Фиксатор-перемещатель прозрачного образца
Полезная модель предназначена для использования в бесконтактных измерениях шероховатости и неоднородности показателя преломления прозрачных образцов, а также для выявлении в них дефектов. Задача, на решение которой направлена полезная модель, является: создание конструкции, обеспечивающей фиксацию и перемещение прозрачного образца без изменения шероховатости или повреждения поверхности, а также позволяющей оперативно контролировать любой участок образца. При использовании полезной модели могут быть получены следующие технические результаты: а) в процессе закрепления и перемещения образца исключается изменение шероховатости или повреждение поверхности, которые могут исказить результат контроля, б) появляется возможность контролировать любую часть образца, в) повышается производительность контроля. Указанные технические результаты достигаются за счет того, что узел крепления изготовляется из двух одинаковых элементов, расположенных на расстоянии, большем, чем половина длины образца.
Заявляемая полезная модель предназначена для использования в измерениях шероховатости и неоднородности показателя преломления в прозрачных образцах, а также при выявлении в них дефектов.
Известны узлы, предназначенные для крепления прозрачных объектов, а также устройства для их линейного перемещения. Основные их типы приведены, например, в каталоге фирмы Edmund Optics (Edmund Industrial Optics. Optics and Optical Instruments catalog. - 2001). Каталог доступен также в Интернете по адресу www.edmundoptics.com.
Известно применение в качестве фиксатора оптической детали устройства, состоящего из двух горизонтально расположенных деталей в виде балок (Bar-type lens/filter holder. Edmund Industrial Optics. Optics and Optical Instruments catalog.-2001, c.125). Балки соединены межу собой двумя вертикальными цилиндрическими стержнями. В верхней балке имеются два отверстия, куда входят стержни. Прозрачный объект помещают между двумя балками, верхняя балка приводится в соприкосновение с оптической деталью. Положение верхней балки фиксируется винтами. Данный узел можно установить на устройство линейного позиционирования, описанного в этом же каталоге (Large 12" & 24" rack and pinion slides for precise linear positioning. Edmund Industrial Optics. Optics and Optical Instruments catalog. - 2001, c.144). Устройство состоит из металлической пластины с пазами типа «ласточкин хвост», по которой перемещается платформа. Перемещение осуществляется вручную, с помощью резьбы и червячной передачи. Недостатком данного варианта фиксирования и перемещения образца являются необходимость приведение в соприкосновение оптической детали с держателем, изготовляемым, как правило, из металла. Последнее условие необходимо для придания жесткости конструкции. При использовании образцов, в которых необходимо контролировать все грани, жесткий контакт с держателем может повредить поверхность образца. Вторым недостатком данного варианта конструкции является необходимость предусмотреть ограничители, которые предотвращали бы возникновение неопределенности в расположении детали на нижней балке. При соприкосновении прозрачного образца с ограничителем, может возникнуть изменение шероховатости поверхности образца. Третьим недостатком данного варианта является низкая производительность контроля при шероховатости образцов, имеющих разный размер. В этом случае для перехода от одних образцов к другим, размеры которых
существенно отличаются друг от друга, необходимо заменять указанные выше перемещатели и фиксаторы на аналогичные, но имеющие другие размеры.
Известно применение для фиксации прозрачных образцов устройства, виде металлической пластины, в котором имеется паз (Mounted optical components. Edmund Industrial Optics. Optics and Optical Instruments catalog. - 2001, c.111). Ширина паза точно соответствует ширине оптической детали, которая, по-видимому, садится на клей. В свою очередь, в металлической пластине имеются четыре отверстия. Через эти отверстия имеется возможность закрепления пластины на устройстве линейного перемещения. В качестве последнего можно использовать как вышеуказанное устройство, так и аналогичные, оснащенные микровинтами для точного перемещения. Недостатком данного варианта устройства, как и предыдущего, являются необходимость соприкосновения контролируемой детали с держателем. Поскольку длина паза почти равна длине детали, то значительная часть образца выпадает из поля зрения. Кроме того, поверхность этой части изменяется, т.е. царапается, загрязняется клеем.
