Устройство для измерения радиального смещения вращающегося тела

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для измерений радиальных смещений вращающихся тел, в частности - к оптическим средствам данного назначения, в которых используются методы интерферометрии. Устройство для измерения радиального смещения вращающегося тела содержит светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч с первой поляризацией и отражающую второй луч со второй поляризацией, ортогональной первой поляризации. Первый луч проходит по левой, а второй луч - по правой ветви интерферометра, причем оба луча отражаются от конического отражателя, установленного на торце вращающегося тела. После возвращения на светоделительную грань первый и второй лучи совместно направляются на фотоприемник. Достигается упрощение конструкции и повышение точности измерений.

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для измерений радиальных смещений вращающихся тел, в частности - к оптическим средствам данного назначения, в которых используются методы интерферометрии.

Наиболее предпочтительной областью использования полезной модели являются шпиндельные устройства, осуществляющие прецизионную обработку объекта закрепленным на шпинделе обрабатывающим инструментом. Для обеспечения требуемой точности обработки необходимо располагать информацией о биении шпинделя, т.е. о его радиальных смещениях. В результате использования полезной модели указанные радиальные смещения могут быть определены с высокой точностью.

Прототипом полезной модели является устройство для измерения биения вращающегося вала, раскрытое в публикации JP 63167205 (A), G01B 11/00, 11.07.1988. Данное устройство содержит источник когерентного излучения, из которого выделяются первый, второй и третий потоки излучения. Указанные потоки попадают на три светоделительные грани, первая из которых разделяет первый поток на первый опорный и первый объектный лучи.

Вторая и третья светоделительные грани разделяют второй и, третий потоки соответственно на второй опорный и второй объектный лучи, а также третий опорный и третий объектный лучи. Первый и второй объектные лучи падают с разных сторон на конический отражатель, а третий объектный луч падает на конический отражатель параллельно его оси, после чего они совместно с соответствующими опорными лучами создают на первом, втором и третьем фотоприемниках интерференционные картины. Совместный анализ трех интерференционных картин позволяет определить радиальное смещение валаи исключить при этом влияние осевого смещения вала на результат такого.

определения. Однако устройство отличается сложностью конструкции, кроме того независимое получение трех интерференционных картин и последующее их сравнение увеличивает погрешность при получении конечного результата, поскольку погрешности получения промежуточных результатов в данном случае складываются.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции устройства для измерения радиального смещения вращающегося тела, а также повышение точности такого измерения.

Для решения поставленной задачи предложеноустройство для измерения радиальногосмещениявращающегося тела, содержащее фотоприемник и источник когерентного излучения. Поток излучения направлен в сторону вращающегося тела на основную светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражающую второй луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации. Фотоприемник и источник излучения находятся по разные стороны от основной светоделительной грани.

На линии оптического пути первого луча установлено правое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на конический отражатель, установленный на торце вращающегося тела, при этом между основной светоделительной гранью и коническим отражателем установлена правая четвертьволновая пластинка.

На линии оптического пути второго луча установлено левое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на упомянутый конический отражатель, при этом между основной светоделительной гранью и коническим отражателем установлена левая четвертьволновая пластинка.

На линии оптического пути первого и второго лучей после их совмещения расположен фотоприемник.

Конический отражатель может быть выполнен в виде внешней или внутренней поверхности конуса.

В предпочтительном случае выполнения полезной модели основная светоделительная грань параллельна оси вращения вращающегося тела.

В другом предпочтительном случае между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор.

Фазовый модулятор может содержать светоделительную грань модулятора, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки и первого зеркала модулятора луч, падающий со стороны основной светоделительной грани, и способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча. При этом по другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала модулятора, установлена вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало модулятора. По меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча.

В частном случае полезной модели основная светоделительная грань выполнена с возможностью поворотана 90° в положение, при которомисточник излучения и фотоприемник располагаются по одну сторону от основной светоде лительной грани.

