Фотоэлектрическое устройство для автоматического измерения перемещений

Фотоэлектрическое устройство для автоматического измерения перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(61j дополиительиое к авт. евид-в) (22) Зайвлеио 01.0376 (21) 2328878/18-28 с присоедииеиием аайвии,яй (23) Приоритет ()пу ликовацо150479. Я оллетець Я 14

Дата опубликований описаиин 150479 (ЬЦ t ai. Ea а 01 В, 11/26

Государствеииый комитет

СССР по делам изобретений и открытий (63) УДК 531.715:

:531.74(088.8) В.д. Вольперт и И.Г. Богуславский (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО

ИЗМЕРЕНИН ЦЕРЕИИЦЕНИЙ

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для автоматического измерения линейных и угловых перемещений с высокой точностью в достаточно широком диапазоне измерений.

Известны фотоэлек рические устройстваа, н апример ав то колли мат оры, позволяющие измерять углы в диапазоне нескольких минут (т5 — 10 )с погрешностью 0,5-2 (1).

Однако отношение погрешности к диапазону измеряемых углов у таких устройств не удается получить менее 15

0,061, причем чем шире диапазон измерения, тем ниже точность. У других измерительных приборов, например фотоэлектрических микроскопов для измерения штриховых мер, это соотно- @1 шение того же порядка. В настоящее время в метрологии, станкостроении и приборостроении необходимо производить измерение длин и углов в диапазоне до нескольких миллиметров и минут с погрешностью соответственно

0,5 мкм и 0,1".

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является фотоэлектрическое устройст- О во для автоматического измерения перемещений, которое содержит вибратор со щелью, интегрирующий усилитель и генератор опорного напряжения, подключенные через сумматор к катушке вибратора, последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход — c входом интегрирующего усилителя, и отсчетный прибор, присоединенный к выходу интегрирующего усилителя (2).

При помощи этого устройства можно .осуществлять измерение углов в диапазоне 10к с погрешностью порядка 0,1", так что, хотя точность его и достаточна, диапазон измерений слишком ограничен.

Цель изобретения — расширение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в пред- лагаемое устройство введены система следящего сервопривода, содержащая ревсрсивный серводвигатель, каретку с закрепленными на ней концевыми выключателями, кннематически связан.ную с валом серводвигателя, схему выделения сигнала второй гармоники, 65724? подключенную к выходу избирательного усилителя, и два исполнительных реле, через контакты которых серводвигатель подключен к выходу фазовОго детектора, обмотка возбуждения одного реле присоединена к выходу схемы выделения сигнала второй гармоники, а в цепи питания второго реле установлены концевые выключатели и потенциометр, кинематически связанный с валом серводвигателя и подключенный через сумматор к отсчетному прибору. 0

На фиг. 1 изображена блок-схема описываемого устройства; на фиг. 2 схема управления реверсивным серводвигателем.

Фотоэлектрическое устройство для 15 измерения, например, угловых перемещений объекта 1 с зеркалом содержит автоколлиматор 2, в плоскости иэображения объектива которого расположена щель вибратора 3. За вибратоРом Уста- 20 новлен фотоприемник 4, выход которого подключен к входу избирательного усилителя 5, настроенного на основную частоту и связанного с фазовым детектором 6.

Выход фазового детектора соединен с входом интегрирующего усилителя 7, а выход, последнего подключен к одному из входов сумматора 8, ко второму входу которого подключен генератор 9 опорного напряжения. Второй вы- 30 ход усилителя 5 связан через схему 10 выделения сигнала второй гармоники с обмоткой реле 11, которое в исходном невозбужденном состоянии присоединяет выход.фазового детектора че- 35 рез контакты реле 12 к обмотке якоря двигателя 13 постоянного тока, перемещающего через редуктор каретку

14 с установленным на ней вибратором

3. 40

В крайних точках диапазона перемещения каретки установлены два концевых выкяючателя 15 и 16, один иэ которых имеет нормально разомкнутые, а второй — нормально замкнутые кон- 45 такты. На валу двигателя закреплен потенциометр 17, который через сумматор 18 подключен к отсчетному прибору 19.

В схеме управления реверсивного серводвигателя (фиг. 2) показаны место включения и положение контактов 20, 21 и 22 реле 12, а также реле 11 и концевых выключателей 15 и

16.

При измерении линейных перемещений вместо автоколлиматора может быть установлен микроскоп, а вместо зеркала — штриховая мера.

Устройство работает следующим образом. 60

При повороте объекта 1 измерения с жестко закрепленным на нем зеркалом на некоторый угол происходит смещение в фокальной плоскости объектива автоколлимационного изображения относительно центра колебаний щели вибратора 3, которое пропорционально углу поворота объекта.

Периодические колебания щели вибратора 3 относительно изображения марки (штриха) вызывают модуляцию светового потока, который попадая на фотоприемник 4, вызывает появление электрического сигнала. Этот сигнал представляет сумму сигналов различных частот, кратных основной частоте колебаний. Основную информацию в сигнале несут составляющая той же частоты, что и частота колебаний щели (1-я гармоника) и составляющая удвоенной частоты (2-я гармоника).

При совпадении центра колебаний щели с центром изображения марки (штриха) составляющая 1-ой гармоники равна нулю, а вторая гармоника имеет максимальную величину.

При смещении центра изображения марки (штриха) относительно центра колебаний щели 1-я гармоника возрастает от нуля до некоторого значения, а сигнал 2-ой гармоники уменьшается до нуля при выходе изображения из эоны захвата щели вибратора 3.

