Цифровой измеритель отклонения от прямолинейности и соосности

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля крупногабаритных изделий в машиностроении и других отраслях промышленности. Задача полезной модели - повышение производительности измерений путем сокращения ручных операций, как при измерении, так и при обработке промежуточных результатов измерений. Устройство содержит объектив, фокусирующую линзу с направляющей для перемещения, оборачивающую оптическую систему, оптическую марку с осветителем, цифровую ТВ камеру, установленную в плоскости изображения оборачивающей системы, шаговый привод для программного перемещения фокусирующей линзы, а также соединенный с ТВ камерой и шаговым приводом компьютер для управления и обработки данных. Автоматически по программе производится автоматическая фокусировка изображения оптической марки на матрице ТВ камеры, вычисление увеличения оптической системы по изображению оптической марки, вычисление расстояния до оптической марки, вычисление положения центра оптической марки на матрице, вычисление смещения центра оптической марки в пространстве предметов относительно положения визирной линии и построение протокола и графика отклонений центра оптической марки от базовой прямой для всей трассы измерений. (3 илл.).

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля крупногабаритных изделий (например, станин, направляющих, плит, труб и пр.) в машиностроении и других отраслях промышленности.

Для контроля отклонения от прямолинейности и соосности таких изделий применяются различные метрологические средства, включая рулетки, точные линейки, индикаторы и пр. Наиболее эффективным средством контроля являются оптические визирные измерительные трубы, которые выпускаются как в России («Труба измерительная визирная ППС-11», техническое описание и инструкция по эксплуатации, ЛОМО, 1981 г.), так и за рубежом («Micro Alignment Telescopes», проспект фирмы Taylor Hobson, www.taylor-hobson.com). Эти приборы позволяют измерить смещение оптической марки, устанавливаемой в различных точках на измеряемом изделии, относительно визирной оси прибора.

Основными недостатками данных приборов являются низкая производительность измерений, связанная с большим объемом операция, выполняемых вручную.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели выбирается «Труба измерительная визирная ППС-11» (см. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1981 г., ЛОМО), описанная в книге «Сборка и юстировка оптических контрольно-измерительных приборов», Ф.М.Данилевич, В.А.Никитин, Е.П.Смирнова, Ленинград, «Машиностроение», 1976 г., стр.222-241.

В этом приборе изображение оптической марки, которая может находиться на различных (от 0.2 до 30 метров) расстояниях от торца трубы, проецируется объективом и фокусирующей линзой в плоскость сетки. При этом формируется изображение марки, перевернутое на 180 градусов. Фокусирующая линза перемещается по точной направляющей, положение которой обеспечивает сохранение положения оптической оси системы «объектив-фокусирующая линза» при любых сдвигах фокусирующей линзы. Оборачивающая оптическая система формирует вблизи окуляра нормальное (обратный поворот на 180 градусов), увеличенное изображение оптической марки. Величина смещения изображения марки относительно визирной линии измеряется оптическим микрометром, состоящим из наклоняющейся плоскопараллельной пластинки и отсчетных барабанов, связанных с поворотом пластинки вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Контроль совмещения производится оператором при наблюдении изображения в окуляр.

При измерениях оператор должен сфокусировать трубу на марку, перемещая фокусирующую линзу с помощью рукоятки фокусировки. Затем производится измерение смещения изображения марки относительно визирной линии путем поворота плоскопараллельной пластинки сначала вокруг горизонтальной, а потом вокруг вертикальной оси и совмещения центра изображения марки с центром перекрестья сетки. При этом количество измерений зависит от расстояния до марки и при расстояниях более 10 метров должно составлять не менее 10.

Целью измерений является определение отклонения точек измеряемой поверхности от базовой прямой, соединяющей начальную и конечную точки поверхности.

В прототипе эта цель достигается только после определенного цикла обработки результатов измерений и построения графика отклонений, выполняемых оператором. Время на выполнение этих операций составляет порядка 30 минут.

Следует также отметить, что юстировка прототипа, связанная с выведением следа визирной линии на центр перекрестья сетки, производится на специальном стенде.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение производительности измерений путем сокращения ручных операций, как в части измерений, так и в части процедур обработки промежуточных результатов.

