CS256968B1

CS256968B1 - Device for machined surface's structure contactless measuring

Info

Publication number: CS256968B1
Application number: CS858693A
Authority: CS
Inventors: Bohumir Ciganek
Original assignee: Bohumir Ciganek
Priority date: 1985-11-29
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS869385A1

Abstract

Řešení se týká zařízení, které umožňuje zjišťovat charakteristické hodnoty, kterými je definována kvalita povrchu opracované plochy. Známá optická soustava je doplněna válcovým optickým členem a rotujícím válcem, jehož osa rotace leží v obrazové rovině válcového členu, jehož povrch je v blízkosti uvedeného optického členu, a na jeho povrchu jsou vytvořeny jednak kalibrační transparentní clony, jednak měřicí clony, které umožňují zjištovat charakteristické hodnoty povrchu opracované plochy porovnáváním extrémních hodnot fotoproudů.The solution concerns a device that allows identify characteristic values by which surface quality is defined machined surfaces. Known optical system is complemented by a cylindrical optical member a a rotating cylinder whose axis of rotation lies in the image plane of the cylindrical member, of which the surface is close to said optical the member and are formed on its surface on the one hand, the calibration transparent orifices, on the one hand, metering orifices that allow characteristic surface values machined surfaces by comparing extreme photocurrent values.

Description

Vynález se týká zařízení pro měření struktury povrchu opracované plochy bezkontaktním způsobem.The invention relates to a device for measuring the surface texture of a treated surface in a non-contact manner.

Podstata jedné z používaných metod spočívá v tom, že na měřenou plochu se nechá kolmo dopadnout úzký, homogenní, s výhodou monochromatický, světelný svazek a fotometricky se zjištuje rozdělení intenzity ve svazku odraženého světla. Geometrické rozměry odraženého svazku světelné energie v něm jsou závislé jednak na geometrii úhlu dopadu a rozdělení energie v dopadajícím svazku, jednak na struktuře a odrazových vlastnostech měřeného povrchu. Hodnocení se provádí tak, že se na vyšetřované ploše zvolí směr, ve kterém se provede matematické zpracování všech příspěvků intenzit světla, které bylo po odrazu rozptýleno a přispívá do vyšetřovaného směru.The essence of one of the methods used is that a narrow, homogeneous, preferably monochromatic, light beam is incident perpendicularly to the measured area and the intensity distribution in the reflected light beam is determined photometrically. The geometric dimensions of the reflected beam of light energy depend on the geometry of the angle of incidence and the distribution of energy in the incident beam, and on the structure and reflection properties of the measured surface. The evaluation is carried out by selecting the direction in the area to be investigated in which mathematical processing of all light intensities which, after reflection, is dispersed and contributes to the direction to be investigated is carried out.

Uvedené zařízení je v dosavadní praxi realizováno tak, že svazek paprsků odražený od vyšetřované plochy se zobrazí na plošný fotoreceptor, který je složen z většího počtu spektrálně i lineárně stejně citlivých fotočidel. Údaje jednotlivých fotočidel se převedou na číslicové údaje, které se zpracují počítačem tak, aby se získaly hodnoty používané pro hodnocení kvality měřeného povrchu. Zjištěné hodnoty vystupují z počítače jako číselné údaje, nebo jsou graficky zobrazovány na obrazovce připojeného monitoru.In practice, said device is realized in such a way that a beam of rays reflected from the examined area is displayed on a surface photoreceptor, which consists of a plurality of spectrally and linearly equally sensitive photo sensors. The data of each photo sensor is converted into digital data, which is processed by a computer to obtain the values used to assess the quality of the measured surface. The measured values are output from the computer as numeric data or are graphically displayed on the connected monitor screen.

