Автоколлимационное устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Вычислительный блок 31 последовательно формирует управляющие сигналы на электроприводы 19, 21, 29, которые обеспечивают перемещения детали 1 и оптического датчика до момента совпадения точки пересечения его осей с зондируемой точкой. По величинам измеренных перемещений, зафиксированных датчиками 20,22, 30, вычислительный блок 31 рассчитывает полярные . координаты зондируемой точки. 5 ил. 34 30 с (Л 00 со |4 о 00 СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 01 В 21/00

Ю

С с уд

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4112259/24-28 (22) 18.06.86 ,(46) 07.05.88. Вюл. ¹ 17 (72) Е,А.Шишлов, Э.Д,Панков, В.В.Рюхин и Э.А,Антонов (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1186942, кл . С 01 В 11/24, 1983.

„„80„„1394035 A 1 (54) АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЧ

ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения— повышение точности измерений. Вычислительный блок 31 последовательно формирует управляющие сигналы на электроприводы 19, 21, 29, которые обеспечивают перемещения детали 1 и оптического датчика до момента совпадения точки пересечения его осей с зондируемой точкой. По величинам измеренных перемещений, зафиксированных датчиками 20,22, 30, вычислительный блок 31 рассчитывает полярные с координаты зондируемой точки. 5 ил.

1 1394035 2

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптико-механическом производстве для бесконтактного контроля формы полированных поверхностей оптических деталей.

Цель изобретения — повышение точности измерений и расширение диапазона измерений за счет сокращения вели- 10 чин перемещения оптического датчика и обеспечения воэможности измерения профилей с крутизной больше 90

На фиг.1 показана кинематическая

:схема устройства; на фиг.2 — оптичес- 15 кая схема устройства, разрезы А-А, Б-Б и В-В; на фиг.3 — схема формиро.вания, селекции, регистрации и обработки сигнала; на фиг.4 и 5 — схемы .последовательного зондирования и фик- 20 сирования точек измеряемой поверхнос:ти.

Устройство содержит узел базирования контролируемой детали 1 (фиг.1), :представляющий собой трехкоординатный предметный стол, обеспечивающий перемещение измеряемой детали 1, установленной на базирующей поверхности, вдоль ее оптической оси при помощи маховика 2, ходового винта 3 и гайки

4 и по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оптической оси детали, при помощи маховиков

5 и 6, ходовых винтов 7 и 8 и гаек

9 и 10. Кроме того, конструкция стола предусматривает разворот детали 1 вок35 руг ее оптической оси, при этом о величине угла поворота судят по шкале 11, связанной с баэирующей поверхностью, 40

Узел базирования размещен на платформе 12, жестко связанной с осью 13, цапфы которой установлены в подшипниках 14., закрепленных на платформе

15, имеющей возможность линейного перемещения параллельно плоскости горизонта при помощи ходового винта

16, установленного в подшипниках 17, гайки 18 и электропривода 19. Величина линейного перемещения отсчитывается датчиком 20. Ось 13 может раэ- 50 ворачиваться при помощи электропривода 21, а величина поворота оси отсчитывается датчиком 22 °

Над платАормой 12 с узлом базиро55 вания измеряемой детали размещена платформа 23, на которой жестко установлен оптический датчик, содержащий фотоэлектрический автоколлиматор 24, коллиматор 25 и фоторегистрирующий блок 26, Взаимное расположение узлов оптического датчика таково, что их оптические оси пересекаются в одной точке, причем оптическая ось автоколлиматора 24 является биссектриссой угла между осями коллиматора и Аоторегистрирующего блока. Кроме того, плоскость осей оптического датчика перпендикулярна оси 13, которая в исходном положении пересекает эту плоскость в точке пересечения оптических осей автоколпиматора 24, коллиматора 25 и фоторегистрирующего блока 26. Платформа 23 снабжена механизмом линейного перемещения, содержащим ходовой винт 27, гайку 28, электропривод 29 и датчик 30 линейного перемещения.

Датчики 20, 22 и 30 перемещений подключены на входы высислительного блока (ЭВМ) 31 через соответствующие счетчики (индикаторы) 32 — 34. Кроме того, к вычислительному блоку 31 подключены электроприводы 19, 21 и 29 (фиг.1 и 3), имеющие органы ручного управления.

Автоколлиматор 24 (фиг.2) содержит расположенные последовательно призму

35, выполненную в виде прямой четырехгранной пирамиды с непритупленной вершиной, вблизи которой размещены две пары светодиодов 36, 37 и 38,39, два светоделитепьных элемента (кубика) 40 и 41, напротив отражательных граней которых размещено по фотодиоду 42 и 43, объектив 44, Аокальная плоскость которого совмещена с вершиной призмы 35. Приемные площадки Аотодиодов 42 и 43 находятся от объектива 44 на расстояниях, равных его фокусному расстоянию.

