению начала ПЗС от начала линейки или от начала марки; I_изм расстояние измеренное от начала ПЗС до начала первой марки. Число N равно сумме двух чисел N N_x + N_изм. где N_x число дискретностей, укладывающихся в расстоянии I_x; N_изм. число дискретностей, укладывающихся в измеряемом расстоянии I_изм. Начало линейки 3 и начало первой ячейки ЛФЭ 4 должны быть совмещены. Начальным импульсом опроса ПЗС (фиг.2,б) выход первого триггера 12 устанавливается в единичное состояние (фиг.2,л), которое размещает прохождение ТИ через второй ключ 18 на вычитающий вход реверсивного счетчика 16 импульсов (фиг.2,м). По приходу первого импульса с первого компаратора 7 (фиг.2,д) срабатывает формирователь 10 одиночных импульсов и вырабатывает на выходе короткий по дальности импульс (фиг.2,ж), который пройдя элемент ИЛИ 23 сбрасывает первый триггер 12, запрещая прохождение ТИ на вход первого счетчика 16 импульсов через второй ключ 18. Импульсом с выхода формирователя 10 одиночных импульсов сбрасывается в нулевое состояние первый 22, второй 24, третий 25 делители частоты и сдвиговый регистр 11 и устанавливается в единичное состояние второй триггер 13 (фиг. 2, р), разрешающий прохождение ТИ через первый ключ 17 на вход первого делителя 22 частоты. Восьмым импульсом с выхода первого делителя 22 частоты (фиг.2,с) сбрасывается второй триггер 13 (фиг.2,р) и устанавливается в единичное состояние третий триггер 14 (фиг.2,т), разрешая своим выходным уровнем прохождение ТИ через третий ключ 19 на вход второго делителя 24 частоты. На выходе второго делителя 24 частоты вырабатывается импульсная последовательность с делением входных ТИ на 16 (фиг.2,е), которая поступает на сдвиговый регистр 11, на другой его вход поступает последовательность импульсов с выхода второго компаратора 8 (фиг.2,г). Импульсы на выходе второго делителя 24 частоты (фиг.2,е) по длительности меньше чем импульсы на выходе второго компаратора 8 (фиг.2,н) и совмещены по времени, приблизительно со срединой их. Число импульсов на выходе второго делителя 24 частоты (фиг.2,е) соответствует числу разрядов двоично-десятичного кода местоположения марок. Для нашего случая таких разрядов 24. Информация с выхода второго компаратора 8 (фиг.2,г) с помощью выходных импульсов со второго делителя 24 частоты занесется в сдвиговый регистр 11. Импульсная последовательность с выхода второго делителя 24 частоты (фиг.2,е) поступает на вход третьего делителя 25 частоты с коэффициентом деления 24 (фиг.2,и), 24-ым импульсом на выходе третьего делителя 25 частоты информация с выхода сдвигового регистра 11 в параллельном коде занесется во второй счетчик 21 импульсов по D-входам. Этим же импульсом сбрасывается третий триггер 14 (фиг.2,т) и устанавливаются в единичное состояние первый триггер 12 (фиг.2,л) и четвертый триггер 15 (фиг.2,н). В результате чего второй ключ 18 пройдет ТИ (фиг.2,м) на вход первого реверсивного счетчика 16 импульсов и через четвертый ключ 20 пройдут ТИ (фиг.2,п) на вход второго счетчика 21. Количество поступивших ТИ на входы счетчиков равно N_x дискретностей и последним импульсом N_x дискретности с выхода реверсивного первого счетчика 16 (сигнал "Заем") (фиг. 2,к) первый 12 и четвертый 15 триггера сбрасываются, запрещая прохождение ТИ через второй 18 и четвертый 20 ключи на входы первого 16 и второго 21 счетчиков импульсов ТИ. В счетчике 25 импульсов информация о коде местоположения марки ранее занесенная в параллельном коде с сдвигового регистра 11 уже была занесена и к ней и по его счетному входу с выхода четвертого ключа поступит N_x импульсов (дискретностей), соответствующих расстоянию I_x. Таким образом во вором счетчике 21 импульсов сосредоточивается полная информация о местоположении измерительной головки. Шаг выполнения марок менее половины входной апертуры ЛФЭ необходим для снятия информации о местоположении марки при любом положении измерительной головки. Использование в ФЭПП линейной многоэлементной фоточувствительной линейки ПЗС типа К 1200 ЦЛ1 с выходной апертурой 15 мкм и дискретностью ячейки 15 мкм позволяет выбрать шаг марок. I 6 мм (0,4 входной апертуры ПЗС). Выбранный шаг марок соответствует 400 ячейкам ПЗС. Марка и 24 разряда кода составляют 25 секторов на одном шаге. Каждому сектору соответствует 400/2516 ячеек ПЗС. Ширина одного сектора 16 яч. х 15 мкм0,24 мм. Механизм выполнения марок и кода их местоположения на линейке показан на фиг.3. Для положения 1 ПЗС в ФЭПП измеряется расстояние I_x1. Для положения 2 ПЗС ФЭПП измеряется расстояние I_x2 и суммируется с ним один шаг марок линейки, код которого размещен после второй марки. Для положения 3 ПЗС в ФЭПП измеряется расстояние I_x3 и суммируется с ним два шага марок линейки, код которых размещен после третьей марки. Третий и четвертый шаг марок линейки показан более подробно с указанием размеров, младших и старших разрядов двоично-десятичного кода. Коды местоположения марок находятся справа от марки для указанной линейки. Код местоположения 1-й марки 000000 2-ой марки 000006 3-ей марки 000012 4-ой марки 000018 5-ой марки 000024 6-ой марки 000030 и т.