Nevýhodou uvedených zařízení je vysoká technická náročnost, která je dána jednak nutností použít fotoreceptor s mnoha čidly, které musí mít malé rozměry avšak shodnou spektrální citlivost a potřebnou linearitu v celé fotometrické oblasti. Další nevýhodou je náročnost vyhodnocovacího systému, který provádí analýzu rozděleni intenzity světla v odraženém svazku.The disadvantage of these devices is high technical demands, which is due to the necessity to use a photoreceptor with many sensors, which must be small in size but with the same spectral sensitivity and the required linearity in the whole photometric area. Another disadvantage is the difficulty of the evaluation system which performs analysis of the light intensity distribution in the reflected beam.

Uvedené nevýhody ve značné míře odstraňuje předmět vynálezu, kterým je zařízení pro měření struktury povrchu opracované plochy bezkontaktním způsobem, tvořené zdrojem světelného záření, s výhodou mbnochromatickým, který je úzkým rovnoběžným svazkem, který dopadá kolmo na povrch opracované plochy, na tuto plochu zobrazen a kteréžto zařízení je dále opatřeno optickou soustavou pro soustředění svazku paprsků vstupujících po odrazu, rozptylu a průchodu clonou na fotoelektrický receptor.These disadvantages are largely eliminated by the object of the present invention, which is a device for measuring the surface texture of a surface in a non-contact manner, preferably a light source, preferably mbnochromatic, which is a narrow parallel beam that is perpendicular to the surface of the surface. the apparatus is further provided with an optical system for concentrating the beam of rays entering after reflection, scattering and iris passage at the photoelectric receptor.

Podstatou vynálezu je, že mezi válcovým optickým členem a fotoelektriokým receptorem je uložen rotující válec, jehož osa rotace je rovnoběžná s podélnou osou válcového optického členu a která leží v jeho obrazové rovině a na povrchu válce je vytvořena alespoň jedna měřicí clona, jejíž obvodová délka je větší než maximální vzdálenost krajních aperturních svazků na ploše rotujícího válce a její výška je menší než délka obrazu vytvořeného v obrazové rovině válcového optického členu, přičemž propustnost měřicí clony je ve směru rotace válce proměnná a k ose měřicí clony rovnoběžné s osou rotace válce symetrická.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a rotating cylinder between the cylindrical optical member and the photoelectric receptor, the axis of rotation of which is parallel to the longitudinal axis of the cylindrical optical member and at least one metering orifice. greater than the maximum distance of the outer aperture beams on the surface of the rotating cylinder and its height is less than the length of the image formed in the image plane of the cylindrical optical member, the transmittance of the metering orifice varying in the direction of rotation of the roller;

Další podstatou vynálezu je, že dále po stranách měřicí clony je vytvořena alespoň jedna dvojice kalibračních clon, jejichž podélná osa je rovnoběžná se směrem rotace válce, jejich délka odpovídá alespoň délce měřicí clony a transparence obou kalibračních clon je konstantní, přičemž transparence druhé kalibrační clony je nulová.It is a further object of the invention that at least one pair of calibration orifices is formed on the sides of the measuring orifice, the longitudinal axis of which is parallel to the direction of rotation of the cylinder, their length corresponds at least to the measuring orifice. zero.

Vyšší účinek zařízení podle vynálezu se projeví v tom, že umožňuje použít jako receptoru jediné fotoelektrické čidlo, které nemusí být malé a u kterého je možno jednoduchými a známými způsoby dosáhnout, zvláště při použití úzkého spektrálního rozsahu použitého světla, potřebnou lineární závislost mezi osvětlením čidla a fotoproudem.The higher effect of the device according to the invention results in the fact that it is possible to use as a receptor a single photoelectric sensor, which may not be small and in which simple and known methods can achieve the required linear dependence between sensor illumination and photocurrent .

