RU112756U1

RU112756U1 - DEVICE FOR LASER TRIANGULATION

Info

Publication number: RU112756U1
Application number: RU2011133611/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Захарович Венедиктов; Александр Дмитриевич Горячев; Виталий Николаевич Тирешкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ"
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-01-20

Abstract

1. Устройство для лазерной триангуляции, содержащее источник излучения, сканатор, содержащий поворотный оптический элемент, связанный с электродвигателем привода вращения поворотного оптического элемента, фотоприемник и блок обработки информации, отличающееся тем, что поворотный оптический элемент выполнен в виде многогранной призмы, при этом сканатор снабжен зеркалами, установленными на полуокружности с центром на оси многогранной призмы наклонно относительно поверхностей граней призмы, при этом призма и зеркала расположены в пространстве с возможностью отражения падающего на призму лазерного луча на зеркала и последующей трансляции отраженных от зеркал лучей на поверхность измеряемого объекта; между фотоприемиком и поверхностью измеряемого объекта размещен объектив, а фотоприемник установлен с возможностью регистрации отраженного от объекта излучения. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество зеркал в сканаторе выбрано равным пяти. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотный оптический элемент выполнен в виде четырехгранной призмы. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено отражателем, расположенным с возможностью направления лазерного луча, генерируемого источником излучения, на многогранную призму. 1. A device for laser triangulation containing a radiation source, a scanner containing a rotary optical element associated with an electric motor drive rotation of the rotary optical element, a photodetector and an information processing unit, characterized in that the rotary optical element is made in the form of a multifaceted prism, and the scanner is equipped with mirrors mounted on a semicircle centered on the axis of the multifaceted prism obliquely relative to the surfaces of the prism faces, while the prism and mirrors are located in space with the possibility of reflecting the laser beam falling on the prism onto the mirrors and subsequent translation of the rays reflected from the mirrors onto the surface of the measured object; a lens is placed between the photodetector and the surface of the measured object, and the photodetector is installed with the ability to register the radiation reflected from the object. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the number of mirrors in the scanner is selected to be five. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the rotary optical element is made in the form of a tetrahedral prism. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with a reflector located with the possibility of directing the laser beam generated by the radiation source to the multifaceted prism.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам и устройствам измерения размеров различных объектов, в частности деталей и узлов железнодорожного подвижного состава.The utility model relates to measuring equipment, namely to optical methods and devices for measuring the size of various objects, in particular parts and assemblies of railway rolling stock.

Для измерения геометрических размеров различных объектов широко используются устройства для лазерной триангуляции, в которых реализован бесконтактный оптический триангуляционный способ. Указанный способ основан на облучении измеряемого объекта зондирующим лазерным излучением, измерении на фотоприемнике отраженного светового сигнала и определении по известным параметрам - базе и углу триангуляции - расстояния до объекта, и далее - профиля его поверхности [1-3].To measure the geometric dimensions of various objects, laser triangulation devices are widely used, in which a non-contact optical triangulation method is implemented. The specified method is based on irradiating the measured object with probing laser radiation, measuring the reflected light signal at the photodetector and determining the distance to the object and the profile of its surface from the known parameters and the base of the triangulation angle [1-3].

В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения принято устройство для лазерной триангуляции, содержащее источник лазерного излучения, генерирующий луч в виде линии, сканатор, выполненный в виде поворотного оптического элемента (зеркала), связанного с электродвигателем привода вращения поворотного оптического элемента, фотоприемник отраженного от объекта излучения и блок обработки информации [4]. Указанное устройство представляет собой лазерный триангулятор сканирующего типа, в котором формируемый источником луч в виде линии проектируется на поворотное зеркало; с помощью электродвигателя зеркало поворачивается и направляет плоский лазерный луч на поверхность исследуемого объекта, осуществляя перемещение (сканирование) луча по поверхности исследуемого объекта для получения полной информации о геометрии его поверхности.As the closest analogue of the claimed technical solution, a device for laser triangulation is adopted, containing a laser radiation source generating a beam in the form of a line, a scanner made in the form of a rotary optical element (mirror) connected to an electric motor of a rotation drive of a rotary optical element, a photodetector reflected from the radiation object and an information processing unit [4]. The specified device is a scanning type laser triangulator in which a beam formed by a source in the form of a line is projected onto a rotary mirror; with the help of an electric motor, the mirror rotates and directs a flat laser beam onto the surface of the object under study, moving (scanning) the beam along the surface of the object under study to obtain complete information about the geometry of its surface.