д. Расположение кода справа от марки обеспечивает измерение расстояния I_x I I_изм и снятие информации о местоположении марки (кода). Если в апертуру ПЗС попадают два целых шага и I_x 0, то код местоположения марки определяется по первому шагу. При изменении шага марок на линейке будет изменяться и код местоположения их. Блок обработки сигналов можно реализовать на следующих элементах. В формирователе 6 видеосигнала формируются сигналы (импульсные и постоянные) для работы ПЗС (К 1200 ЦЛ1). Импульсные сигналы первой U_ф1, второй U_ф2, третьей U_ф3, фотозатвора U_зф, разрешающего затвора U_зр, затвора сброса U_зR и усиления видеосигнала можно реализовать по известным схемам. Компараторы 7, 8 можно выполнить на МС К 554 СА3. Формирователь 10 одиночных импульсов (ФОИ) можно выполнить на RS-4триггере и схеме И. Вначале ФОИ по R-входу сбрасывается (исходное состояние). Импульс с первого компаратора 7 поступает на S-вход RS-триггера и на вход схемы И. На другой вход схемы И подается разрешающий потенциал с инверсного выхода RS-триггера. При опрокидывании RS-триггера по S-входу на инверсном выходе его формируется запрещающий уровень для элемента И и на выходе формируется малой длительности одиночный импульс. На последующие поступления импульсов на S-вход формирования импульсов не происходит. Последнее формирование одиночного импульса возможно после сброса RS-триггера, т.е. подачи сигнала (рис.2,б). ФИО работает по принципу "защелки". В качестве ключей 17, 18, 19, 20 возможно применение элементов 2И-НЕ МС 155 ЛА3. В качестве триггеров 12, 13, 14, 15, возможно применение Д-триггеров К 155 ТМ 2, используя входы R, S, C и подсоединяя Д-входы к шинам "корпус" и "+U_и.п.". В качестве делителей 22, 24, 25 частоты возможно применение МС двоичных реверсивных счетчиков МСК 155ИЕ7. Предварительно в делитель 22 частоты на 8 (счетчик К 155 ИЕ 7) записывается число 8 и далее происходит досчет до 16 и на выходе используется сигнал переноса "Р". В качестве делителя 25 частоты на 24 можно использовать, например, два последовательно соединенных счетчика К 155 ИЕ7 с предварительной записью числа по Д-входам "В" младшего разряда и "4" и "8" старшего разряда и досчета до 24 с выходным сигналом перенос "Р". В качестве счетчиков 16, 21 можно использовать реверсивные счетчики К 155 ИЕ6. В качестве сдвигового регистра 11 можно использовать МС сдвиговые регистры К 155 ИР13. В качестве элемента ИЛИ 23 можно использовать МСК 155 ЛИ1. Возможно выполнение ФЭПП и на других сериях и типах МС. При изготовлении ФЭПП под конкретные серии МС необходимо учитывать полярность подаваемых на входы импульсов и уровней напряжения и при необходимости включать в эти цепи инвеpторы. Конструктивное упрощение ФЭПП и его кодовой линейки, снижении требований высокой точности нанесения оптических прозрачных и непрозрачных участков кода местоположения марок, снижение требований высокой точности изготовления подвижных частей кодовой линейки и индикаторной частей кодовой линейки и индикаторной головки позволяет изготавливать линейки для измерения больших расстояний, при этом повышается достоверность и надежность преобразования.

Формула изобретения

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ, содержащий оптически сопряженные источник излучения, объектив, кодовую шкалу, фотоприемное устройство и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью упрощения повышения достоверности и надежности преобразования, кодовая шкала линейки выполнена в виде линейки с оптически прозрачными марками, расположенными на линейке с шагом менее половины входной апертуры фотоприемного устройства, и кодовых групп, расположенных между марками и состоящих из оптически прозрачных и непрозрачных участков, оптическая плотность прозрачных участков которых отлична от оптической плотности марок, фотоприемное устройство выполнено в виде многоэлементной фоточувствительной линейки, соединенной с блоком обработки сигналов, выполненным в виде формирователя видеосигнала, источника опорных напряжений, четырех ключей, двух компараторов, формирователя одиночных импульсов, трех делителей частоты, четырех триггеров, двух счетчиков импульсов, сдвигового регистра и элемента ИЛИ, в котором первый выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых соединены с выходами источника опорных напряжений, выход первого компаратора соединен с первым входом формирователя одиночных импульсов, выход второго компаратора соединен с первым входом сдвигового регистра, второй выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого триггеров, первым входом первого счетчика импульсов и вторым входом формирователя одиночных импульсов, третий выход формирователя видеосигнала соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого ключей, выход четвертого ключа соединен с первым входом второго счетчика импульсов, выход первого ключа соединен с первым входом первого делителя частоты, выход формирователя одиночных импульсов соединен с первыми входами элемента ИЛИ, второго и третьего делителей частоты, вторыми входами второго триггера, первого делителя частоты и сдвигового регистра, выход которого соединен с вторым входом второго счетчика импульсов, выход третьего делителя частоты соединен с вторыми входами первого, третьего и четвертого триггеров и третьим входом второго счетчика импульсов, выход первого делителя частоты соединен с третьими входами второго и третьего триггеров, выходы второго и третьего триггеров соединены с вторыми входами соответственно первого и третьего ключей, выход третьего ключа соединен с вторым входом второго делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего делителя частоты и третьим входом сдвигового регистра, выход элемента ИЛИ соединен с третьим входом первого триггера, выход которого соединен с вторым входом второго ключа, выход второго ключа соединен с вторым входом первого счетчика импульсов, выход которого соединен с третьим входом четвертого триггера и вторым входом элемента ИЛИ, выход четвертого триггера соединен с вторым входом четвертого ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3