Составляющая основной частоты, фаза которой зависит от направления смещения, а амплитуда — от величины этого смещения, выделяется и усиливается усилителем 5 и далее поступает на фазовый детектор 6, где преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное углу поворота объекта. Это напряжение подается на обмотку якоря реверсивного двигателя 13 через контакты реле 11. Двигатель осуществляет. через редуктор перемещение каретки 14 с вибратором 3 в любом иэ двух взаимно противоположных направлений.

Например, при движении каретки 14 в сторону концевого выключателя 15 произойдет замыкание этого выключателя и реверсирование электродвигателя, если центр изображения марки оказался первоначально смещенным в противоположную сторону и при перемещении каретки с вибратором центр колебаний щели начал удаляться от центра изображения марки. Благодаря замыканию концевого выключателя 15 происходит возбуждение реле 12, в результате чего его контакты 20, 21 и 22 (фиг. 2) перебросятся во второе положение, обеспечив изменение полярности включения обмотки якоря электродвигателя и, как следствие, изменение его направления вращения, а следовательно, и направления перемещения каретки — теперь в сторону смещения иэображения марки.

Аналогично, если каретка 14 первоначально движется в сторону выключателя 16, а изображение марки находится с противоположной стороны, то, дойдя до выключателя 16, она

6572

Формула изобретения

Фотоэлектрическое устройство для автоматического измерения перемещений, содержащее вибратор со щелью, интегрирующий усилитель и генератор опорного напряжения, подключенные через сумматор к катушке вибратора, последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход — с входом интегрирующего усилителя, и отсчетный прибор, присоединенный к выходу интегрирующего усилителя, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений, в него введены система следящего .сервопривода, содержащая реверсивный серводвигатель, каретку с закрепленными на ней концевыми выключателями, кинематически связанную с валом серводвигателя, схему выделения сигнала второй гармоники, подключенную к выходу избирательного усилителя, и два исполнительных реле, через контакты которых серводвигатель подключен к выходу фазового детектора, обмотка возбуждения одного реле присоединена к выходу схемы выделения сигнала второй гармоники, а в цепи питания второго реле установлены концевые выключатели и потенциометр, кинематически связанный с валом серводвигателя и подключенный через сумматор к отсчетному прибору.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Э.И. Контрольно-измерительная техника Р 39, 1963. (М 237).

2. Богуславский И.Г. и др. Высокочувствительный фотоэлектрический автоколлиматор с автоматическим наведением . ИТ Р б, 1973, с. 25-26. разомкнет его, реле 12 раэвоэбудится, и его контакты 20, 21 и 22 в цепи питания двигателя 13 вернутся в исходное положение, вследствие чего двигатель вновь реверсируется и начинает перемещать каретку 14 в направлении изображения марки. Таким образом, ка- 1 ретка 14 с вибратором 3 всегда будет осуществлять поиск и в конечном итоге смещаться в сторону изображения марки.

Момент захвата изображения марки 10 щелью вибратора. 3 контролируется по появлению сигнала второй гармоники, который возрастает при приближении . центра колебаний щели к центру иэображения марки. Этот сигнал выделяется схемой 10 выделения сигнала второй гармоники и подается на обмотку реле 11, которое через свой контакт разрывает цепь питания двигателя 13, и последний выключается, останавливая каретку 14. Для отсчета перемещения каретки 14 с вибратором 3 на валу двигателя 13 закреплен потенциометр 17, выход которого связан через сумматор 18 с отсчетным прибором 19, например с цифровым вольтметром.

После того, как закончен поиск изображения марки и она находится в зоне захвата щели вибратора 3, но однако не совпадает с нею, включается канал точного наведения. При работе 30 этого канала постоянное напряжение с выхода фазового детектора поступает на вход интегрирующего усилителя 7, выходной сигнал которого суммируется в сумматоре 8 с напряжением перемен- 35 ного тока от генератора 9 опорного напряжения. Далее суммарный сигнал подается на катушку вибратора 3, при помощи которой обеспечивается перемещение щели вибратора до тех пор, 40 пока центр колебаний щели точно не совпадает с центром изображения марки.

Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 5, пропорциональное смещению центра изображения марки относительно щели вибратора в пределах зоны захвата, подается также через сумматор 18 на отсчетный прибор 19.

Таким образом, в рассматриваемом устройстве используется поиск изображения марки при помощи двигателя и точное наведение при помощи компенсатора (вибратора), что позволяет получить высокое быстродействие и исключить автоколебания, которые неизбежны при использовании для точно- 55 го наведения двигателя. Для диапазона измерений углов +10 с испольэоваI нием потенциометра для отсчета перемещения каретки погрешность опреде42 6 ляется точностью работы потенциометра. Для новых оораэцов потенциометров погрешность составляет 0,01%,, так что в диапазоне измерения 10 600 погрешность составит

600 0,0001 = 0,06 (0,3 мкм)

Погрешность точного наведения с испольэовайием вибратора, выполняющего функцию компенсатора, не превышает значения 0,1 (0,5 мкм).

Таким образом, предлагаемое фотоэлектрическое устройство позволяет расширить диапазон измеряемых длин и углов в пределах от 100 мкм до

3 мм и от 20" до 20 при высокой точности измерений с погрешностью соответственно 0,5 мкм и 0,1

Составитель О. Скрипник

Редактор Jl. Батанова Техред-3 .Фанта Корректор М. Демчи к

Заказ 1777/38 Тираж 865 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113635, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4