Способ измерения погрешности положения штрихов круговых шкал и устройство для его осуществления

Способ измерения погрешности положения штрихов круговых шкал и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в оптико-технической промьшленности для аттестации лимбов, кодовых дисков и радиальных растровых решеток . Цель изобретения - повьппение точности измерений. При временной развертке фазы углового положения шкалы фазовое детектирование позволяет выделять из сигналов отсчетного блока 4 результирующий сигнал, по форме которого можно восстановить погрешность штрихов поверяемой шкалы , Текущая амплитуда результиру1ощего сигнала пропорциональна интегралу от разности между частотой, определяемой временной развертной фазы углового положения, о тсчитываемой по шкале, и ускоренной во времени частотой вращения шкалы, принимаемой за эталонную частоту. Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов результирующий сигнал подвергают обработке в блоке 6. Вследствие малых . размеров зоны считывания способ, позволяет регистрировать локальные дефекты материала шкалы в виде царапин и проколов, 2 с.п. ф-лы, 3 з.п. ф-лы, 4 ил. I С/) фие. 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (51)4 (О1 С 1 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ фиг. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий (21) 3933854/24-10 (22) 22.07.85 (46) 30.07.87. Бюл. Ф 28 (71) Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР (72) А. Г. Седухин ,(53) 528.541(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 257947, кл, G 01 С 1/06, 11.12,67.

Авторское свидетельство СССР

Ó 250469, кл. G Ol С 1/06, 11.12.67. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ

ПОЛОЖЕНИЯ ШТРИХОВ КРУГОВЫХ ШКАЛ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в оптико-технической промышленности для аттестации лимбов, кодовых дисков и радиальных растровых решеток. Цель изобретения — повышение точности измерений. При временной развертке фазы углового положения шкалы фазовое детектирование позволяет выделять из сигналов отсчетного блока 4 результирующий сигнал, по форме которого можно восстановить погрешность штрихов поверяемой шкалы. Текущая амплитуда результирующего сигнала пропорциональна интегралу от разности между частотой, определяемой временной разверткой фазы углового положения, отсчитываемой по шкале, и ускоренной во времени частотой вращения шкалы, принимаемой эа эталонную частоту, Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов результирующий сигнал подвергают обработке в блоке 6. Вследствие малых, размеров зоны считывания способ позволяет регистрировать локальные дефекты материала шкалы в виде царапин и проколов. 2 с.п. ф-лы, 3 э.п. ф-лы, 4 ил.

1326886

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к объектам для измерения погрешности положения штрихов круговых шкал„.,и может быть использовано в оптико-технической промьппленности для аттестации лимбов, кодовых дисков и радиальных растровых решеток.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем уменьшения погрешности отсчетного блока, На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2а и 15 фиг, 2б - схемы выполнения опорноизмерительного блока фазового детектирования; на фиг, Эа и фиг ° Зб — варианты выполнения одновходового фазового детектора; на фиг, Зв — при- 20 мер выполнения корректирующего блока; на фиг, 4 — экспериментальные результаты — графики погрешностей одной из аттестованных круговых шкал (кривая 1 представляет собой распре- 25 деление погрешности штрихов круговой шкалы с программной компенсацией первой гармоники; кривая 3 соответствует распределению погрешности диаметров той же шкалы, а кривые 2 и 4 ЗО отображают низкочастотные составляющие соответственно кривых 1 и 3).

Устройство (фиг, 1) содержит двигатель 1 вращения, кинематически соединенный со шпинделем 2, имеющим на торце оправку 3 для закрепления поверяемой круговой шкалы, оптически связываемый с круговой шкалой отсчетный блок 4, опорно-измерительный блок 5 фазового детектирования, блок 40

6 обработки, регистратор 7, а также последовательно соединенные датчик

8 начального положения, кинематически связанный со шпинделем, блок 9 управления и блок 10 радиального перемещения, механически связанный с отсчетным блоком 4, Выход отсчетного блока 4 соединен со входом опорноизмерительного блока 5 и первым входом синхронизации блока 6 обработки, второй вход синхронизации которого подключен к выходу датчика начального положения, Первый выход . опорно-измерительного блока 5 связан со входом управления двигателя

