Устройство для определения границы объекта

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к определению размеров деталей оптическими средствами, а более конкретно к устройствам для определения границы объекта (детали), включающим в себя основание, на котором расположены средство для размещения измеряемой детали, источник света, измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, при этом измеряемая деталь расположена между источником света и измерительным микроскопом, а цифровая видеокамера электрически соединена с компьютером, имеющим монитор, и может быть использована в машиностроении при контроле деталей сложных форм, режущих инструментов и т.д. Согласно полезной модели устройство дополнительно снабжено блоком определения фактической границы детали посредством дифракционных полос, при этом источник света включает в себя, по меньшей мере, один гибкий световод, одним концом направленный к источнику света, а другим, вторым - сфокусирован на границу детали, а основание оснащено средством перемещения второго конца световода. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения границы детали сложной формы.

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к определению размеров деталей оптическими средствами, а более конкретно к устройствам для определения границы объекта (детали), включающим в себя основание, на котором расположены средство для размещения измеряемой детали, источник света, измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, при этом измеряемая деталь расположена между источником света и измерительным микроскопом, а цифровая видеокамера электрически соединена с компьютером, имеющим монитор, и может быть использована в машиностроении при контроле деталей сложных форм, режущих инструментов и т.д.

Из уровня техники известно устройство для определения границы детали, включающее в себя измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, а цифровая видеокамера электрически соединена с компьютером, имеющим монитор (Патент РФ 2158959, G06K 9/82, G01B 11/30, 2000 г.)

Недостатком данного решения является невысокая точность измерения границы детали сложной формы. Это связано с тем, что здесь не освещаются точно границы детали сложной формы, и с тем, что трудно выявить истинную границу детали из-за дифракции света на границе детали. Наиболее существенной и практически неустранимой при визуальных измерениях границы детали сложной формы является погрешность наведения визирной марки на край измеряемой детали. При этом погрешность визирования в значительной мере обусловлена волновой природой света и связана с дифракцией Френеля на краю детали при измерении в проходящем световом потоке. Особенно велико влияние френелевской дифракции при измерении деталей с кромками, имеющими большую пространственную протяженность вдоль оптической оси, а также цилиндрических, конических, винтовых поверхностей и деталей с неплоскими искривленными кромками, то есть деталей сложной формы.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является устройство для определения границы детали, включающее в себя основание, на котором расположены средство для размещения измеряемой детали, источник света, измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, при этом измеряемая деталь расположена между источником света и измерительным микроскопом, а цифровая видеокамера электрически соединена с компьютером, имеющим монитор. В нем средство для размещения измеряемой детали выполнено в виде предметного стола, основанием является станина микроскопа, в качестве цифровой видеокамеры используется проекционная насадка-видео, связанная с компьютером (Die Bibliothek der Technik Band 248 Multisensor-Koordinatenmesstechnik / Ralf Christoph, Hans Joachim Neumann.: corporate media, 2004 г., стр.95)

Недостатком данного решения является невысокая точность измерения границы детали сложной формы. Это связано с тем, что здесь не освещаются точно границы детали сложной формы, и с тем, что трудно выявить истинную границу детали из-за дифракции света на границе детали.

Настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить устройство для определения границы детали, позволяющее уменьшить влияние на погрешность измерения детали указанных выше недостатков.

Поставленная цель достигается посредством того, что устройство для определения границы объекта, содержащее основание, на котором расположены средство для размещения измеряемой детали, источник света, компьютер с монитором, измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, которая соединена с компьютером, согласно полезной модели, оно дополнительно снабжено блоком определения фактической границы детали посредством дифракционных полос, при этом источник света включает в себя, по меньшей мере, один гибкий световод, одним концом направленный к источнику света, а другим, вторым - сфокусирован на границу детали, а основание оснащено средством перемещения второго конца световода.

Целесообразно, чтобы средство перемещения второго конца световода было выполнено с возможностью прямолинейного перемещения, по меньшей мере, вдоль одной оси.

Целесообразно, чтобы средство перемещения второго конца световода было выполнено с возможностью углового поворота относительно, по меньшей мере, одной оси.

Оптимально, когда световод оснащен коллиматором, зафиксированным на его втором конце.

Благодаря этой характеристике становится возможным производить точные измерения границы детали сложной формы, освещая его параллельным пучком света, который передается от источника освещения через световод, изменять направление падающего на границу детали света.

Благодаря вышеуказанной характеристике и тому, что устройство определения границы детали имеет блок определения истинной границы детали среди дифракционных полос становится возможным снижать погрешность измерения, связанную с неточностью определения границы детали из-за дифракции света на границе.

Существует вариант полезной модели, в котором средство перемещения второго конца световода выполнено с возможностью прямолинейного перемещения по меньшей мере вдоль одной оси.

