УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОФОКУСИРОВКИ

Полезная модель относится к области автоматизации производственных технологических процессов и предназначена для контроля положения верхней плоскости контролируемого изделия относительно исполнительных механизмов технологического оборудования.
Под изделиями понимаются различные объекты, обладающие плоскостной геометрией (подложки, пластины, параллелепипеды и т.д.), подлежащие точному позиционированию в исполнительных механизмах технологического оборудования. Под исполнительными механизмами технологического оборудования понимаются технологические установки, такие как системы обработки поверхности изделия (граверы, маркеры и т.д.), системы считывания информации (фото и видеокамеры, микроскопы и т.д.) и другие системы, накладывающие высокие требования к пространственному позиционированию контролируемого изделия.
Известно техническое решение, используемое в устройствах серии optoNCD компании «micro-epsilon» (http://www.micro-epsilon.com/displacement-position-sensors/laser-sensor/optoNCDT_2300_basic/index.html). основанное на принципе оптической триангуляции. Портативные приборы серии optoNCDT представляют собой датчик со встроенным излучателем и фотоприемником, регистрирующим отраженный сигнал от поверхности изделия. Достоинствами этих приборов являются малые габариты (в среднем 100X100X20 мм), малый вес (в среднем от 100 до 200 г), а так же высокое быстродействие (до 750 Гц) и высокая точность измерений (до 0,075 мкм).
Недостатком известного технического решения является поточечное измерение дистанции, вследствие чего возникает необходимость перемещения датчика относительно поверхности изделия для определения других координат точек плоскости с целью дальнейшего определения положения плоскости изделия в пространстве, а так же отсутствие возможности контроля углового положения контролируемого изделия
Известно техническое решение, используемое в устройствах MICROVIEW-F WAVY-F компании «Sciences et Techniques Industrielles de la Lumière» Франция (http://www.stilsa.com). В основе технического решения лежит принцип конфокальной хроматической микроскопии, который заключается в привязке фокального пятна оптического излучения с определенной длиной волны к определенному слою, вследствие чего при спектральном анализе отраженного происходит восстановление топографии контролируемого объекта.
Недостатками этого технического решения являются низкое быстродействие (менее 10 измерений в секунду) и относительно большие габаритные размеры устройства, что увеличивает сложность монтажа при интеграции его с исполнительными механизмами технологического оборудования.
Известно техническое решение, представленное в системе автофокусного позиционирования (Патент US №6621060, «Autofocus feedback positioning system for laser processing», МПК B23K 26/04, опубликовано 02.10.2003), выбранное в качестве прототипа. Система включает в себя источник структурного освещения, оптическую систему для формирования структурного освещения, падающего наклонно, делитель пучка, лазерное устройство, выполненное формирующим луч для обработки изделия, объектив для фокусировки луча для обработки изделия, платформа для размещения контролируемого изделия с перемещением вдоль вертикальной оси, и камеру регистрации оптического сигнала.
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности контроля углового положения контролируемого изделия, что в свою очередь приводит к уменьшению быстродействия системы, за счет необходимости контроля положения контролируемого изделия каждый раз при изменении положения контролируемого изделия.
Перед авторами ставилась задача разработать устройство, позволяющее контролировать положение изделия с плоскостной геометрией, которое может взаимодействовать с исполнительными механизмами технологического оборудования, использующими привязку к плоскости, такие как лазерные граверы, лазерные маркеры и т.д.