Известно использование в качестве держателя прозрачных объектов другого устройства, взятого нами в качестве прототипа (Fixed filter mounts. Edmund Industrial Optics. Optics and Optical Instruments catalog. - 2001, c.127). Основой конструкции является деталь в виде балочки, в верхней части которой имеется паз. Сбоку имеются два отверстия с резьбой, в которые вставляются два винта. Плоский образец вставляется в паз, с помощью винтов через отверстия образец прижимается к стенкам паза. Для увеличения поля зрения материал балки, расположенный между винтами удаляется путем фрезирования. Данное устройство, закрепленное в конструкции для линейного позиционирования, может быть использовано для перемещения прозрачного образца в поле зрения прибора, используемого для измерения шероховатости и выявления дефектов. Первым недостатком данной конструкции является соприкосновение частей оптического образца с металлическими частями держателя, с винтами, или с прокладками между винтами и образцом. В результате соприкосновения деталь может поцарапаться, треснуть, в ней могут появиться микро трещинки. Вторым недостатком конструкции является следующее: часть образца, заключенная в пазах, оказывается закрытым для контроля. По этой причине при измерениях шероховатости или выявления дефектов эта часть выпадает из рассмотрения.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, является: создание конструкции, обеспечивающей фиксацию и перемещение прозрачного образца без
изменения шероховатости или повреждения поверхности, а также позволяющей оперативно контролировать любой участок образца. При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технические результаты:
а) исключается изменение или повреждение какой бы то ни было части поверхности, которые могут исказить результат контроля,
б) появляется возможность контролировать любую часть образца,
в) повышается производительность контроля.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что фиксатор-перемещатель содержит узел крепления с пазом, куда вставляется образец, узел перемещения образца и линейку для измерения этого перемещения, при этом узел крепления изготовляется из двух одинаковых элементов, расположенных на расстоянии, большем, чем половина длины образца.
Конструкция показана на Фиг.1. Она позволяет одновременно фиксировать прозрачные образцы 1 в заданном положении, а также перемещать их в своей плоскости с требуемой для практики точностью. Основным элементом конструкции являются два элемента (упора) 2 и 3, изготовляемые из мягкой резины или из фторопласта, в которые с легким трением вставляются образцы из прозрачного материалы прямоугольного сечения. Расстояние между упорами выбирают большим, чем половина длины образца. Образец вместе с упорами перемешают к линейке 4 до соприкосновения, так что линейка 4 располагается слева, как показано на Фиг.1. Для освобождения области, прикрытой упором, образец одной рукой берут за торцы, а второй рукой смешают упор вдоль образца на требуемое расстояние. Затем систему, состоящую из образца и двух упоров, помещают к линейке таким образом, чтобы концы образца приняли по отношению к линейке первоначальное положение. Перемещение образца в своей плоскости осуществляется вручную. Для этого оператор толкает образец, касаясь пальцем торца, в требуемом направлении. Одновременно он следит, чтобы упоры 2 и 3 находились в соприкосновении с линейкой 4. Положение торцов образца регистрируется визуально, по линейке 4.
Логика развития науки и техники диктует разработку бесконтактных экспресс методов измерения шероховатости различных изделий, неразрушающих методик обнаружения дефектов, а также дистанционных способов выявления в конструкциях потенциально опасных участков, в которых в будущем может образоваться дефект, трещина. Таковыми могут быть как отражающие, так и прозрачные объекты. Предлагаемая нами полезная модель имеет отношение к прозрачным объектам. Мы предлагаем конструкцию, которая обеспечивает а) измерение отклонений длины
оптического пути от среднего значения и в) выявление дефектов в прозрачных объектах бесконтактным образом.
В настоящее время предложены различные методы измерения шероховатости, изучения неоднородности показателя преломления в прозрачных объектах и выявления в них дефектов. Это методы светорассеяния, теневые методы, интерференционные, голографические, методы оптики спеклов и другие. Тем не менее, они не удовлетворяют всех потребностей практики. Недостатками указанных методов в частности являются: а) большая трудоемкость контроля, б) возможность количественного измерения только в тех случаях, когда объект контроля соответствует заложенной в расчетах модели.
Нами для измерения шероховатости, изучения неоднородности показателя преломления и выявления дефектов в прозрачных образцах предлагается подход, лишенный указанных недостатков, и основанный на использовании лазерных спеклов. Мы предлагаем наблюдать изображение прозрачного объекта, осветив его спекл-модулированной волной. При вполне определенном движении объекта и элементов оптической системы относительно друг друга происходит изменение в картине спеклов. Затем, регистрируя это изменение, предлагается судить о шероховатости поверхности, о неоднородности показателя преломления внутри объекта, либо о наличии дефекта.
На практике может встретиться такая ситуация, когда размер поля зрения (области контроля) меньше, чем размер всего образца. В этом случае имеется необходимость оперативного перемещения объекта мимо области контроля. Сдвигая образец на величину порядка области контроля, можно последовательно проконтролировать весь объект. Процесс сканирования должен быть оперативным. При этом образец необходимо зафиксировать определенным образом относительно поля зрения. Сам процесс фиксации не должен изменять контролируемые параметры, а именно изменять шероховатость поверхности и неоднородность объекта, не должны возникать новые дефекты. Кроме того, узлы устройства не должны закрывать поверхность образца в момент контроля. В отличие от приведенных выше аналогов и прототипа, предлагаемая нами конструкция расширяет функциональные возможности аналогов и прототипа таким образом, что удовлетворяет указанным условиям.