Коллиматор 25 содержит призму 45, аналогичную призме 35 автоколлиматора 24, два светодиода 46 и 47 и объектив 48, в Аокальной плоскости которого помещена вершина призмы 45, Фоторегистрирующий блок 26 состоит из объектива 49 и фотодиода 50, помещенного в его фокальной плоскости.

Работа оптического датчика обеспечивается схемой Аормирования, регистрации, селекции и обработки сигналов (фиг.3). В состав схемы входят блоки 51 и 52 питания, обеспечивающие излучение каждой пары с.ветодиодов 36, 37 и 38, 39, входящих в состав автокоплиматора 24, на собствен1394035 ной частоте соответственно f, и fz.

При этом в каждой паре светодиоды излучают в противофазе. Для регистрации излучения светодиодов 36, 37, и

38, 39 предназначены соответственно фотодиоды 42 и 43, к выходам которых подключены узкополосные усилители

53 и 54, настроенные на частоты f и

f, включенные соответственно на вхо-10 ды фазовых дискриминаторов 55 и 56, .на каждый из которых заведен опорный сигнал от одного из блоков 51 и 52 питания, соответствующий режиму излучения одного из светодиодов 37 и 39.

Выходы фазовых дискриминаторов 55 и

56 включены на входы схемы 57 сравнения (схема И), а также подключены к индикаторам, 58 и 59. Схема И через ключ К, подключена к вычислительному блоку (ЭВМ) 31.

Излучение светодиодов 46 и 47 на частоте f, входящих в состав коллиматора 25, обеспечивается блоком 60 питания, а регистрация этого излучения — фотодиодом 61, усилителем 62, настроенным на частоту f- фазовым дискриминатором 63, на опорные клеммы которого заведено питание, соответствующее режиму излучения светоди ода 47, и на выход которого подключены индикатор 64 и через ключ К вьг числительный блок (ЭВМ) 31.

Работа узлов оптического датчика— автоколлиматора 24, а также коллиматора 25 и фоторегистрирующего блока

26 осйована на принципе формирования зондирующего пучка с равносигнальной . зоной (РСЗ) и йоследующего отслеживания пространственного положения этого пучка после отражения от измеряемой поверхности.

РС3 в параллельном пучке, формируемом коллиматором 25, создается эа

1 счет резкого изменения свойств опти- . ческого излучения вдоль оптической оси благодаря тому, что пучок оказы-. вается разделенным на две зоны, в которых переносится лучистая энергия от пары светодиодов 46 и 47, излучаю50 щих на одной частоте f, но в противофазе (фиг.3, 2 и 4). После отражения от измеряемой поверхности пучок попадает в объектив 49 фоторегистрирующего блока 26 и далее на фотодиод

50, напряжение с которого фильтруется и усиливается в узкополосном усилителе 62, настроенном на частоту f> с которого снимается сигнал, описываемый выражением

U< К 89 sin ý t(9< Ч 0 Р1 (g

180 ), (1) где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 62

S — интегральная чувствиэ тельность Аотодиода 50;

Рэ — круговая частота модуляции; — время;

Р,q-0 — лучистый поток, модулированный с частотой f. создаваемый светодиодом, фаза модуляции которого принята эа нулео вую f = 0 о

» Р, ср =180 — лучистый поток, модулированный частотой f., создаваемый светодиодом, фаза модуляции которого сдвинута на 180

Из вы аления (1) видно, что U =О, .о С> 9 если Р,(у =0 = У,су = †1, что воэ». можно в случае совпадения оси отра-. женного зондирующего пучка с центром приемной площадки фотодиода 50. В противном случае разностный сигнал У, ФО поступает в фазовый дискриминатор

63, где происходят его сравнение с опорным сигналом и. определение знака смещения пучка относительно центра фотодиода 50. Далее сигнал регистрируется на индикаторе 64 и поступает в ЭВМ, где по его величине и знаку вырабатывается управляющий сигнал на электропривод 29.

Структура пучка, формируемого автоколлиматором 24 (фиг.2 — 4), аналогична структуре пучка коллиматора 25, однако для обеспечения контроля пространственного положения отраженного пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в нем предусмотрены четыре рабочих эоны, переносящих лучистую энергию от пары светодиодов 36 и 37, излучающих в противофазе на частоте

f и от пары светодиодов 38 и 39, излучающих в противофазе на частоте . Е..