55 вращения, а второй — с информационным входом блока обработки, выход которого связан со входом регистратора, Опорно-иэмерительный блок 5 служит для задания скорости вращения вала двигателя 1 (по первому выходу) и для выявления сигнала, характеризующего погрешность положения штрихов поверяемой шкалы (по второму выходу). В первом варианте (фиг. 2а) опорно-измерительный блок содержит источник 11 опорного напряжения, выход которого служит первым выходом опорно-измерительного блока, и одновходовый фазовый детектор 12, вход и выход которого являются соответственно входом и вторым выходом опор-но-измерительного блока. По второму варианту (фиг. 2б) опорно-измерительный блок содержит последовательно соединенные генератор 13 опорной час" тоты, двухвходовый фазовый детектор

14 и корректирующий блок 15, причем входом опорно-измерительного блока является в горой вход двухвходового фазового детектора 14 а первым и вторым выходами — соответствующие выходы корректирующего блока 15, Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме уровень сигнала на первом выходе опорно-измерительного блока 5 определяет скорость вращения вала двигателя 1 и механически связанных с ним шпинделя 2 и оправы 3 круговой шкалы, Блок 9 управления задает режим работы блока

10 радиального перемещения. Сначала на выходе блока 9 управления устанавливается код числа, соответствующий начальному радиальному положению отсчетного блока 4, определяемому начальным радиусом информационной дорожки аттестуемой шкалы. Блок 10 радиального перемещения, отслеживая заданный код числа, выводит отсчетный блок 4 на заданный радиус, На выходе отсчетного блока появляется сигнал, действительная (мгновенная) изменяющаяся во времени t частота которого определяется временной разверткой фазы () углового положения, отсчитываемой по круговой шкале, и равна где М вЂ” число штрихов круговой шкалы.

Затем блок 9 управления по сигналам датчика 8 начального положения (в пошаговом режиме) изменяет свой выходной код, вынуждая блок 10 мед3 13 ленно перемещать отсчетный блок 4 со скоростью, при которой за время одного оборота круговой шкалы радиальное смещение эоны считывания не превьппает ее радиального размера, В зависимости от задачи. блок 9 управления может задать также режим, при котором на время аттестации блок

10 радиального перемещения фиксирует радиальное положение отсчетного блока 4.

Опорно-измерительный блок 5, осуществляя фазовое детектирование выходного сигнала отсчетного блока 4, выдает на втором выходе сигнал (на пряжения или тока), текущее значение которого в установившемся режиме пропорционально интегралу от разности между действительной и усредненной во времени t частотой сигнала отсчетного блока 4. Интервал T„, времени усреднения определяет степень восстановления (детектирования) гармонических составляющих сигнала, которым промодулирована частота сигнала отсчетного блока 4 ° Приближенно интервал Т„ обратно пропорционален нижней граничной частоте частотнозависимого звена фазового детектирования, входом и выходом которого является вход и второй выход опорноизмерительного блока 5. Амплитудночастотная характеристика указанного звена зависит от динамических параметров образующих его элементов и имеет спад на низких и высоких частотах. В схеме с обратной связью звено фазового детектирбвания помимо опорно-измерительного блока 5 охватывает и другие элементы, в частности двигатель l. За верхнюю и нижнюю граничные частоты принято считать значения частот, соответствующих пересечению амплитудно-частотной характеристики звена и уровня, равного

1/112 Ф 0,707 от уровня амплитудночастотной характеристики звена в среднечастотной области, Для большей точности аттестации круговой шкалы интервал Т„, усреднения задают иэ условия Т >> Т, где Т вЂ” средний период вращения круговой шкалы (очевидно, иначе это условие можно записать как

Jpp ((Q > rye Я =2 /Т вЂ” средняя частота вращения круговой шкалы, а

И, Ф 1/Т„ — нижняя граничная частота звена фазового детектирования).

В этом случае сигнал на втором выхо20

26886 де опорно-измерительного блока 5 будет иметь вид:

U(t)=K )(9 (t) NQ)dt=KN(т(t) — (О) Rtj=KN(. Г(С)-7(0)j, где К вЂ” коэффициент пропорциональности

V (О) и М (t) — соответственно начальная и текущая фазы углового положения, отсчитываемые по круговой шкале; л P(t) — отклонение фазы углового

15 положения, отсчитываемой по круговой шкале, от фазы Ч (t)=Я, линейно изменяющейся íà 2 и радиан за период Т одного оборота круговой шкалы.

В указанном выражении величина

aW(t) представляет собой временную развертку угловой погрешности Ф(9) штрихов круговой шкалы, Поэтому сиг25 нал, определяемый этим выражением, непосредственно характеризует распределение погрешности штрихов пове. ряемой круговой шкалы.