Для предотвращения изменений на поверхности объекта нами фиксатор объекта предлагается изготовлять из мягкой резины или фторопласта. Фиксатор состоит из двух частей, а именно из двух одинаковых деталей определенной формы и размеров. Расстояние между деталями должно быть больше, чем половина длины образца. По
мере перемещения объекта мимо поля зрения может наступить такая ситуация, что данная деталь появится в поле зрения и тем самым закроет часть образца. В этом случае оператор должен смесить деталь так, что она выйдет из поля зрения. В указанных двух деталях имеется паз, ширина которого несколько меньше, чем ширина образца, так что образец должен входить в пазы с легким трением. Перемещение образца осуществляется вручную. Оператор толкает образец в направлении перемещения. При этом он следит, чтобы указанные детали были в контакте с линейкой. Величина перемещения отсчитывается оператором визуально, по совпадению двух краев или одного края образца с меткой на линейке.
Заявляемая полезная модель характеризуется следующими признаками. В ней имеются два одинаковых конструктивных элемента специальной формы. Форма элементов различна при изготовлении из мягкой резины и фторопласта. В первом случае элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда, котором имеется паз, как показано на Фиг.1. При изготовлении элемента из фторопласта элемент имеет форму г-образного уголка. В середине одной из полок уголка сделан пропил, куда и вставляется образец. Ширина пропила снова чуть меньше ширины образца, так что образец вставляется с легким трением.
Полезная модель характеризуется также взаимным расположением указанных двух элементов. Расстояние между элементами должно быть больше половины длины детали. Это требования следует выполнять для придания конструкции устойчивости.
Полезная модель характеризуется также материалом, из которого выполнены указанные элементы. Нами выбраны такие материалы как мягкая резина и фторопласт. Нами обнаружено, что соприкосновение использованного нами прозрачного образца из стекла марки М4 с мягкой резиной и фторопластом не приводит к изменениям, которые можно обнаружить приборами МИИ-10 и используемым нами способом контроля прозрачных образцов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Конструкция полезной модели. 1 - прозрачный образец, 2, 3 -фиксирующие элементы, 4 - линейка.
Фиг.3. Типичные зависимости параметра а от расстояния х между краем образца и областью контроля. 1 - до и 2 - после малоцикловой усталости.
Заявляемая полезная модель была реализована на установке, содержащей последовательно лазерный модуль типа LM-660.20.S.5, матовое стекло, предметный столик, телекамеру типа TVC-9, соединенную с компьютером. Был использован образец из стекла марки М4 размером 4×8.5×60 мм. Фиксатор-перемещатель
располагали на предметном столике. Перемещение образца осуществляли поперек оптической оси установки. Измерения проводились следующим образом. Включали лазер, компьютер, телекамеру. Образец закрепляли в пазах элементов 2 и 3 фиксатора - перемещателя. Затем систему, состоящую из образца и элементов, помещали на предметный столик таким образом, чтобы оператор на экране монитора ЭВМ наблюдал один из краев образца. Далее оператор выбирал участок контроля, осуществлял указанное выше движение объекта и оптической системы относительно друг - друга. Программное обеспечение обрабатывало изменение картины спеклов, определяло информационный параметр а, характеризующий это изменение. Областью усреднения является вся область контроля, либо небольшая его часть. Программное обеспечение позволяло оператору разбить область контроля на заданное число подучастков. Далее оператор перемещал образец на требуемое расстояние, процедура измерения величины а повторялась. Перемещение образца осуществлялось им вручную. Для этого оператор толкал образец в требуемом направлении. Положение образца отсчитывалось по линейке. Время, затраченное на перемещение образца, составляло 1-2 сек. На фиг.2, приведены типичные зависимости величины а, нормированной на максимальное значение, от расстояния х между краем образца и областью контроля размером 1×3 мм. Цифрой 1 обозначена зависимость, соответствующая исходному состоянию образца, цифрой 2 - данные, полученные после малоцикловой усталости образца.
Следует отметить, что при проведении подобных экспериментов в некоторых случаях в область контроля попадал элемент 2 или 3, показанный на Фиг.1. В этом случае оператор смещал элемент на такое расстояние, чтобы он выходил за область контроля, затем производил измерения. Время, затраченное на установку фиксатора-перемещателя на предметный столик, установку образца, смещение элемента и перемещение образца в новое положение, составляло порядка 5-7 сек. По нашим оценкам, те же действия, произведенные с прототипом, заняли бы время, по крайней мере, в два раза большее.
Таким образом, нами подтверждена возможность осуществления полезной модели. При реализации полезной модели получены следующие технические результаты:
а) исключены изменения или повреждения поверхности образца, которые могли бы исказить результат контроля, б) показана возможность контроля любой части образца, в) получены оценки, подтверждающие увеличение производительности контроля
Фиксатор-перемещатель прозрачного образца, содержащий узел крепления с пазом, куда вставляется образец, узел перемещения образца и линейку для измерения этого перемещения, отличающийся тем, что узел крепления изготовляется из двух одинаковых элементов, выполненных из мягкой резины или фторопласта, расположенных на расстоянии, большем, чем половина длины образца, образец в пазы вставляется с легким трением, а перемещение образца осуществляется вручную, с одновременным визуальным контролем отсутствия зазора между элементами образца.