Поставленная задача решается тем, что устройство контроля положения плоскости изделия для систем автоматического позиционирования включающее контролируемое изделие, первый источник структурного освещения, формирующий на контролируемом изделии первую световую измерительную линию, детектор изображения, блок позиционирования контролируемого изделия, блок коррекции положения контролируемого изделия, платформу для размещения контролируемого изделия, оснащенную электромеханическим приводом перемещения вдоль вертикальной оси, дополнительно содержит второй источник структурного освещения, выполненный формирующим на контролируемом изделии вторую световую измерительную линию перпендикулярно к первой световой измерительной линии, а платформа для размещения контролируемого изделия выполнена оснащенной электромеханическим приводом наклона в двух плоскостях и электрически связана с блоком коррекции положения контролируемого изделия, блок позиционирования контролируемого изделия выполнен содержащим узел формирования структуры базисной сетки, узел калибровки, и узел контроля положения контролируемого изделия, причем узел формирования структуры базисной сетки выполнен формирующим базисную сетку центрально-симметричной для сравнительного анализа положения измерительных линий блоком позиционирования контролируемого изделия, узел калибровки выполнен задающим совмещение положения световых измерительных линий относительно центральных линий базисной сетки и определяющим положения базовых измерительных осей X, Y, Z, узел контроля положения контролируемого изделия выполнен определяющим координату положения контролируемого изделия вдоль вертикальной оси в соответствии с формулой z=x·tanα, где α - угол падения лучей первого и второго источников структурного освещения на плоскость контролируемого изделия относительно оси Z, x-продольное смещение точки пересечения измерительных линий от центра базисной сетки, и определяющим углы наклона контролируемого изделия по формулам Ω=Ψ, при Ω≤α, θ=φ, при θ≤α, где Ω и θ - углы наклона плоскости контролируемого изделия относительно X и Y базовых измерительных осей соответственно, а Ψ и φ - углы отклонения первой и второй измерительных линий от продольных и поперечных линий базисной сетки линий соответственно, далее детектор изображения оснащен тилт-объективом наклонного поля зрения.
Технический эффект заявляемого устройства контроля положения плоскости изделия для систем автофокусировки заключается в обеспечении контроля положения изделия в трех плоскостях, в увеличении быстродействия, в упрощении монтажа устройства, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства контроля положения плоскости изделия для систем автофокусировки, где 1 - контролируемое изделие, 2 - первый источник структурного освещения, 3 - первая световая измерительная линия, 4 - второй источник структурного освещения, 5 - вторая световая измерительная линия, 6 - детектор изображения, 7 - платформа для размещения контролируемого изделия, 8 - блок коррекции положения контролируемого изделия, 9 - блок позиционирования контролируемого изделия, 10 - узел калибровки, 11 - узел формирования структуры базисной сетки, 12 - узел контроля положения контролируемого изделия.
На фиг 2. Представлены эскизы изображений, регистрируемых детектором изображения 6 при различных положениях контролируемого изделия.
Фиг 2а Объектная плоскость контролируемого изделия соответствует нулевому (эталонному) положению (Ω=0, θ=0, Z=0) контролируемого изделия, где 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия, 13 - базисная сетка.
Фиг 2b Объектная плоскость контролируемого изделия находится ниже нулевого (эталонного) положения. 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия, 13 - базисная сетка.
Фиг 2c Объектная плоскость контролируемого изделия находится выше нулевого (эталонного) положения. 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия 13 - базисная сетка.
Фиг 2d Объектная плоскость контролируемого изделия наклонена относительно нулевого (эталонного) положения вокруг оси x. 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия, 13 - базисная сетка.
Фиг 2e Объектная плоскость контролируемого изделия наклонена относительно нулевого (эталонного) положения вокруг оси y. 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия, 13 - базисная сетка.
Фиг 2f Объектная плоскость контролируемого изделия наклонена относительно нулевого (эталонного) положения вокруг осей x и y. 3 - первая световая измерительная линия, 5 - вторая световая измерительная линия, 13 - базисная сетка.
Принцип работы заявляемого устройства контроля положения плоскости изделия для систем автофокусировки можно пояснить на примере контроля положения плоскости контролируемого изделия 1. Первый источник структурного освещения 2 формирует на контролируемом изделии 1 первую световую измерительную линию 3, второй источник структурного освещения 4 формирует на контролируемом изделии 1 вторую световую измерительную линию 5 перпендикулярно к первой световой измерительной линии 3 попадающие в поле зрение детектора изображения 6. Платформа для размещения контролируемого изделия 7, на которой располагается контролируемое изделие 1 оснащена электромеханическим приводом перемещения вдоль вертикальной оси и оснащена электромеханическим приводом наклона в двух плоскостях и электрически связана с блоком коррекции положения контролируемого изделия 8.