Благодаря такой конструкции появляется возможность просто регулировать изменения освещенности границы детали, связанные с параллельным перемещением пучка света.

Существует вариант полезной модели, в котором средство перемещения второго конца световода выполнено с возможностью углового поворота относительно по меньшей мере одной оси.

Благодаря такой конструкции появляется возможность просто регулировать изменения освещенности границы детали, связанные с угловым перемещением пучка света.

Существует вариант полезной модели, в котором на втором конце световода закреплен коллиматор.

Благодаря такой конструкции появляется возможность повысить параллельность лучей, падающих на границу детали, которая может нарушаться после прохождения лучами световода.

Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.

Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- фигура 1 схематично изображает устройство для определения границы детали согласно полезной модели;

- фигура 2 схематично показывает изображение на мониторе границы детали вместе с френелевской дифракцией, согласно полезной модели.

Устройство для определения границы объекта (детали) 1 включает в себя основание 2, на котором расположены средство 3 для размещения измеряемой детали 1, источник света 4, измерительный микроскоп 5, соединенный с цифровой видеокамерой 6. Расположение указанных блоков на основании 2 может быть обеспечено штативами или другим жестким соединением. Измеряемая деталь 1 расположена между источником света 4 и измерительным микроскопом 5, а цифровая видеокамера 6 электрически соединена с компьютером 7, имеющим монитор 8. Источник света 4 включает в себя по меньшей мере один гибкий световод 9, первым концом направленный к источнику света 4, а вторым концом направленным на границу детали 1. Основание 2 имеет средство 10 перемещения второго конца световода 9 относительно измеряемой детали 1.

Средство 10 перемещения второго конца световода 9 выполнено с возможностью прямолинейного перемещения по меньшей мере вдоль одной оси.

На втором конце световода 9 закреплен коллиматор 11. Коллиматор 11, как и линза 12 в источнике света 4, обеспечивает параллельность пучка света, направление которого на фигуре 1 показано стрелками. Также стрелками показано направление возможного смещения средства 10 перемещения второго конца световода 9 - как прямолинейное по одной оси, так и угловое по меньшей мере вокруг одной оси. Возможен вариант выполнения полезной модели, в котором обеспечивается прямолинейное перемещение средства 10 перемещения второго конца световода 9 по трем взаимно перпендикулярным осям, и угловым поворотам по нескольким осям.

Цифровая видеокамера 6 может быть выполнена на основе ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицы. Цифровая видеокамера 6 электрически соединена с компьютером 7, который обрабатывает данные и выводит их на монитор 8.

Компьютер 7 решает с помощью блока 13 определения фактической границы детали 1 среди дифракционных полос задачу нахождения границы детали 1. На фигуре 2 показано изображение на мониторе после увеличения границы детали 1. Обозначено:

- теневое изображение 14 фрагмента детали 1;

- размытое дифракционное изображение 15 края;

- визирная марка 16, представляющая собой перекрестие двух бифиляров;

- выделенные фрагменты 17 изображения, соответствующие действительному положению края детали 1.

Блок 13 определения фактической границы детали 1 среди дифракционных полос может находиться как вне компьютера 7, так и внутри него, но всегда электрически соединен с компьютером 7.

Предшествующее описание примерных вариантов осуществления полезной модели обеспечивает иллюстрацию и описание, но не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать полезную модель описанными точными формами. Модификации и изменения возможны в свете вышеприведенного рассмотрения или могут быть получены из применения полезной модели. К модификациям относятся любые способы устройства и закрепления средства 3 для размещения измеряемой детали 1 и средства 10 перемещения второго конца световода 9, которые обеспечивают закрепление и перемещение детали 1 и второго конца световода 9 соответственно.

Устройство для определения границы объекта работает следующим образом.

Деталь 1, границу которой необходимо измерить, устанавливают на средство 3 для размещения измеряемой детали, выполненное, например, в виде предметного столика, расположенного на основании 2.

С помощью световода 9 направляют пучок света от источника света 4 на измеряемый край детали 1. Для обеспечения параллельности используют дополнительно коллиматор 11, установленный у второго конца световода 9, который находится около детали 1.

При помощи регулировки микроскопа 5, а также при помощи перемещений средства 10 перемещения второго конца световода 9 относительно основания 2 производится фокусировка микроскопа 5 на край измеряемой детали 1. Изображение на выходе микроскопа 5 фиксируется с помощью цифровой видеокамеры 6, которая преобразует оптический сигнал в цифровой и передает его в компьютер 7, который позволяет наблюдать на мониторе 8 изображение измеряемой границы детали 1 с выбранным увеличением и визирной маркой (перекрестием) 16.