Недостатком известного устройства для лазерной триангуляции являются большие временные затраты на сканирование исследуемого объекта и получение полной информации о геометрии его поверхности, поскольку в качестве зондирующего агента в каждый момент времени используется только один плоский лазерный луч, что обуславливает низкую производительность известного устройства при контроле геометрии деталей и узлов. Кроме того, при таком способе зондирования поверхности, когда измерение размера (например, диаметра круглого отверстия, длины и ширины щели и т.п.) производится только в одном направлении - при заданной ориентации зондирующего луча на поверхности - сложно с требуемой степенью точности измерить размеры отверстий, щелей, пазов, выемок и т.п., присутствующих на поверхностях деталей, что, как следствие, ограничивает функциональные возможности устройства, принятого в качестве ближайшего аналога.A disadvantage of the known device for laser triangulation is the large time required to scan the object under study and obtain complete information about the geometry of its surface, since only one flat laser beam is used as a probing agent at any time, which leads to low productivity of the known device when monitoring the geometry of parts and nodes. In addition, with this method of sensing the surface, when measuring the size (for example, the diameter of a round hole, the length and width of the slit, etc.) is carried out in only one direction — for a given orientation of the probe beam on the surface — it is difficult to measure the dimensions with the required degree of accuracy holes, slots, grooves, recesses, etc. present on the surfaces of the parts, which, as a result, limits the functionality of the device, adopted as the closest analogue.

Задача, решаемая полезной моделью - создание устройства для лазерной триангуляции с высокой производительностью контроля геометрии деталей и узлов, обладающего широкими функциональными возможностями.The problem solved by the utility model is the creation of a device for laser triangulation with high performance control of the geometry of parts and assemblies with wide functional capabilities.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для лазерной триангуляции, содержащем источник излучения, сканатор, содержащий поворотный оптический элемент, связанный с электродвигателем привода вращения поворотного оптического элемента, фотоприемник и блок обработки информации, поворотный оптический элемент выполнен в виде многогранной призмы, при этом сканатор снабжен зеркалами, установленными на полуокружности с центром на оси многогранной призмы наклонно относительно поверхностей граней призмы, при этом призма и зеркала расположены в пространстве с возможностью отражения падающего на призму лазерного луча на зеркала и последующей трансляции отраженных от зеркал лучей на поверхность измеряемого объекта; между фотоприемиком и поверхностью измеряемого объекта размещен объектив, а фотоприемник установлен с возможностью регистрации отраженного от объекта излучения.This problem is solved by the fact that in the device for laser triangulation containing a radiation source, a scanner containing a rotary optical element coupled to a rotational optical drive motor of the rotary optical element, a photodetector and an information processing unit, the rotary optical element is made in the form of a multifaceted prism, while the scanner equipped with mirrors mounted on a semicircle centered on the axis of the polyhedral prism obliquely relative to the surfaces of the prism faces, while the prism and mirrors are located ozheny in the space with the possibility of reflection of the incident laser beam on the prism mirror and the subsequent broadcast of the reflected beams from the mirrors to the surface of the measured object; a lens is placed between the photodetector and the surface of the measured object, and the photodetector is installed with the possibility of detecting radiation reflected from the object.

В варианте технического решения количество зеркал в сканаторе выбрано равным пяти.In the embodiment of the technical solution, the number of mirrors in the scanner is selected to be five.

