RU167011U1 - Трехосная система углового контроля - Google Patents

Abstract

Трехосная система углового контроля, содержащая отражающий элемент, установленный на объект контроля, проекционную и принимающую системы, и блок обработки информации, отличающаяся тем, что система снабжена двумя фотоэлектрическими автоколлиматорами, а отражающий элемент выполнен в виде двух плоских зеркал, каждое из которых закреплено в своей оправе, позволяющей разворачивать зеркала на определенный угол вокруг вертикальной оси, при этом проекционная и принимающая системы совмещены в каждом фотоэлектрическом автоколлиматоре, причем каждый из двух фотоэлектрических автоколлиматоров установлен на ползуне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси симметрии системы, и разворота вокруг вертикальных осей таким образом, чтобы их оси были перпендикулярны соответствующим зеркалам отражающего элемента.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения изменений пространственного углового положения крупногабаритных объектов относительно некоторой базы в различных отраслях промышленности, в частности, в космической отрасли.

Системы углового контроля, как правило, строятся с использованием фотоэлектрических автоколлиматоров и отражающих элементов, устанавливаемых жестко на объектах контроля. В качестве отражающих элементов обычно используются зеркала или различные призмы.

Основным требованием, предъявляемым к системам автоколлиматорного контроля, является высокая точность измерения угловых поворотов контролируемого объекта.

Для одновременного измерения углов поворота контролируемого объекта вокруг трех осей, как правило, применяются автоколлимационные фотоэлектрические системы, использующие тетраэдрические отражатели [1, 2].

Основными недостатками системы являются сложность оптической схемы и низкий коэффициент передачи по каналу скручивания [2]. Кроме того, тетраэдрический отражатель представляет определенные трудности при изготовлении.

Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является трехосная система углового контроля [3].

Система имеет в своем составе проекционную и принимающую системы, смонтированные на общем основании и содержащие источник и приемник излучения, светоделительный кубик, два объектива и ряд призм, направляющих параллельные пучки излучения, выходящие из объективов, на контрольный элемент, в качестве которого используется четырехгранный отражатель, устанавливаемый на объект контроля. При этом пучки лучей, направляемые на четырехгранный отражатель, составляют с осью симметрии системы углового контроля равные, но противоположно направленные, углы.

Обработка получаемой информации осуществляется в специальном электронном блоке.

К недостаткам известной системы следует отнести:

- сложность изготовления четырехгранного отражателя;

- сложность оптической системы;

- заниженные функциональные возможности в связи с тем, что оптическая схема при варьировании требований к системе требует изготовления других оптических компонентов.

Основной задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является упрощение конструкции отражающего элемента, оптической схемы и расширение функциональных возможностей системы.

Для решения поставленной задачи предлагается трехосная система углового контроля, которая, как и прототип, содержит отражающий элемент, установленный на объект контроля, проекционную и принимающую системы, и блок обработки информации.

В отличие от прототипа система снабжена двумя фотоэлектрическими автоколлиматорами, а отражающий элемент выполнен в виде двух плоских зеркал, каждое из которых закреплено в своей оправе, позволяющей разворачивать зеркала на определенный угол вокруг вертикальной оси, при этом проекционная и принимающая системы совмещены в каждом фотоэлектрическом автоколлиматоре, причем каждый из двух фотоэлектрических автоколлиматоров установлен на ползуне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси симметрии системы, и разворота вокруг вертикальных осей таким образом, чтобы их оси были бы перпендикулярны соответствующим зеркалам отражающего элемента.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в конструктивном решении трехосной системы углового контроля, что позволяет получить более простую оптическую схему и расширить функциональные возможности всей системы.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков предлагаемой трехосной системы углового контроля позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - представлена общая оптическая схема трехосной системы углового контроля.

Трехосная система углового контроля состоит из кронштейна 1, закрепляемого на объекте контроля 2. На кронштейне 1 установлены в оправах 3 зеркала 4. Оправы 3 имеют возможность разворачиваться вокруг вертикальных осей O₁ и O′₁ и закрепляться на кронштейне 1. При этом нормали

и

к зеркалам 4 развернуты друг относительно друга на одинаковые углы φ в противоположные стороны по отношению к оси симметрии O₂ O₂ системы.

Для измерения угловых смещений объекта контроля 2 в предлагаемой системе на основании 5 установлены два совершенно одинаковых фотоэлектрических автоколлиматора (ФАК) 6, каждый из которых закрепляется на ползуне 7. Ползуны 7 могут перемещаться по основанию 5 вдоль оси O₃ O₃, перпендикулярной оси симметрии O₂ O₂ системы и фиксироваться на нем.

Фотоэлектрические автоколлиматоры 6 имеют возможность разворачиваться вокруг вертикальных осей O₄ и O′₄.

Это позволяет перестраивать трехосную систему углового контроля при изменении технических требований к ней, а именно при изменении угла 2 φ между нормалями к зеркалам 4 и расстояния L между объектом контроля 2 и основанием 5.

В состав фотоэлектрических автоколлиматоров 6 входят источник излучения 8, конденсор 9, диафрагма 10, полупрозрачная пластина 11, объектив 12 и приемник излучения ПЗС-матрица 13.

Выходы с ПЗС-матрицы 13 соединены с блоком обработки информации 14, установленным на основании 5.

Конструктивные параметры и результаты расчета конкретной оптической системы.

В расчетах поворотов объекта контроля 2 используются законы отражения в векторной форме. Все величины выше второго порядка малости не учитываются. Вводим три системы координат:

X, Y, Z - связана с объектом контроля 2.

