RU1768967C

RU1768967C - Surface roughness tester

Info

Publication number: RU1768967C
Application number: SU904850112A
Authority: RU
Inventors: Олег Павлович Семченко; Алексей Сергеевич Князев; Вадим Александрович Ложкин
Original assignee: Научно-исследовательский институт технологии машиностроения
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1992-10-15

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл контрол шероховатости поверхности изделий с любым видом механической обработки . Цель изобретени - повышение точности производительности контрол и помехоустойчивости устройства. Это достигаетс за счет введени в устройство двух плоских зеркал, непрозрачного диска с отверсти ми (модул тора) и обьектива, что по- звол ет путем пространственного и временного разделени отраженного от поверхности объекта суммарного излучени сформировать измерительную схему устройства , так, что измерительна информаци преобразуетс в одном оптоэлектронном канале. 2 ил.The invention relates to measuring technique and can be used to control the surface roughness of products with any type of machining. The purpose of the invention is to improve the accuracy of the control performance and noise immunity of the device. This is achieved by introducing into the device two flat mirrors, an opaque disk with holes (modulator) and a lens, which allows spatial and temporal separation of the total radiation reflected from the surface of the object to form a measurement circuit of the device, so that the measurement information is converted in one optoelectronic channel. 2 ill.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл контрол шероховатости поверхности изделий с любым видом механической обработки .The invention relates to measuring technique and can be used to control the surface roughness of products with any type of machining.

Известно устройство дл прецизионных измерений шероховатости полированных поверхностей на основе гетеродинной интерферометрии , содержащее лазер, столик на воздушном подшипнике, кодирующее устройство , расщепитель пол ризованного пучка, коллиматор, призму Волластона, систему зеркал и объективов, фотоприемник. Отраженное ог контролируемой поверхности излучение интерферирует с излучением опорного пучка. Анализиру интерференционную картину, определ ют степень шероховатости поверхности.A device is known for precision measuring the roughness of polished surfaces based on heterodyne interferometry, comprising a laser, an air-bearing table, an encoder, a polarized beam splitter, a collimator, a Wollaston prism, a system of mirrors and lenses, a photodetector. The radiation reflected from the controllable surface interferes with the radiation of the reference beam. By analyzing the interference pattern, the degree of surface roughness is determined.

Однако это устройство имеет ограниченный диапазон измерени величины шероховатости в силу того, что интерференционна картина при наличии оптически грубой поверхности не поддаетс регистрации.However, this device has a limited measurement range for roughness due to the fact that the interference pattern in the presence of an optically rough surface is not detectable.

Известно также устройство дл контрол шероховатости, содержащее источник излучени , модул тор, линзу, регистрирующую систему, включающую в себ три оптических канала дл приема отраженного поверхностью объекта излучени , каждый из каналов содержит собирающую линзу, ослабл ющий светофильтр, матовую пластину и фотоприемник.A roughness control device is also known, comprising a radiation source, a modulator, a lens, a recording system including three optical channels for receiving radiation reflected from the surface of the object, each channel comprising a collecting lens, attenuating the light filter, an opaque plate and a photodetector.

Устройство имеет р д недостатков. Одним из них вл етс зависимость показаний устройства от типа материала поверхности и его отражающих свойств, вследствие чего требуетс производить регулировку уровн чувствительности как в каждом из каналов, так и в системе в целом Кроме того, в устройстве не устран етс погрешность регистрации , возникающа за счет различи амплитудных характеристик фотоприемников , их различной чувствительности к изменению температуры и разбросом значений начального фототока.The device has a number of disadvantages. One of them is the dependence of the readings of the device on the type of surface material and its reflective properties, as a result of which it is necessary to adjust the sensitivity level in both channels and in the system as a whole. In addition, the registration error arising from differences in the amplitude characteristics of photodetectors, their different sensitivity to temperature changes and the scatter of the initial photocurrent values.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс устройство контрол шероховатости, содержащее источник излучени (напри (ЛClosest to the proposed is a roughness control device containing a radiation source (for example (L

СWITH

i4 iOi4 iO

ICO Ю :ОICO Yu: Oh

;vj; vj

мер, лазер), линзу, плоское зеркало с отверстием , три фотоприемника, один из которых регистрирует величину интенсивности зеркальной составл ющей, а два других, расположенных под углами 150-170° к нормали, направленной к контролируемой поверхности , служат дл регистрации рассе нной со- ставл ющей,отраженнойотmeasure, laser), a lens, a flat mirror with an aperture, three photodetectors, one of which registers the magnitude of the intensity of the specular component, and the other two, located at angles of 150-170 ° to the normal directed to the surface to be monitored, serve to record the scattered - setting, reflected from

контролируемой поверхности.controlled surface.