Осуществление полезной модели будет представлено на примере ее использования для измерения радиальных смещений шпинделя, что, однако, не является ограничением в отношении области использования полезной модели.

Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуру с изображением устройства для измерения радиального смещения шпинделя.

Вращающийся относительно оси 1 шпиндель 2 способен совершать линейное перемещение (далее - смещение) в направлении 3, совпадающем с направлением оси 1. Кроме того шпиндель испытывает биение, т.е. радиальное смещение в направлении 4 вследствие несовпадения его собственной оси с осью его вращения.

Устройство содержит интерферометр 5, включающий фотоприемник 6 и источник когерентного излучения 7, поток которого падает в сторону шпинделя на основную светоделительную грань 8, способную пропускать первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражать второй луч, имеющий вторую поляризацию. Полуволновая пластинка 9 позволяет путем ее вращения выровнять интенсивность светового потока первого и второго лучей.

Основная светоделительная грань расположена так, что фотоприемник и источник излучения находятся по разные стороны от нее. Под нахождением фотоприемника и источника излучения по разные стороны от основной светоделительной грани понимается соответствующее нахождение указанных элементов относительно плоскости, в которой расположена основная светоделительная грань. Предпочтительно, если основная светоделительная грань параллельна оси вращения шпинделя.

Первый луч проходит через основную светоделительную грань без изменения направления и попадает на правое зеркало 10, которое направляет его в автоколлимационном ходе на конический отражатель 11, установленный на торце шпинделя. На фигуре показан конический отражатель, выполненный в виде внешней поверхности конуса, однако существует вариант исполнения конического отражателя в виде внутренней поверхности конуса.

Отразившись от конического отражателя и правого зеркала, первый луч возвращается на основную светоделительную грань. На линии оптического пути первого луча между основной светоделительной гранью и коническим отражателем (в дальнейшем - правая ветвь интерферометра) установлена правая четвертьволновая пластинка 12. Специалисту в данной области ясно, что двойное прохождение линейно поляризованного луча через четвертьволновую пластинку с промежуточным отражением меняет его поляризацию на ортогональную. Поскольку при возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет вторую поляризацию, он отражается в сторону фотоприемника 6.

Второй луч отражается от основной светоделительной грани и попадает на левое зеркало 13, направляющего его в автоколлимационном ходе на конический отражатель 11. На линии оптического пути второго луча. между основной светоделительной гранью и коническим отражателем (в дальнейшем - левая ветвь интерферометра) установлена левая четвертьволновая пластинка 14. Дважды пройдя через левую четвертьволновую пластинку с промежуточным отражением от конического отражателя, второй луч приобретает первую поляризацию, что позволяет ему, не изменяя направления, пройти через основную светоделительную грань в сторону фотоприемника 6.

Следует отметить, что в контексте данной заявки термины «правый» и «левый» в отношении зеркал и четвертьволновых пластинок являются условными, важно при этом, что правой стороной считается сторона, в которую направлен первый луч после первоначального прохождения через основную светоделительную грань.

Первый и второй лучи совместно проходят через анализатор 15, который известным для специалиста в данной области способом выделяет из первого и второго лучей компоненты с однонаправленной поляризацией и совмещает лучи в одном поляризационном направлении. Далее на линии оптического пути совмещенных первого и второго лучей установлены объектив 16 и фотоприемник 6, на котором формируется интерференционная картина.

При радиальном смещении шпинделя в направлении 4 длина оптических путей первого и второго лучей изменяется с противоположным знаком, что вызывает противоположное смещение фазы указанных лучей и соответствующее изменение интерференционной картины. Регистрируя указанное изменение и интерпретируя его известным для специалиста в данной области способом, можно вычислить величину радиального смещения шпинделя.

Следует отметить, что осевое смещение шпинделя также изменяет длину оптических путей первого и второго лучей. Однако, поскольку в данном случае смещение фазы лучей происходит в одном направлении, то интерференционная картина не изменяется. Таким образом, осевое смещение шпинделя не оказывает влияния на точность определения радиального смещения шпинделя.