В варианте технического решения поворотный оптический элемент выполнен в виде четырехгранной призмы.In a variant of the technical solution, the rotary optical element is made in the form of a tetrahedral prism.

В варианте технического решения устройство снабжено отражателем, расположенным с возможностью направления лазерного луча, генерируемого источником излучения, на многогранную призму.In an embodiment of the technical solution, the device is equipped with a reflector arranged to direct the laser beam generated by the radiation source to a multifaceted prism.

Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображено заявляемое устройство, на фиг.2 иллюстрируется выполнение сканатора.The utility model is illustrated in the drawing. Figure 1 schematically depicts the inventive device, figure 2 illustrates the implementation of the scanner.

Устройство для лазерной триангуляции содержит источник лазерного излучения 1, выполненный, например, в виде лазерного диода, отражатель 2, сканатор, содержащий поворотную четырехгранную призму 3, связанную с электродвигателем привода вращения призмы 4, и систему зеркал 5, количество которых равно пяти, фотоприемник 6, к которому подключен блок обработки информации 7, и объектив 8, размещенный между измеряемым объектом 9 и фотоприемником 6. Зеркала 5 установлены на полуокружности с центром на оси призмы 3 наклонно относительно поверхностей граней призмы 3 таким образом, что угол между плоскостью граней призмы 3 и плоскостью зеркала 5 составляет более 90°. Призма 3 и зеркала 5 расположены в пространстве с возможностью поочередного отражения вращающейся призмой 3 падающего на нее излучения последовательно на все зеркала 5 (по или против часовой стрелки в зависимости от направления вращения призмы 3) и последующей трансляции отраженных от зеркал 5 лучей на поверхность измеряемого объекта 9.The device for laser triangulation contains a laser source 1, made, for example, in the form of a laser diode, a reflector 2, a scanner containing a rotary tetrahedral prism 3, connected to an electric motor for driving the rotation of the prism 4, and a system of mirrors 5, the number of which is five, a photodetector 6 to which the information processing unit 7 is connected, and the lens 8, located between the measured object 9 and the photodetector 6. Mirrors 5 are mounted on a semicircle centered on the axis of the prism 3 obliquely relative to the face surfaces prisms 3 so that the angle between the plane of the faces of the prism 3 and the plane of the mirror 5 is more than 90 °. Prism 3 and mirrors 5 are located in space with the possibility of alternating reflection by the rotating prism 3 of the incident radiation sequentially on all mirrors 5 (clockwise or counterclockwise, depending on the direction of rotation of the prism 3) and subsequent translation of the rays reflected from the mirrors 5 onto the surface of the measured object 9.

Фотоприемник 6 может быть выполнен в виде, например, матричного прибора с зарядовой связью (ПЗС матрицы).The photodetector 6 can be made in the form, for example, of a charge-coupled matrix device (CCD matrix).