Недостатком устройства вл етс наличие погрешности, обусловленной различиемамплитудыхарактеристик фотоприемников, величиной их темновых токов, высокой чувствительностью их параметров к флуктуаци м температуры окружающей среды и излучени источника, а также тем, что отраженное рассе нное излучение регистрируетс только в двух точках, тогда как его диаграмма направленности может быть с значительной неравномерностью во всем телесном угле.The disadvantage of this device is the error due to the difference in the amplitudes of the photodetectors, the magnitude of their dark currents, the high sensitivity of their parameters to fluctuations in ambient temperature and the radiation of the source, as well as the fact that the reflected scattered radiation is detected only at two points, while its radiation pattern can be with significant unevenness in the whole solid angle.

Цель изобретени - повышение точности , производительности контрол и помехоустойчивости путем пространственного и временного разделени отраженного от поверхности объекта суммарного излучени и регистрации его составл ющих одним фотоприемником .The purpose of the invention is to increase the accuracy, control performance and noise immunity by spatially and temporarily separating the total radiation reflected from the surface of the object and registering its components with a single photodetector.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройстве контрол шероховатости, содержащее источник излучени (лазер), оптическа ось которого направлена по нормали к исследуемой поверхности, линзу, фокусное рассто ние которой совпадает с центром отверсти плоского зеркала, расположенного по ходу пучка источника так, что центр отверсти лежит на оси пучка, расход щегос в направлении контролируемой поверхност и, фотоприемник, внешн нормаль которого направлена в сторону плоского зеркала так, что совпадает с осью пучка, зеркально отраженного поверхностью и плоским зеркалом, введены второе плоское зеркало, установленное между первым плоским зеркалом с отверстием и фотоприемником так, что центр этого зеркала лежит на оптической оси, а его зеркальна плоскость обращена в сторону первого зеркала так, что нормаль к зеркальной плоскости составл ет с оптической осью острый угол, третье плоское зеркало, установленное так, что его центр лежит на оптической оси второго зеркала, а его зеркальна плоскость параллельна зеркальной плоскости второго зеркала и обращена в сторону фотоприемника , непрозрачный диск с двум р дами чередующихс отверстий, установленным между третьим плоским зеркалом и фотоприемником с возможностью вращатьс вокруг оси, проход щей через центр диска так, что плоскость вращени диска перпендикул рна оптической оси, вл ющейс зеркальным отражением оптической оси от второго зеркала, два р да чередующихс отверстий размещены по окружности диска так, центры отверстий одного р да совмещены с оптической осью, проход щей через центр отверсти первого зеркала, а центры отверстий другого р да - с оптической осью,This goal is achieved by the fact that in the roughness control device containing a radiation source (laser), the optical axis of which is directed normal to the surface under study, a lens whose focal length coincides with the center of the hole of a flat mirror located along the source beam so that the center the hole lies on the axis of the beam, the flowing direction in the direction of the surface being monitored and, the photodetector, the outward normal of which is directed towards the plane mirror so that it coincides with the axis of the beam, is a mirror image surface and a flat mirror, a second flat mirror is introduced, mounted between the first flat mirror with the hole and the photodetector so that the center of this mirror lies on the optical axis and its mirror plane faces the first mirror so that the normal to the mirror plane is the optical axis is an acute angle, the third flat mirror is mounted so that its center lies on the optical axis of the second mirror, and its mirror plane is parallel to the mirror plane of the second mirror and faces f the receiver, an opaque disk with two rows of alternating holes mounted between the third flat mirror and the photodetector with the ability to rotate around an axis passing through the center of the disk so that the plane of rotation of the disk is perpendicular to the optical axis, which is a mirror image of the optical axis from the second mirror, two rows of alternating holes are arranged around the circumference of the disk so that the centers of the holes of one row are aligned with the optical axis passing through the center of the hole of the first mirror and the centers of the holes of the other p yes - with an optical axis,

вл ющейс зеркальным отражением оптической оси от второго и третьего зеркал. При этом отверсти одного р да расположены по окружности диска так, что они не лежат на одном радиусе с отверсти ми другогоwhich is a mirror image of the optical axis from the second and third mirrors. In this case, the holes of one row are located around the circumference of the disk so that they do not lie on the same radius with the holes of the other

р да, что обеспечивает поочередное прохождение пучков, объектив, расположен между диском и фотоприемником так, что фокус объектива совпадает с плоскостью фотоприемника, а его оптическа ось параллельнз оптическим ос м, проход щим через центры отверстий одного и другого р дов диска.In order to ensure the alternate passage of the beams, the lens is located between the disk and the photodetector so that the focus of the lens coincides with the plane of the photodetector, and its optical axis is parallel to the optical axes passing through the centers of the openings of one and the other rows of the disk.

На оиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 - изображение диска.Figure 1 shows a diagram of the device; figure 2 - image of the disk.

Устройство содержит источник излучени (лазер) 1, линзу 2, плоское зеркало с отверстием 3, плоские зеркала 4, 5, непрозрачный диск 6 с двум р дами чередующихс отверстий 9, 10, объектив 7 иThe device comprises a radiation source (laser) 1, lens 2, a flat mirror with a hole 3, flat mirrors 4, 5, an opaque disk 6 with two rows of alternating holes 9, 10, a lens 7 and

фотоприемник 8.photodetector 8.