В частном случае первого объекта полезной модели между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор 17.

В предпочтительном случае фазовый модулятор содержит светоделительную грань модулятора 18, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки 19 и первого зеркала 20 луч, падающий со стороны основной светоделительной грани 8, однако, способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча.

По другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала и в результате двойного прохождения через четвертьволновую пластинку изменившего свою поляризацию на ортогональную, установлена вторая четвертьволновая пластинка 21 и второе зеркало 22. Отраженный от второго зеркала луч падает на светоделительную грань модулятора с вновь измененной поляризацией, отражается от нее и продолжает путь по соответствующей ветви интерферометра.

По меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча, обеспечивая фазовую модуляцию. В дальнейшем интерпретация интерференционной картины осуществляется с учетом ее демодуляции, т.е. коррекции на модулирующие фазовые изменения. Применение фазового модулятора позволяет повысить точность измерений вследствие уменьшения влияния случайных помех.

Заявленное устройство позволяет также измерить и осевое смещение шпинделя, для чего основную светоделительную грань необходимо повернуть на 90°, чтобы она заняла второе положение 23, характеризующееся тем, что источник излучения и фотоприемник располагаются по одну сторону от основной светоделительной грани.

В таком случае первый луч по-прежнему проходит через основную светоделительную грань без изменения направления и образует правую ветвь интерферометра. Так же как и прежде, при возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет вторую поляризацию, однако, в данном случае первый луч отражается от основной светоделительной грани в сторону левого зеркала и проходит по левой ветви интерферометра.

Второй луч на этот раз отражается от основной светоделительной грани в сторону фотоприемника. При возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет первую поляризацию, поэтому проходит через нее без изменения направления и совместно со вторым лучом попадает на фотоприемник, на котором формируется интерференционная картина.

Регистрируя и интерпретируя известным для специалиста в данной области способом изменение интерференционной картины, происходящее вследствие изменения фазы первого луча из-за соответствующего изменения длины его оптического пути, можно вычислить осевое смещение шпинделя. Радиальное смещение шпинделя в данном случае не оказывает влияние на формирование интерференционной картины, поскольку не вызывает изменения длины оптического пути первого луча.

Из изложенного выше примера осуществления устройства можно сделать следующие выводы. Поскольку в предложенном устройстве первый и второй лучи проходят через одни и те же основную светоделительную грань, объектив, анализатор, фотоприемник, то погрешности, обусловленные внешними помехами, не оказывают влияния на точность полученной интерференционной картины. Таким образом, достигается повышение точности измерений радиального смещения вращающегося тела, а также упрощение конструкции, заключающееся в уменьшении количества составляющих ее элементов.

1. Устройство для измерения радиального смещения вращающегося тела, содержащее фотоприемник и источник когерентного излучения, поток которого направлен на основную светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражающую второй луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации, причем

фотоприемник и источник излучения находятся по разные стороны от основной светоделительной грани, а

на линии оптического пути первого луча установлено правое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на конический отражатель, установленный на торце вращающегося тела, при этом между основной светоделительной гранью и коническим отражателем установлена правая четвертьволновая пластинка,

на линии оптического пути второго луча установлено левое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на упомянутый конический отражатель, при этом между основной светоделительной гранью и коническим отражателем установлена левая четвертьволновая пластинка,

на линии оптического пути первого и второго лучей после их совмещения расположен фотоприемник.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конический отражатель выполнен в виде внешней поверхности конуса.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конический отражатель выполнен в виде внутренней поверхности конуса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основная светоделительная грань параллельна оси вращения вращающегося тела.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что фазовый модулятор содержит светоделительную грань модулятора, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки и первого зеркала модулятора луч, падающий со стороны основной светоделительной грани, и способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча,

по другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала модулятора, установлена вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало модулятора, при этом,

по меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основная светоделительная грань выполнена с возможностью поворота на 90° в положение, при котором источник излучения и фотоприемник располагаются по одну сторону от основной светоделительной грани.