Исходя из .требования неискаженнод0 ro восстановления детектируемого сигнала амплитудно-частотная и фаэо-час1 тотная характеристики звена фазового

"детектирования должны быть равномерными в диапазоне частот от% до пЯ, 35 где n — максимальный наперед заданный номер восстанавливаемой гармонической составляющей распределения погрешнос ти положения штрихов круговой шкалы (обычно достаточно ограничиться

Обязательной составной частью опорно-измерительного блока 5 являются одно или несколько частотно-saвисимых звеньев сравнения, инерцион45 ные элементы которых определяют интервал Т„, временного усреднения и служат, таким образом, косвенными эталонными элементами. При выполнении опорно-измерительного блока 5 по пер50 вому варианту названные частотно-за-. висимые звенья сравнения содержатся в одновходовом фазовом детекторе 12 ° две различные схемы которого представлены на фиг, За и фиг. Зб. Первая схема одновходового фазового детек55 тора 12 (фиг. 3a) содержит последовательно соединенные корректирующие блоки 16, амплитудный детектор 17 и интегрирующее звено 18, Вторая

5 1 3268 схема одновходового фазового детек= тора (фиг.еЗб), отличающаяся повышенной линейностью детектирования сигнала, выполнена по схеме синхрон5 ного детектирования с фазовой автоподстройкой 1 частоты (ФАПЧ) и состоит иэ замкнутых в кольцо двухвходового фазового детектора 19, корректирующего блока 15 и управляемого генератора 20,причем входом и выходом опорно-измерительного блока

5 в этой схеме служат второй вход днухвходового фазового детектора 19 и второй выход корректирующего блока 15, Двухвходовой (дифференциальный) фазовый детектор может быть выполнен на базе аналогового перемножителя сигналов или устройства выборки-хранения, или, наконец, специализированной аналого-цифровой схемы, Интервал Т„ временного усреднения обратно пропорционален нижней граничной частоте (d однонходового фазового детектора 12. В первой схе- 25 ме (фиг. За) частота о, определяется сопрягающей частотой интегрирующего знена 18, а во второй схеме (фиг. Зб) частота ь) зависит от паРаметрон как корректирующего блока

15 (частотно-зависимого звена), так и двухвходового фазоного детектора

19 и управляемого генератора 20. Для последней схемы вариант возможной реализации корректирующего блока с

35 двумя выходами, показанный на фиг. Зв, состоит иэ входного интегрирующего звена 21, к выходу которого подключены первое 22 и второе 23 корректирующие звенья, выходы которых служат первым и вторым выходами корректирующего блока 15. Интегрирующее звено 21 и корректирующее звено 23 предназначены для обеспечения устойчивости и заданных показателей качества схемы с ФАПЧ и получения заданного интервала Т„ временного усреднения, При выполнении опорно-измерительного блока 5 по второму варианту

50 (фиг. 2б) генератор 13 опорной частоты, а также замкнутые s кольцо двухвходовый детектор 14, корректирующий блок 15, двигатель 1, шпиндель

2 с оправой 3 круговой шкалы и от55 счетный блок 4 образуют (как и для фиг, Зб) по отношению к выявляемому сигналу схему синхронного детектирования с ФАПЧ, В этом случае выход86 б ной сигнал отсчетного блока 4 используется в качестве сигнала обратной связи н схеме с ФАПЧ. В отличие от схемы опорно-измерительного блока 5, соответствующей первому варианту (фиг. 2а), н данном случае двигатель

1 упранляется сигналом рассогласования схемы с ФАПЧ, снимаемым с первого выхода корректирующего блока 15 (которое может иметь структуру, аналогичную структуре корректирующего блока для второй схемы (фиг, Зб) одновходового фазового детектора 12 (фиг, Зв).

Сигнал, снимаемый со второго выхода опорно-измерительного блока 5 поступает на информационный вход блока 6 обработки, который по заданной программе производит анализ вводимого сигнала. Для фазоной привязки к угловому положению круговой шкалы блок 6 обработки тактируется сигналами датчика 8 начального положения и отсчетного блока 4 ° Тактирование позволяет определять какому штриху круговой шкалы соответствует текущий уровень сигнала, подаваемого на информационный вход блока 6 обработ" ки. Переработав полученную информацию, блок обработки выдает данные на регистратор 7.