X_л, Y_л, Z_л - связана с левым фотоэлектрическим автоколлиматором (ФАК).

X_п, Y_п, Z_п - связана с правым фотоэлектрическим автоколлиматором (ФАК).

Все системы координат правые, оси Y, Y_л и Y_п перпендикулярны плоскости чертежа и направлены вверх.

В исходном положении имеем:

- в системе координат X_л, Y_л, Z_л

нормаль к левому зеркалу

луч, выходящий из левого фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК)

- в системе координат X_п, Y_п, Z_п

нормаль к правому зеркалу

луч, выходящий из правого фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК)

1. Запишем в векторной форме лучи

и

, отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 на малый угол α против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси X) и входящие в фотоэлектрические автоколлиматоры:

Таким образом, при повороте объекта контроля 2 на малый угол α (в радианах) вокруг оси X изображение круглой диафрагмы 10 (ИКД) сместится от начального положения вдоль осей Y_л и Y_п на одинаковую величину

, где ƒ_ФАК - фокусное расстояние объектива 12, и на одинаковую величину второго порядка малости вдоль осей X_л и X_п, но в противоположных направлениях:

и

.

2. Запишем в векторной форме лучи

и

, отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 вокруг оси Y на малый угол β против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси Y) и входящие в ФАК.

Совершенно очевидно, что

и

и смещение ИКД 10 от начального положения произойдет вдоль осей X_л и X_п, на одинаковую величину

и

(Синусы малых углов заменены на сами углы в радианном исчислении).

3. Запишем в векторной форме лучи

и

, отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 вокруг оси Z на малый угол γ против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси Z) и входящих в ФАК:

Таким образом, при повороте объекта контроля 2 на малый угол γ вокруг оси Z смещение ИКД 10 от начального положения произойдет вдоль осей Y_л и Y_п на одинаковую величину, но в противоположных направлениях:

и

Одновременно произойдет смещение ИКД 10 вдоль осей X_л и X_п, на одинаковую величину второго порядка малости, но тоже в противоположных направлениях:

и

В результате получаем следующие суммарные смещения ИКД 10 от начального положения:

Левая ПЗС-матрица:

Правая ПЗС-матрица:

В вычислительном блоке 14 осуществляется определение углов разворота объекта контроля 2 вокруг всех трех осей по следующим формулам:

- угол α определяется из формулы

, т.е. коэффициент передачи К_α=2cosφ;

- угол β определяется из формулы

, т.е. коэффициент передачи К_β=2;

- угол γ определяется из формулы

, т.е. коэффициент передачи К_γ=4sinφ.

Меняя угол φ, можно получить различные по величине коэффициенты передачи К_α и К_γ.

Пусть, например, будет К_α=К_γ. Тогда 2cosφ=4sinφ и tgφ=0,5.

Отсюда φ=arctg0,5=26° 33′ 54″

При данном значении φ К_α=К_γ≈1,789 и все коэффициенты передачи становятся практически одинаковыми.

Если по каким-то соображениям достаточно, чтобы К_γ=1, тогда φ=14° 28′ 39″ и К_α=1,936.

Более того, когда нет необходимости измерять разворот объекта контроля 2 вокруг оси Z, схема легко перестраивается в двухосную с использованием одного зеркала 4 и одного фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК) 6.

Работа трехосной системы углового контроля осуществляется следующим образом.

Источник излучения 8 с помощью конденсора 9 проектируется в плоскость диафрагмы 10, представляющей собой круглое отверстие диаметром 0,2-0,5 мм. Диафрагма 10 находится в фокальной плоскости объектива 12.

С помощью полупрозрачной пластины 11 излучение направляется к объективу 12. После объектива 12 параллельный пучок направляется на зеркало 4. Отраженный от зеркала 4 параллельный пучок снова направляется в объектив 12 и, проходя полупрозрачную пластину 11, фокусируется на ПЗС-матрице 13, образуя изображение круглой диафрагмы 10.

Информация с ПЗС-матрицы 13 поступает в блок обработки информации 14, где и осуществляется определение угловых разворотов объекта контроля 2 вокруг трех осей координат X, Y, Z.

Таким образом, в предлагаемой трехосной системе углового контроля достигнуто упрощение конструкции отражающего элемента и оптической схемы, а также расширение функциональных возможностей системы.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. Справочник. М: Недра, 1991 г., с. 211, 212, 213 (РФ).

2. Коняхин И.А., Тургалаева Т.В. Трехкоординатный цифровой автоколлиматор. Оптический журнал, 80, 12, 2013 (РФ).

3. США, патент №4721386 МПК: G01B 11/26, 1988 г. - прототип.

Claims (1)

1. Трехосная система углового контроля, содержащая отражающий элемент, установленный на объект контроля, проекционную и принимающую системы, и блок обработки информации, отличающаяся тем, что система снабжена двумя фотоэлектрическими автоколлиматорами, а отражающий элемент выполнен в виде двух плоских зеркал, каждое из которых закреплено в своей оправе, позволяющей разворачивать зеркала на определенный угол вокруг вертикальной оси, при этом проекционная и принимающая системы совмещены в каждом фотоэлектрическом автоколлиматоре, причем каждый из двух фотоэлектрических автоколлиматоров установлен на ползуне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси симметрии системы, и разворота вокруг вертикальных осей таким образом, чтобы их оси были перпендикулярны соответствующим зеркалам отражающего элемента.

   

Images