Další podstatnou výhodou je, že pro stanovení požadovaných parametrů zjištované jakosti povrohu nemusí být použito počítače. Potřebnou sumarizaci provádí zařízení podle vynálezu přímo, přičemž přesnost převážně závisí na přesnosti transparence měřicích clon. Navíc může být transparence měřicích clon upravena tak, že jí lze jednoduše korigovat případné skreslující vlivy transparence použité optické soustavy. Zařízení může být realizováno jako kompaktní přenosná jednotka malých rozměrů, což lze výhodně využít při práci mimo laboratoř, zejména ve výrobním procesu. Lze také použít jako dostatečně přesné čidlo při automatizaci výrobních a kontrolních procesů.Another significant advantage is that computers do not have to be used to determine the desired surface quality parameters. The required summarization is carried out directly by the device according to the invention, the accuracy largely depending on the transparency of the measuring orifices. In addition, the transparency of the metering orifices can be adjusted so that it can be easily corrected for any distorting effects of the transparency of the optical system used. The device can be implemented as a compact, portable unit of small size, which can be advantageously used when working outside the laboratory, especially in the manufacturing process. It can also be used as a sufficiently accurate sensor in the automation of production and inspection processes.

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je znázorněno schématicky na připojených výkresech, kde na obr. 1 je optická soustava zařízení, na obr. 2 je znázorněn řez v rovině A-A optickou soustavou podle obr. 1, na obr. 3 je znázorněna část povrchu rozvinutého válce podle obr. 1, na obr. 4 je znázorněno provedení měřicích clon a na obr. 5 je znázorněna jiná optická soustava zařízení podle vynálezu.An exemplary embodiment of the device according to the invention is shown schematically in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows the optical system of the device, Fig. 2 shows a section in plane AA through the optical system according to Fig. 1; FIG. 1, FIG. 4 shows an embodiment of the metering orifice, and FIG. 5 shows another optical system of the device according to the invention.

Optická soustava 2 podle obr. 1 a obr. 2 je tvořena světelným zdrojem 10, částečně propustným zrcadlem 11, spojnou soustavou 12, kolmo uspořádaným monochromatickým filtrem 13 a spojným válcovým členem 14., na kterém je vytvořena válcová plocha 140 s osou 141.The optical assembly 2 of FIGS. 1 and 2 is comprised of a light source 10, a partially transmissive mirror 11, a connection assembly 12, a monochromatic filter 13 perpendicularly arranged, and a connecting cylindrical member 14 on which a cylindrical surface 140 with an axis 141 is formed.

Spojný válcový člen 14 má obrazovou rovinu 142. V obrazové rovině 142 je uložen fotoelektrický receptor 2» tvořený kupř. fotodiodou. Součástí popisovaného zařízení je dále válec 4 s osou 400, která také leží v obrazové rovině 142 spojného válcového členu 14. Na obr. 1 je dále znázorněna vyšetřovaná opracovaná plocha 2 ^s povrchem 20.The connecting cylindrical member 14 has an image plane 142. The image plane 142 houses a photoelectric receptor 2 formed, for example. photodiode. The apparatus 4 further comprises a cylinder 4 with an axis 400, which also lies in the image plane 142 of the connecting cylindrical member 14. In FIG. 1, the workpiece 2 ^{to be} examined is further shown ^{with the} surface 20.

Na obr. 1 je dále znázorněn svazek 100 paprsků dopadajících na povrch 20 a odražený svazek 101 rozptýlených paprsků (obr. 1 a obr. 2) dále rovnoběžný svazek 102 odražených paprsků mezi spojnou soustavou 12 a spojným válcovým členem 14 a výstupní svazek 150 paprsků vycházejících ze spojného válcového členu 21· Tento svazek má krajní aperturní paprsky 151.Referring to FIG. 1, a beam 100 incident on the surface 20 and a reflected beam of scattered beam 101 (FIGS. 1 and 2), a parallel beam reflected beam 102 between the joint assembly 12 and the cylindrical member 14, and a beam output beam 150 exiting are shown. This bundle has extreme aperture spokes 151.