Сигнал на втором выходе опорноиэмерительного блока 5 фазового детектриронания оказывается искаженным гармоническими составляющими момента сопротивления вращению вала двигателя (шпинделя), которые дейст вуют на систему измерения как возмущения, Последние являются инструментальными погрешностями предлагаемого устройства и обусловлены такими факторами, как, например, неидеальность параметров двигателя 1, статистическая и динамическая неуравновешенность шпинделя 2 и неточность изготовления его подшипников, Таким образом, при временной развертке фазы углового положения круговой шкалы фазоное детектирование позволяет выделять из сигналов отсчетного блока 4 результирующий сигнал, по форме которого можно восстановить погрешности штрихов паве" ряемой шкалы, Текущая амплитуда ре" зультирующего сигнала пропорциональна интегралу от разности между частотой, определяемой временной разверткой фазы углового положения. от30

7 13268 считываемой по шкале, и ускоренной во времени частотой вращения шкалы, принимаемой за эталонную частоту, Предлагаемый способ определения

> 5 погрешности можно назвать частотным компенсационным способом.

Для того, чтобы уменьшить влияние, оказываемое на процесс измерения различными дестабилизирующими факторами (электрические помехи, вибрация и случайные сотрясения установки, и т.п.), результирующий сигнал подвергают обработке в блоке 6.

С помощью блока 6 обработки форми- 15 руют новый сигнал, равный среднему арифметическому отдельных реализаций результирующего сигнала, начальные отсчеты которых производят через интервалы времени, кратные периоду вращения шкалы. В частности, если отсчеты каждый раэ производят через один период оборота шкалы, то сигнал

U (t) на выходе блока 6 обработки будет описываться выражением 25 м

U" () = —,К, U(t-me)

M m= и KN — >y(e mt) — V (O)

M, M где М вЂ” число усреднений результирующего сигнала.

Полученный таким способом сигнал более достоверно отображает погрешности штрихов поверяемой шкалы, так как в результате временного усред35 нения существенно ослабляются компоненты, вносимые в результирующий сигнал дестабилизирующими факторами.

При считывании информации с вращающейся круговой шкалы световой сигнал, воспринимаемый фотоприемником отсчетной системы, пропорционален свертке двух функций — функции, характеризующей распределение козффи45 циента пропускания (отражения) вдоль окружности круговой шкалы, и функции, Описывающей распределение освещенности в зоне считывания. Поэтому на результаты измерений оказывают влияние не только собственно погрешности положения штрихов, но также и конфигурация и размеры зоны считывания. Чтобы снизить проявление неровности края штриха (обусловленной как следствием инструментальных погрешностей установки для нанесения шкал, так и зернистостью материала шкалы и наличием на нем царапин и

86 8 проколов) эа угловое положение штриха Принимают величину, усредненную по его ширине, Для удовлетворения этого условия при проектировании оптической части отсчетной системы требуется сформировать зону считывания в виде узкого прямоугольника, большая сторона которого ориентируется вдоль края штрихов и соответствует их ширине, причем распределение освещенности в зоне считывания должно. быть равномерным. На практике получение указанной идеальной формы зоны считывания сопряжено с трудностью обеспечения равномерности освещенности зоны считывания при большом отношении длины эоны к ее ширине. Прак" тически неравномерность освещенности по длине зоны считывания составляет порядка 15 . Кроме того, профиль штрихов некоторых шкал наклонен по отношению к радиальному направлению или, в худшем случае, отличен от прямолинейного. Для аттестации таких шкал необходима перестройка оптической схемы отсчетного устройства либо замена ее на новую, специализированную.

С целью повышения достоверности измерения погрешности круговых шкал, а также расширения функциональных возможностей, заключающихся в возможности аттестации круговых шкал с произвольным профилем штрихов и выявлении дефектов материала шкалы (царапины, проколы), радиальный По отношению к центру вращения шкалы размер зоны считывания делают существенно меньшим радиальной ширины штрихов (при малых размерах зоны считывания легче обеспечить равномерность ее освещенности), и, перемещая местоположение зоны считывания в радиальном направлении, сканирует профиль штрихов шкалы, Скорость перемещения выбирают такой, чтобы за период одного оборота шкалы радиальное смещение зоны считывания не превышало бы ее радиального размера. Выполкение этого условия гарантирует обеспечение непрерывного (беэ пропусков) сканирования профиля штрихов и получение, таким образом, достоверной информации об угловом положении штрихов. Как и ранее, о погрешностях положения штрихов судят по сигналу, полученному арифметическим усреднением отдельных реализаций результи1326886 рующего сигнала, начальные отсчеты которых производят через интервалы времени, кратные периоду вращения шкалы.