Заявляемое устройство, представляющее собой многоплоскостной лазерный триангулятор сканирующего типа, работает следующим образом. Генерируемый лазерным диодом 1 луч падает на отражатель 2, который направляет его на одну из граней вращающейся призмы 3, которая, в свою очередь, преобразует точечный лазерный луч в линию. Отраженное от граней призмы 3 излучение последовательно «пробегает» зеркала 5, которые, в свою очередь, транслируют отраженное от их поверхностей излучение на измеряемый объект 9. В результате на объекте 9 формируется широкое поле сканирования, образованное совокупностью большого количества зондирующих плоских лучей (в случае четырехгранной призмы 3 и пяти зеркал 5 на объект 9 будет проектироваться 20 лучей - 5 групп лучей по 4 луча в каждой группе). Взаимное пространственное расположение указанных групп плоских лучей будет аналогично взаимному пространственному расположению плоскостей зеркал 5, и линии пересечения плоских лучей с поверхностью объекта 9 будут пересекаться друг с другом под различными углами. Отраженное от объекта 9 излучение регистрируется фотоприемником 6, и блок обработки информации 7 вычисляет геометрию поверхности объекта 9.The inventive device, which is a multi-plane laser triangulator of scanning type, operates as follows. The beam generated by the laser diode 1 is incident on the reflector 2, which directs it to one of the faces of the rotating prism 3, which, in turn, converts the point laser beam into a line. The radiation reflected from the faces of the prism 3 sequentially “runs through” the mirrors 5, which, in turn, transmit the radiation reflected from their surfaces to the measured object 9. As a result, a wide scanning field is formed on the object 9, formed by the combination of a large number of probe flat rays (in the case a tetrahedral prism 3 and five mirrors 5 on an object 9 will be projected 20 rays - 5 groups of rays 4 rays in each group). The mutual spatial arrangement of the indicated groups of plane rays will be similar to the mutual spatial arrangement of the planes of the mirrors 5, and the lines of intersection of the plane rays with the surface of the object 9 will intersect with each other at different angles. The radiation reflected from the object 9 is registered by the photodetector 6, and the information processing unit 7 calculates the surface geometry of the object 9.

Наличие большого количества плоских лучей (и соответствующее расширение поля сканирования) позволяет значительно сократить время, необходимое для сканирования всей поверхности объекта и, соответственно - повысить производительность контроля геометрии деталей и узлов, а указанная выше взаимная ориентация различных групп лучей на поверхности объекта позволяет с требуемой степенью точности измерить размеры часто присутствующих на поверхностях деталей отверстий, пазов, выемок и т.п., в результате чего расширяются функциональные возможности устройства для лазерной триангуляции.The presence of a large number of plane rays (and the corresponding expansion of the scanning field) can significantly reduce the time required to scan the entire surface of the object and, accordingly, increase the productivity of controlling the geometry of parts and assemblies, and the above mutual orientation of different groups of rays on the surface of the object allows the required degree accurately measure the dimensions of holes, grooves, recesses, etc., often present on surfaces of parts, as a result of which the functional possibilities are expanded awn device for laser triangulation.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. А.З.Венедиктов. Основные принципы построения оптико-электронных систем триангуляционных измерителей. Вестник РГРТА. Вып.15, 2004. - С.45-51.1. A.Z. Venediktov. Basic principles for the construction of optoelectronic systems of triangulation meters. Bulletin RGRTA. Issue 15, 2004 .-- S.45-51.

2. Патент США №6624899, МПК7 G01B 11/14, 2003 г.2. US patent No. 6624899, IPC7 G01B 11/14, 2003

3. Патент США №5056922, МПК5 G01B 11/24, 1991 г.3. US Patent No. 5056922, IPC5 G01B 11/24, 1991

4. Патент США №5870220, МПК6 G02B 26/08, 1999 г.4. US patent No. 5870220, IPC6 G02B 26/08, 1999

Claims

1. Device for laser triangulation, containing a radiation source, a scanner containing a rotary optical element associated with an electric motor of a rotary drive of a rotary optical element, a photodetector and an information processing unit, characterized in that the rotary optical element is made in the form of a multifaceted prism, while the scanner is equipped with mirrors mounted on a semicircle centered on the axis of a multifaceted prism obliquely relative to the surfaces of the faces of the prism, while the prism and mirrors are located in of the space with the possibility of reflection of the incident laser beam on the prism mirror and the subsequent broadcast of the reflected beams from the mirrors to the surface of the measured object; a lens is placed between the photodetector and the surface of the measured object, and the photodetector is installed with the possibility of detecting radiation reflected from the object.

2. The device according to claim 1, characterized in that the number of mirrors in the scanner is selected equal to five.

3. The device according to claim 1, characterized in that the rotary optical element is made in the form of a tetrahedral prism.

4. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a reflector arranged to direct the laser beam generated by the radiation source to a multifaceted prism.