Na obr. 3 je znázorněna rozvinutá část válce 1, na kterém je vytvořena soustava clon a to: první kalibrační clona 45, druhá kalibrační clona 16, první měřicí clona 41 a druhá' měřicí clona 42. Všechny tyto clony jsou na válci _4 vytvořeny tak, že jejich osy 40 jsou rovnoběžné s osou 400 válce 4 a jsou vzhledem ke své ose 40 ve směru T rotace válce 2 symetrické. Obvodová délka 410 uvedených clon je větší, než obvodová vzdálenost průsečíků krajních aperturních paprsků 151 výstupního svazku 150 s povrchem válce 2· Maximální výška 420 jednotlivých clon je menší, než je délka 160 obrazu 16, který je vytvořen v obrazové rovině 142 spojného válcového členu 21/ jak je znázorněno na obr. 2.FIG. 3 shows the deployed part of the cylinder 1 on which the orifice assembly is formed, namely: a first orifice plate 45, a second orifice plate 16, a first orifice plate 41, and a second orifice plate 42. All these orifices are formed on the cylinder 4 so in that their axes 40 are parallel to the axis 400 of the cylinder 4 and are symmetrical with respect to their axis 40 in the direction of rotation T of the cylinder 2. The peripheral length 410 of said apertures is greater than the peripheral distance of the intersections of the outer aperture beams 151 of the exit beam 150 with the surface of the cylinder 2. The maximum height 420 of the individual apertures is less than the length 160 of the image 16 formed in the image plane 142 as shown in FIG. 2.

Tvary jednotlivých clon jsou podle obr. 3 voleny tak, že první kalibrační clona 21 je tvořena zcela transparentním obdélníkem uvedených rozměrů, zatímco druhá kalibrační clona 46 je tvořena stejným obdélníkem s nulovou transparencí. V praxi·· je druhá kalibrační clona 46 tvořena částí nepropustného povrchu válce 2 ^v mezeře dvěma následujícími měřicími clonami. První měřicí clona 41 je v příkladném provedení tvořena zcela transparentní plochou, která má rovinnou základnu a maximální výšku 420 v ose 40. Zbývající část obrysu první měřicí clony 41 je omezena parabolou, která je symetrická k ose 40 měřicí clony 41 a končí v koncových bodech základny, kde je také nulová transparence první měřicí clony 41.The shapes of the individual orifices are selected according to FIG. 3 such that the first orifice plate 21 is formed by a completely transparent rectangle of the stated dimensions, while the second orifice plate 46 is formed by the same zero-transparency rectangle. In practice, the second calibration orifice 46 is formed by a portion of the impermeable surface of the cylinder 2 ^{in the} gap by two successive metering orifices. In the exemplary embodiment, the first orifice 41 is formed by a completely transparent surface having a planar base and a maximum height 420 in axis 40. The remaining portion of the outline of the first orifice 41 is limited by a parabolic symmetrical to the orifice axis base, where there is also zero transparency of the first measuring orifice 41.

Druhá měřicí clona 42 je opět tvořena zcela transparentní plochou, která má opět rovinnou základnu a maximální výšku 420 v ose 40. Zbývající část obrysu druhé měřicí clony 42 je omezena dvěma přímkami souměrnými vůči ose 40. Sklon těchto přímek je takový, že končí v koncových bodech základny, kde je nulová transparence druhé měřicí clony 42.The second measuring orifice 42 is again formed by a completely transparent surface, again having a planar base and a maximum height 420 in axis 40. The remainder of the outline of the second measuring orifice 42 is limited by two lines symmetrical to the axis 40. The inclination of these lines is such that points of the base where there is zero transparency of the second orifice 42.

Na obr. 4 je znázorněna dvojice jiného typu měřicích clon 22/ Al· Třetí clona 22 je v podstatě svou transparencí doplňkovou k první cloně 41 podle obr. 3. Znamená to, že maximální výška 420 je v koncových bodech základny a nulová transparence je v ose 40.Fig. 4 shows a pair of another type of metering orifice plate 22 / Al. The third orifice plate 22 is substantially complementary to the first orifice plate 41 of Fig. 3. This means that the maximum height 420 is at the base endpoints and zero transparency is axis 40.

Čtvrtá měřicí clona 44 odpovídá transparenci v koncových bodech základny a na ose 40 transparencím předchozí tj. třetí měřicí clony 22· Zbývající část obrysu je omezena dvojicí přímek symetrických k ose 40.The fourth metering orifice 44 corresponds to the transparency at the endpoints of the base and on the axis 40 to those of the previous measuring orifice 22. The remaining part of the contour is limited by a pair of lines symmetrical to the axis.