Электрический сигнал поступает на блок 13 определения фактической границы детали 1 среди дифракционных полос, который осуществляет анализ изображения дифракции Френеля на краю детали 1 и исследует распределение интенсивности света во френелевской дифракционной картине. По характеру распределения интенсивности света определяется положение края детали 1, породившее это распределение. Определяются координаты элементов цифрового изображения, соответствующих положению края детали 1. Визирование выполняется в специальном окне путем захвата в перекрестие 16 выделенных фрагментов 17 изображения, принадлежащих краю детали 1.

В окрестностях визирной марки (перекрестия) 16 выделяются небольшие фрагменты 17 изображения. Как правило, фрагмент 17 выбирают размером 30×3050×50 пикселей цифрового изображения зоны измерения. Выделенный фрагмент 17 изображен во втором окне на дисплее с выбираемым цифровым увеличением в 20-200х.

На мониторе наблюдается размытое дифракционное изображение 15 границы детали 1 из-за влияния дифракции изображения на границе детали 1. На фигуре 2 показано распределение интенсивности пикселей изображения, расположенных в горизонтальном бифиляре. Хорошо видны светлые полосы, расположенные вдоль границы теневого изображения 14 края, а также размытое дифракционное изображение 15 края. Блок 13 определения фактической границы детали 1 среди дифракционных полос осуществляет анализ этого изображения, позволяет исследовать распределение интенсивности света во френелевской дифракционной картине и соотнести результаты исследования с теоретическим распределением интенсивности света во френелевской дифракционной картине для бесконечно тонкой полуплоскости. В результате становится возможным определить действительные границы детали 1 с высокой точностью.

В соответствии с предложенной полезной моделью заявителем были изготовлены оригинальные опытные образцы устройства для определения границы детали.

В качестве микроскопа был использован универсальный измерительный микроскоп УИМ-21.

Визирный микроскоп УИМ-21 был оснащен видеокамерой.

В качестве видекамеры использовалась цифровая видеокамера на основе CMOS матрицы ¹/₂, с числом элементов 1.3 мегапикселей.

Испытания опытного образца устройства определения границы детали показали, что оно позволяет производить:

1. возможность регулировки средства 10 перемещения второго конца световода для направления пучка света на границу детали сложной формы;

2. формирование видеоизображения контролируемых элементов измеряемых деталей при помощи видеокамер с регулируемым оптическим и цифровым увеличением;

3. ввод видеоизображения в цифровом виде в компьютер;

4. визуализацию зоны измерения на мониторе, формирование на мониторе перекрестия или марок для визирования оптической системы на измеряемый объект при использовании координатных методов измерения;

5. автоматизированную компьютерную обработку измерительной информации с применением цифровой обработки изображения детали сложной формы.

Получены следующие результаты.

Диапазон измерения линейных размеров:

- в продольном направлении: 200 мм

- в поперечном направлении: 100 мм

Дискретность цифрового отсчета при измерении линейных размеров: 0,0001 мм

Максимальный диаметр измеряемого изделия, устанавливаемого в:

- центрах: 100 мм

- призматических опорах: 130 мм

Диапазон измерения угловых размеров: 360°

Минимальное значение отсчета угловых размеров 1"

Предел допускаемой основной погрешности при измерении образцовой стеклянной штриховой меры 2-го разряда (L - измеряемый размер, мм): ±(1,4+L/100) мкм

Предлагаемая полезная модель может быть неоднократно изготовлена из выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью элементов и материалов и может быть использована для измерения линейных и угловых размеров деталей сложных форм и может быть использована в машиностроении при контроле деталей сложных форм, режущих инструментов и т.д., что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».

Таким образом, за счет того, что источник света включает в себя гибкий световод, первым концом направленный к источнику света, а вторым концом направленный на границу детали и того, что основание имеет средство перемещения второго конца световода относительно измеряемой детали повышается многообразие возможностей освещения детали пучком параллельных лучей света, и за счет того, что устройство определения границы детали имеет блок определения истинной границы детали среди дифракционных полос в данной полезной модели достигнута поставленная задача - повышение точности измерения границы детали сложной формы, например, режущих кромок инструмента.

1. Устройство для определения границы объекта, содержащее основание, на котором расположены средство для размещения измеряемой детали, источник света, компьютер с монитором, измерительный микроскоп, соединенный с цифровой видеокамерой, которая соединена с компьютером, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком определения фактической границы детали посредством дифракционных полос, при этом источник света включает в себя, по меньшей мере, один гибкий световод, одним концом направленный к источнику света, а другим, вторым сфокусирован на границу детали, а основание оснащено средством перемещения второго конца световода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство перемещения второго конца световода выполнено с возможностью прямолинейного перемещения, по меньшей мере, вдоль одной оси.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство перемещения второго конца световода выполнено с возможностью углового поворота относительно, по меньшей мере, одной оси.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что световод оснащен коллиматором, зафиксированным на его втором конце.