Блок позиционирования контролируемого изделия 9 выполнен содержащим узел калибровки 10, узел формирования структуры базисной сетки 11, и узел контроля положения контролируемого изделия 12.
Узел калибровки 10, входящий в состав блока позиционирования контролируемого изделия 9 выполнен задающим совмещение положения первой световой измерительной линии 3 и второй световой измерительной линии 5 относительно центральных линий базисной сетки 13 и определяющим положения базовых измерительных осей X, Y, Z. Базисная сетка 13 формируется узлом формирования структуры базисной сетки 11, который выполнен формирующим базисную сетку центрально-симметричной для сравнительного анализа положения измерительных линий блоком позиционирования контролируемого изделия 9.
Узел контроля положения контролируемого изделия 12, входящий в состав блока позиционирования контролируемого изделия 9 обрабатывает изображение, регистрируемое детектором изображения 6, и определяет смещение положения первой световой измерительной линии 3 и второй световой измерительной линии 5 относительно центральных линий базисной сетки 13. Узел контроля положения контролируемого изделия 12 выполнен определяющим координату положения контролируемого изделия вдоль вертикальной оси в соответствии с формулой
z=xtanα,
где α - угол падения лучей первого источника структурного освещения 2 и второго источника структурного освещения 4 на плоскость контролируемого изделия 1 относительно оси Z, x - продольное смещение точки пересечения измерительных линий от центра базисной сетки 13, и определяющим углы наклона контролируемого изделия 1 по формулам
Ω=Ψ, при Ω≤α
θ=φ, при θ≤α
где Ω и θ - углы наклона плоскости контролируемого изделия относительно X и Y базовых измерительных осей соответственно, а Ψ и φ - углы отклонения первой световой измерительной линии 3 и второй световой измерительной линии 5 от продольных и поперечных линий базисной сетки 13 линий соответственно. Результатом является формирование координат смещения контролируемой плоскости изделия, которые поступают на вход блока коррекции положения изделия 8.
Блок коррекции положения изделия 8 формирует управляющие сигналы для приводов платформы для размещения контролируемого изделия 7.
Платформа для размещения контролируемого изделия 7 под действием управляющих сигналов, сформированных блоком коррекция положения изделия 8 изменяет положение в пространстве таким образом, чтобы скомпенсировать отклонение контролируемого изделия 1, размещенного на платформе для размещения контролируемого изделия 7, и установить координаты положения контролируемого изделия 1 равным требуемым значениям.
Возможность контроля положения контролируемого изделия в трех плоскостях достигается за счет применения второго источника структурного освещения 4, создающего световую измерительную линию 5, расположенную перпендикулярно первой световой измерительной линии 3. С математической точки зрения две прямые в трехмерном пространстве однозначно определяют пространственное положение плоскости, таким образом, положение двух измерительных линий однозначно определяет положение объектной плоскости контролируемого изделия 1 в пространстве. Одного изображения (кадра) регистрируемого детектором изображения 6 достаточно для полного определения положения объектной плоскости контролируемого изделия 1 и его коррекции. Увеличение быстродействия устройства контроля положения плоскости изделия для систем автоматического позиционирования происходит за счет совмещения объектной плоскости контролируемого изделия с базисной плоскостью, так как по сравнению с прототипом нет необходимости повтора измерений при перемещении контролируемого изделия в пределах базовой плоскости, которое происходит в исполнительных механизмах технологического оборудования.
В отличие от прототипа, в котором объективом для детектора изображения служит объектив исполнительного лазера, в предлагаемом устройстве детектор изображения 6 оснащен собственным тилт-объективом наклонного поля зрения, что позволяет избежать необходимости внедрения дополнительных элементов, в том числе детектора изображения 6 в оптический тракт исполнительного устройства. Таким образом, использование камеры, оснащенной тилт-объективом наклонного поля зрения позволяет увеличить мобильность устройства контроля положения плоскости контролируемого изделия для систем автофокусировки за счет упрощения монтажа при интеграции данного устройства с исполнительными механизмам технологического оборудования.