Optická soustava podle obr.5 se od soustavy podle obr. 1 liší tím, že jako děliče světla je použita částečně propustná kostka 17 a že za soustavou clon na válci 2 3^e umístěn přídavný optický spojný člen 18, jehož prostřednictvím je obraz 16 vytvářen mimo obrazovou rovinu 142 spojného válcového členu 14. Fotoelektrický receptor 2 je opět umístěn v rovině obrazu 16Optical system according to Figure 5, the system of FIG. 1 differs in that the beam splitter is used partially transmissive cube 17 and that the shutter assembly to the cylinder ³ and two additional optical spot converging member 18, through which the image is formed outside 16 the image plane 142 of the connecting cylindrical member 14. The photoelectric receptor 2 is again located in the plane of the image 16

Zařízení podle obr. 1 a obr. 2 pracuje následovně. Ozký svazek 100 paprsků vychází ze zdroje 10, prochází částečně propustným zrcadlem 11 a je spojnou soustavou 12 soustředěn na povrch 20 měřené opracované plochy 2. Svazek 100 paprsků dopadá na uvedenou opracovanou plochu 2 kolmo. Na nerovném povrchu 20 se odráží jednotlivé paprsky 151 do různých směrů. Odražený svazek 101 paprsků prochází zpět spojnou soustavou 12 a je jako soustava 102 rovnoběžných svazků odrážen částečně propustným zrcadlem 11 k měřicí části zařízení.The apparatus of FIGS. 1 and 2 operates as follows. A narrow beam 100 extends from the source 10, passes through a partially transparent mirror 11 and is centered by the assembly 12 on the surface 20 of the workpiece 2 to be measured. The beam 100 impinges on said workpiece 2 perpendicularly. On the uneven surface 20, the individual beams 151 reflect in different directions. The reflected beam 101 passes back through the bonding assembly 12 and is reflected as a parallel beam array 102 by a partially transparent mirror 11 to the measuring portion of the device.

Tato je tvořena spojným válcovým členem 14, jehož válcová plocha 140 přetvoří svazek paprsků 102 na sbíhavý výstupní svazek 150, který má ty vlastnosti, že rozdělení intenzity světla v něm je v dostatečné míře stejné v rovinných řezech rovnoběžných s rovinou nákresu, respektive kolmých na osu 400 válce V každém z těchto řezů je naopak v blízkosti spojného válcového členu 14 podél obvodu válce ý rozděleni intenzity světla v odraženém svazku 101 paprsků a tedy i charakteristické pro měřenou strukturu povrchu 20 opracované plochy 2. Výstupní svazek 150 je soustředěn na fotoelektrický receptor , jehož fotoproud je úměrný energii dopadajícícho světla a je indikován neznázoměným zařízením, které indikuje extrémní hodnoty. Rozdíl fotoproudů, který odpovídá energiím za první kalibrační clonou 45 a druhou kalibrační clonou 46 vymezuje oblast měření a tedy základní rozsah neznázorněného indikačního zařízení.This is formed by a continuous cylindrical member 14 whose cylindrical surface 140 transforms the beam 102 into a converging output beam 150 having the properties that the light intensity distribution therein is sufficiently equal in plane sections parallel to the plane of the drawing or perpendicular to the axis 400 of the roll In each of these sections, on the other hand, in the vicinity of the connecting cylindrical member 14 along the circumference of the roll, there is a light intensity distribution in the reflected beam 101 and hence characteristic of the measured surface structure 20 of the treated area. the photocurrent is proportional to the energy of the incident light and is indicated by a device (not shown) indicating extreme values. The difference in photocurrent, which corresponds to the energies behind the first orifice plate 45 and the second orifice plate 46, defines the measurement range and thus the basic range of the indicating device (not shown).