После отражения от измеряемой поверхности пучок, сформированный автоколлиматором, вновь попадает в объектив 44 на фотодиоды 42 и 43, с которых напряжения фильтруются, усиливаются узкополосными усилителя1394035 о

Х z

sin(g t(P ц =-.О -Р, ц = (3)

К вЂ” коэффициенты усиления усилителей 53 и 54;

Б. — интеграль te чувствительности фотодиодов

42 и 43; кругoH61f частоты llo+$ ляции; время;

180 ), где К и

Sf u

t о сР,, = о, 4,, у = о г лучистые потоки от светодиодов, модулированные частотами f- u фазы модуляции ко— торых приняты за нуле- 5 б вуюс = 0;

У,,с = 180 — 180 — лучистые потоки от

2 светоДиодов, модулированных частотами f и

f, фазы модуляции г

2 которых сдвинуты на

Из выражений (2) и (3) видно, что сигналы U =О, U =0, если сР,ср =О

0 z о ° о

= Р,, ср =180, Рy,q =О =Р,(g =180 что возможно в случае совпадения осей отраженного пучка с осью объектива 44 и,, следовательно, с центрами фотодиодов 42 и 43, после отражения от светоделительных элементов 40 и 41. Нулевые сигйалы проходят фаэовые дискриминаторы 55, и 56, попадают в схему

57 сравнения и следуют в ЭВИ через ключ К,. В случае несовпадения оси отраженного пучка с осью автоколлиматора 24 нарушается равенство световых потоков, поступающих на фотодиоды 42 и 43, что приводит к появлению на выходе усилителей 53 и 54 сигналов U и (pg,, отличных от нуля и

I z 5 не равных между собой, Сигналы Uy u

U поступают в фазовые дискриминато2 ры 55 и 56, где происходят их сравнения с опорными сигналами и определение знаков смещений пучков, величины

55 которых регистрируются индикаторами

58 и 59. Так как сигналы Ug и (1 не равны между собой, появление с игми 53 и 54, настроенными на частоты и fz, с выходов которых снимаются сигналы, описываемые выражениями о 5 со! (Р 1 9 с (I 1.

180 )3 (2) нала на выходе схемы 57 сравнения исключается.

Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения профиля полированной поверхности сводится к определению полярных координат точек поверхности относительно ее вершины и оптической оси, Первоначально производится установка (фиг,1. 3 и 5) измеряемой детали 1 в исходное положение, при котором оптическая ось детали 1 совпадает с оптической осью автог оллиматора 24, а вершинная точка О детали 1 совпадает с точкой пересечения оптических осей узлов оптического датчика : автоколлиматора 24, коллиматора 25 и фо" торегистрирующего блока 26, при этом предполагается, что в исходном положении ось 13 пересекает плоскость осей оптического датчика в точке пересечения этих осей. С этой целью базирующая поверхность устанавливается нормально к .оптической оси автоколлиматора 24 путем разворота платформы 12 вокруг оси 13 до момента появления нулевых сигналов на индикаторах 58 и 59. Затем устанавливается на базирующую поверхность измеряемая деталь 1, которая перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям при помощи маховиков 5 и 6 до момента совпадения оси автоколлиматора 24 с оптической осью измеряемой детали, о чем судят по появлению нулевых сигналов на индикаторах 58 и 59. Далее деталь перемещается при помощи маховика 2 вдоль ее оптической оси до момента совпадения точки пересечения оптических осей оптического датчика с вершинной точкой О, о чем судят по появлению нулевого сигнала на индикаторе 64, После установки детали 1 в исходное положение замыкаются ключи К, и

К 2, что обеспечивает подключение выходов узлов оптического датчика к

ЭВМ и выдачу от них команды (нулевых сигналов) на автоматическое измерение координат точек поверхности по программе в следующей последовательности, ЭВИ 31 вырабатывает (фиг.1, 3 и 4) упра.вляющий сигнал на электропривод

19, который при помощи ходовых винта

16 и гайки 18 перемещает платформу 15, а следовательно, и платформу 12 с установленной на ней деталью 1 вдоль

1394035 оси У так, что вершинная точка О занимает положение О, . При этом величина перемещения У1 от датчика 20 фиксируется счетчиком 32 и поступает в

ЭВМ. После начала движения детали вдоль оси У перестают поступать на

ЭВМ сигналы от фотодиодов 42 и 43 автоколлиматора 24, а сигнал от фоторегистрирующего блока 26 становится 1О отличным от О. Затем ЭВМ выдает управляемый сигнал на электропривод 21, который разворачивает на угол о4 платформу 12 вместе с деталью 1 вокруг оси 13, пересекающей вершинную точку О,, до момента появления нулевых сигналов от фотодиодов 42 и 43 и, 1 следовательно, сигнала со схемы 57 сравнения, т.е. до момента совпадения оптической оси автоколлиматора 24 с 2О нормалью к поверхности детали 1 в некоторой точке А. Величина угла oL, поворота детали вокруг вершинной точки О, фиксируется датчиком 22, регистрируется счетчиком 33 и направляется 25 в ЭВМ. После поступления сигнала от схемы 57 сравнения в ЭВМ последняя выдает управляющий сигнал на электропривод 29, который перемещает при помощи ходовых винта 27 и гайки 28 платформу 23 с узлами оптического датчика вдоль оси автоколлиматора, а следовательно, вдоль нормали к поверхности детали 1 в точке А на величину Х, до момента появления нулевого сигнала на выходе фоторегист35 рирующего блока 26. Величина перемещения X фиксируется датчиком 30, регистрируется счетчиком 34 и поступает в 3ВМ.