Вследствие малых размеров зоны считывания (порядка 1 мкм и менее) способ позволяет регистрировать локальные дефекты материала шкалы в виде царапин и проколов. Эти дефекты обнаруживаются блоком б обработки как резкие выбросы результирующего сигнала, амплитуды которых существенно превышают среднеквадратичную погрешность положения штрихов поверяемой шкалы.

Достаточно важным является повышение технологичности аттестации шкал, так как независимо от профиля в штрихов при малых размерах зоны считывания не требуется производить юстировку оптической части отсчетного блока (в отличие от других устройств) в соответствии с ориентацией профи ля штрихов. Одновременно упрощается конструкция оптической части отсчетного устройства вследствие возможнос ти использования простых осесимметричных оптических элементов (цилин-дрические линзы не требуются).

В режиме анализа результирующего сигнала блок 6 обработки программно может выделить необходимую информацию. Например, иэ кривой, характеризующей погрешность положения штрихов, нетрудно устранить (используя разложение ее в ряд Фурье) первую гармонику; обусловленную наличием остаточного зксцентриситета центра круговой шкалы по отношению к центру ее вращения. Усреднением диаметрально противоположных отсчетов можно найти погрешности положения диаметров шкалы.

Выделяя резкие выбросы результирующего сигнала, получают информацию о числе и местоположении дефектных участков шкалы и т.п.

Формула и э о б р е т е н и я

1. Способ измерения погрешности положения штрихов круговых шкал, включающий непрерывное вращение поверяемой шкалы, регистрацию маментон прохождения штрихами шкалы зоны считывания и отображение информации, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, перед отабражениЮм информации сравнивают полученный сигнал с усредненным по времени сигналом, выделяют их разностную .астоту и интегрируют ее па нремени.

2 ° Способ по и. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что но время измерений сканируют профиль штрихов, перемещая зону считывания, радиальный размер которой меньше длины штриха в

10 радиальном направлении, причем за время одного поворота зону считывания перемещают на расстояние, меньшее радиального размера поверяемой шкалы, 3. Устройство для измерения погреш, ности положения штрихов круговыХ шкал, 1 содержащее двигатель вр ащения, кинема- . . тически соединенный со шпинделем с оп" ранкой для закрепления круговой шкалы, 2р отсчетный блок, оптически связанный с круговой шкалой и регистратор, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений эа счет уменьшения погрешностей отсчет25 ного блока, оно снабжено опорно-измерительным блоком фаэаного детектирования, блоком обработки, датчиком начального положения, кинематически соединенным са шпинделем, блоком упЗр равления и блоком радиального перемещения, кинематически соединенным с отсчетным блокам, выход датчика начального положения соединен через блок управления с входом блока радиального перемещения и первым входом блока обработки, выход которого соединен с входом регистратора, выход отсчетнога блока соединен с вторым входом блока обработки и входом опорно-измерительного блока фазового детектирования„ первый выход которого соединен с входом двигателя вращения, а второй выход соединен с третьим входом блока обработки.

45 4, Устройство по пе 3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что опорноиэмерительный блок фазового детектирования выполнен в виде однонходоваго фазового детектора и источника

Опарнага напряжения, ВыхОд кОтОрОгО является первым выходом опорно-измерительного блока фазанага детектиро-. вания, а вход и выход одновходонаго фазового детектора являются саответ55 стзенно входам и вторым выходом onopd на-измерительного блока фазового де.тек тир ав ания, 5, Устройстно по п. 3, о т л ичающе е с я тем, что опорно1326886 12 измерительный блок фазового детек- фазового детектирования, выход опортирования выполнен в виде генератора ного генератора соединен с первым опорной частоты, двухвхбдового де- входом двухвходового фазового детектора и корректирующего узла, пер- тектора, выход которого соединен с вый и второй выходы которого являют- входом корректирующего узла, а втося соответственно. первым и вторым рой вход является входомопорно-измеривыходами опорно-измерительного блока тельного блокафаэового детектирования, Дцг. 2

1326886

ЯО Y,граУ.

870

Фиг. 4

Составитель В, Лыков

Редактор А. Ревин Техред Корректор Т, Колб

Заказ 3269/34 Тираж 676 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4