Extrémní hodnoty fotoproudů po průchodu výstupního svazku paprsků 150 první měřicí clonou 41 a druhou měřicí clonou 42 podle obr. 3 odpovídají hledaným charakteristickým hodnotám, kterými je definována zjištovaná kvalita povrchu 20 opracované plochy 2.The extreme values of the photocurrents after passing the output beam 150 through the first orifice plate 41 and the second orifice plate 42 of FIG. 3 correspond to the desired characteristic values which define the surface quality 20 of the treated surface 2.

Podobného výsledku se dosáhne, když je na povrchu válce ý vytvořena třetí měřicí clona 43 a čtvrtá měřicí clona 44 podle obr. 4.A similar result is obtained when a third metering orifice 43 and a fourth metering orifice 44 of FIG. 4 are formed on the surface of the cylinder.

Ve výhodném provedení je možno upravit maximální výšky 420 jednotlivých měřicích clon 42., 42 a kalibračních clon £5, 46 tak, že maximální fotoproud za každou z těchto clon bude stejný. V tomto případě je možno výhodně pro měřeni fotoproudů použít společné stupnice, nebo společného indikátoru extrémní hodnoty. Tato skutečnost je zvlášt výhodná při aplikaci zařízení podle vynálezu u přenosných zařízení, nebo při automatizaci měřicího procesu.In a preferred embodiment, the maximum heights of 420 of the individual orifice plates 42, 42 and the orifice plates 54, 46 may be adjusted such that the maximum photocurrent for each of these orifices will be the same. In this case, a common scale or a common indicator of the extreme value can advantageously be used to measure the photocurrent. This is particularly advantageous when applying the device according to the invention to portable devices or to automate the measuring process.

Je zřejmé, že stejného účinku se dosáhne v případě, že jednotlivé clony nejsou vytvořeny podle obr. 3 a obr. 4. Proměnná propustnost může být realizována změnou optické hustoty jednotlivých částí clon.It will be appreciated that the same effect is obtained when the individual orifices are not formed according to Figures 3 and 4. Variable transmittance can be realized by varying the optical density of the individual portions of the orifices.

Stejného účinku je také možno dosáhnout! změnou geometrie křivek vymezujících tvar clony při zachování podmínky, že celková propustnost v libovolném řezu clonou rovnoběžném s její osou 40 odpovídá propustnosti ve shodném řezu odpovídající clonou podle obr. 3 nebo obr. 4.The same effect can also be achieved! by changing the geometry of the curves defining the shape of the orifice while maintaining the condition that the total throughput in any cross-section of the orifice parallel to its axis 40 corresponds to that of the same cross-section corresponding to the orifice of Figure 3 or Figure 4.

Claims

A device for measuring the surface texture of a surface to be treated in a non-contact manner, comprising a light source, for example monochromatic, which is a narrow parallel beam that is perpendicular to the surface of the surface to be treated reflection, scattering and aperture travel to the photoelectric receptor, characterized in that between the cylindrical optical member (14) and the photoelectric receptor (3) is a rotating cylinder (4) whose axis of rotation (400) is parallel to the longitudinal axis (141) a cylindrical optical member (14) which lies in its image plane (142) and on the surface of the roll (4) is formed at least one metering orifice (41) whose peripheral length (410) is greater than the maximum distance of the outer aperture rays (151) the surface of the rotating cylinder (4) and whose height (420) is smaller than the image length (160) (Γ6) formed in the image plane (142) of the cylindrical optical member (14), wherein the throughput of the metering orifice (41) is variable in the direction (T) of the rotation of the cylinder (4) and to the axis (40) of the metering orifice (41, 42, 43); 44) parallel to the axis (400) of rotation of the roll (4) of symmetry.

Device for measuring the surface texture of a surface according to claim 1, characterized in that at least one pair of calibration orifices (45, 46), the longitudinal axis of which is parallel to one another, is formed on the sides of the measuring orifice (41, 42, 43, 44). with the rotation direction (T) of the cylinder (4), the length of which corresponds at least to the length (410) of the measuring orifice (41, 42, 43, 44) and the transparency of both calibration orifices (45, 46) is constant, ) is zero.