Схема цифрового измерителя отклонений от прямолинейности и соосности приведена на фиг.1, где 1 - основной объектив, 2 - фокусирующая линза, 3 - направляющая фокусирующей линзы, 4 - оборачивающая оптическая система, 5 - цифровая ТВ камера, 6 - шаговый привод с блоком управления для перемещения фокусирующей линзы 2, 7 - оптическая марка, 8 - измеряемая деталь (станина, плита, направляющая и пр.), 9 - компьютер, к которому подключены цифровая ТВ камера 5 и шаговый двигатель, как составная часть шагового привода 6. Шаговым приводом будем называть совокупность шагового двигателя и механизма (например, реечного или винтового) для передачи вращательного движения шагового двигателя в поступательное перемещение фокусирующей линзы 2.

На измеряемом изделии размещается последовательно вдоль трассы измерений на разных расстояниях от прибора оптическая марка 7 с осветителем, представленная на фиг.2.

Фокусировка на оптическую марку 7 производится путем перемещения фокусирующей линзы 2 по направляющим 3. В результате этого происходит изменение величины фокусного расстояния и масштаба изображения.

В процессе измерений для каждого положения оптической марки 7 производится автоматически по программе:

а) автоматическая фокусировка изображения оптической марки 7 на матрице ТВ камеры 5 путем перемещения фокусирующей линзы 2 с вычислением параметра фокусировки по изображению марки в каждом кадре и завершенении процесса автофокусировки при максимальном значении вычисляемого параметра фокусировки;

б) измерение увеличения оптической системы с помощью камеры 5 и компьютера 9 путем деления диаметра окружностей в изображении марки на матрице телекамеры 5 на номинальные значения этих диаметров на марке 7 с последующим вычисления средневзвешенного значения увеличения по всем окружностям;

в) измерение расстояния до оптической марки 7 с помощью камеры 5 и компьютера 9 с использованием функциональной зависимости расстояния от увеличения, заложенной в программу в виде таблицы или формулы и определяемой при предварительной калибровке прибора;

г) измерение положения центра изображения оптической марки 7 на матрице телекамеры 5 с помощью компьютера путем измерения координат центра для изображения каждой окружности с последующим определением средневзвешенного значения положения центра по всем окружностям;

д) вычисление поперечного смещения центра оптической марки 7 в пространстве предметов относительно положения визирной лини с помощью компьютера с учетом увеличения (см. п.б) и координаты следа визирной линии на матрице телекамеры 5, определяемой при предварительной калибровке прибора.

Построение протокола измерений и графика отклонений центра оптической марки 7 от базовой линии начинается уже с измерения первой точки на трассе измерений и результат каждого следующего измерения сразу отражается на графике.

Таким образом, описанная совокупность элементов в предлагаемом техническом решении, составляет единый аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий автоматизированное решение целого перечня измерительных и вычислительных задач, необходимых для достижения цели контроля отклонений от прямолинейности и соосности.

На фиг.3 приведен фрагмент окна программы с графиком измерений отклонения от прямолинейности по оси Y. Видно, что диапазон отклонений составляет от -5 до 220 мкм, диапазон измерений по дистанции - 1.2 метра. Результаты для массива из 40 измерений были получены в течение нескольких минут при многократной смене направления перемещения оптической марки 7. График показывает высокую воспроизводимость результатов измерений на уровне единиц микрометра и высокую точность.

На фиг.3 кнопки dx, dy и ds отображают возможность мгновенного получения графиков отклонений по осям X и Y, а также максимального значения отклонения для каждой точки в соответствии с выражением

.

В предлагаемом техническом решении для определения координат следа визирной линии не требуется дополнительное оборудование. Эти координаты определяются в измерительном эксперименте при проведении измерений для положения 0 и 180 градусов для x - координаты и 90 и 270 градусов для y - координаты. Точная юстировка при этом не требуется. Определенные при этом координаты следа визирной линии вводятся в базу данных прибора и используются в дальнейшем в процессе измерений при вычислениях отклонений.

Цифровой измеритель отклонения от прямолинейности и соосности, содержащий объектив, фокусирующую линзу с направляющей для перемещения, оборачивающую оптическую систему и оптическую марку с осветителем, отличающийся тем, что измеритель снабжен цифровой ТВ камерой, установленной в плоскости изображения оборачивающей системы, шаговым приводом для программного перемещения фокусирующей линзы, а также компьютером для управления и обработки данных, соединенным с ТВ камерой и шаговым приводом, при этом автоматически по программе производится автоматическая фокусировка изображения оптической марки на матрице ТВ камеры, вычисление увеличения оптической системы по изображению оптической марки, вычисление расстояния до оптической марки, вычисление положения центра оптической марки на матрице, вычисление смещения центра оптической марки в пространстве предметов относительно положения визирной линии и построение протокола и графика отклонений центра оптической марки от базовой прямой для всей трассы измерений.