В результате описанных перемещений (фиг.4) деталь 1 занимает положение, при котором вершина ее поверхности смещается в точку 0 по оси У на величину У, а оптическая ось 0,0 оказывается повернутой на угол < по отношению к ее исходному положению.

Точка А поверхности, координаты которой измеряются, оказывается на оси

X совпадающей с оптической осью автоколлиматора, и приобретает координату ХА. Иэ фиг.4 видно, что полярными координатами точки А относительно оси 0 0 и вершины детали 1 являются радиус-вектор р =О А и угол О наклона- радиус-вектора р> к оптичес- ээ кой оси 0,0 . 11ри этом величина ради-.. ус-вектора p„ определяется из выражения (4) — х + >., A а угол 9 — из выражения

9 =у +P ° (5) =90 -ос,; P. =

И"и, учитывая, что

Ха

= arctg —— o, о Х

9 =90 -R + arctp —— ч

-0 а

Ps= Xe + Yo 1 (7) 8 = 90 -Ы. +агсй8 . (8) о Хь о

Фиг.5 иллюстрирует измерение координаты точки С, крутизна поверхности в которой равна 90 . Формулы для расчета координат этой точки р,= х, + т„; (9)

g = 90 -ot,>+ arctic " (10) о

При необходимости измерения профиля детали в другом сечении деталь 1

В соответствии с выражениями (4) и (6) ЭВМ рассчитывают координату точки А.

Нулевой сигнал с фоторегистрирующего блока 26 дает команду в ЭВМ для выполнения измерения по программе координат следующей точки поверхности. Процесс измерения аналогичен описанному. ЭВМ выдает последовательно управляющие сигналы на электроприводы 19, 21 и 29 (фиг.1), которые обеспечивают перемещение детали вдоль оси

У в положение, при котором ее вершина перемещается в точку О с координатой У, разворот детали вокруг ъ точки О в положение, при котором оптическая ось автоколлиматора 24 совмещается с нормалью к поверхности в некоторой точке В, а оптическая ось детали оказывается в положении

J1

0, повернутом на угол от исходного положения 00, перемещение оптического датчика до момента совпадения точки пересечения его осей с зондируемой точкой В на величину Х .

По величинам измеренных перемещений

ЭВИ рассчитывают полярные координаты точки В относительно оптической оси и вершины поверхности детали 1 в соответствии с формулами

1394035

Ж

47 можно развернуть вокруг ее оси йа угол, отсчитываемый по шкале 11, и провести описанные измерения °

Предлагаемое устройство позволяет измерять профиль полированных поверхностей, имеющих крутизну 90, и обеспечивает повышенную точность измерений эа счет сокращения по сравнению с известным величин перемещений опти-10 ческого датчика. Кинематическая схема устройства позволяет измерять профиль поверхностей с крутизной больше

90, Формула из обретения 15

>

Автоколлимационное устройство для . бесконтактного измерения профнля по1 лированных поверхностей, содержащее

lóýåë базирования контролируемой дета- 20

;ли, платформу, установленный на плат,форме оптический датчик, включающий .оптически связанные фотоэлектричес.кий автоколлиматор, коллиматор и ,фоторегистрирующий блок, вычислитель- 25 ный блок, на входы которого подключены выходы фотоэлектрического автоколлиматора и фоторегистрирующего блока, механизм линейного перемещения платформы вдоль оптической оси автоколлиматора, датчик линейного nepeMemeния платформы, выход которого подключен к входу вычислительного блока, блок обработки, выходы которого связаны с вычислительным блоком, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений, оно снабжено дополнительной платформой, механизмом поворота дополнительной платформы вокруг оси, перпендикулярной плоскости, содержащей оптические оси оптического датчика, н датчиком поворота дополнительной платформы, выход которого подключен к входу вычислительного блока, механизмом линейного перемещения дополнительной платформы вдоль плоскости оптических осей оптического датчика и датчиком линейного перемещения дополнительной платформы, выход которого подключен к входу вычислительного блока.

3394035

1394035

1394035

Составитель О.Несова

Техред И.Аид 1к

Корректор А. Обручар

Редактор O,Юрковецкая

Заказ 2208/36

Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ло делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4