В диске отверсти одного р да сдвинуты относительно отверстий другого р да так, что при прохождении одного пучка через соответствующее отверстие, другой пучок не проходит.The holes of one row in the disk are shifted relative to the holes of the other row so that when one beam passes through the corresponding hole, the other beam does not pass.

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

Световой пучок от лазера 1 линзой 2 фокусируетс в центре отверсти плоскогоThe light beam from the laser 1 by the lens 2 is focused in the center of the hole of the plane

зеркала 3 и далее направл етс на контролируемую поверхность 11. Последн устанавливаетс перпендикул рно оптической оси системы, Отраженный от поверхности пучок, содержащий зеркальную и рассе нную составл ющие, направл етс на зеркало 3 и далее, отража сь от него. - на зеркала 4 и 5. Последние выдел ют из пучка зеркальную составл ющую, направл в отверстие 10 диска 6, друга часть пучка - рассе нна mirrors 3 and then directed to the controlled surface 11. The latter is installed perpendicular to the optical axis of the system. A beam reflected from the surface, containing mirror and scattered components, is directed to mirror 3 and then reflected from it. - onto mirrors 4 and 5. The latter extract a mirror component from the beam, directing the disk 6 into the hole 10, the other part of the beam is scattered

составл юща , мину зеркало 4, проходит через другое отверстие 9 диска. Объектив 7 собирает оба пучка в фокусе, совпадающем с плоскостью фотоприемника.the component, mine mirror 4, passes through another hole 9 of the disk. The lens 7 collects both beams in focus, coinciding with the plane of the photodetector.

Вследствие того, что отверсти двух р дов сдвинуты относительно друг друга на угол а (фиг.2), прохождени пучков через отверсти 9 и 10 проход т последовательно во времени.Due to the fact that the holes of the two rows are shifted relative to each other by an angle a (Fig. 2), the passage of the beams through the holes 9 and 10 passes sequentially in time.

Таким образом с помощью зеркал 4 и 5Thus using mirrors 4 and 5

осуществл етс пространственное разделение зеркальной и рассе нной составл ющих , а с помощью диска 6 - их временное разделение. Фотоприемник преобразует последовательность световых потоков в последовательность импульсов электрических сигналов, амплитуды которых пропорциональны световой интенсивности зеркальной и рассе нной составл ющих пучка.spatial separation of the mirror and scattered components is carried out, and with the help of disk 6 their time separation is carried out. A photodetector converts a sequence of light fluxes into a sequence of pulses of electrical signals whose amplitudes are proportional to the light intensity of the specular and scattered components of the beam.

Частота повторени электрических импульсовElectrical pulse repetition rate

,(1),(1)

где k - общее число отверстий в диске модул тора;where k is the total number of holes in the modulator disk;

п - частота вращени диска.n is the rotational speed of the disk.

С выхода фотоприемника электрические сигналы подаютс в блок регистрации и обработки, где преобразуютс к видуFrom the output of the photodetector, electrical signals are fed to the registration and processing unit, where they are converted to

rf(f).rf (f).

(2)(2)

где Ra - параметр шероховатости;where Ra is the roughness parameter;

1Р, 13-значени амплитуд электрических сигналов, соответственно пропорциональные значени м рассе нного и зеркальной интенсивност м отраженного от контролируемой поверхности излучени . Предлагаемое устройство имеет р д преимуществ по сравнению с известными.1P, 13-values of the amplitudes of the electrical signals, respectively, proportional to the values of the scattered and mirror intensities of the radiation reflected from the controlled surface. The proposed device has a number of advantages in comparison with the known ones.

Разделение излучени на две составл ющие и их модул ци позвол ют вести регистрацию интенсивностей с помощью одного оптоэлектронного тракта, что устран ет вли ние характеристик тракта на изме- рительную информацию, поскольку выходна величина представлена в виде отношени . Внешние воздействи , характеризующиес изменением интенсивности источника излучени , чувствительности фотоприемника , наличи синфазной вибрации устройства и контролируемой поверхности, а также изменением отражательной способности контролируемых материалов и вли нием температурных условий, не вли ют на показани устройства, поскольку, вл сь мультипликативными по отношению к величинам Ip, I3 в выражении (2), уничтожаютс , если врем их воздействи больше периода модул ции.Dividing the radiation into two components and their modulation allows recording intensities using a single optoelectronic path, which eliminates the influence of the characteristics of the path on the measurement information, since the output value is presented as a ratio. External influences, characterized by a change in the intensity of the radiation source, the sensitivity of the photodetector, the presence of in-phase vibration of the device and the surface to be monitored, as well as a change in the reflectivity of the controlled materials and the influence of temperature conditions, do not affect the readings of the device, since, being multiplicative with respect to the values of Ip , I3 in expression (2) are destroyed if their exposure time is longer than the modulation period.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A device for controlling roughness, a surface comprising a radiation source, a lens, and a flat mirror with a hole mounted in series along one optical axis so that the center of the hole is on the axis and the lens focus coincides with it, and the mirror plane of the mirror is inclined to the axis under sharp angle, and a photodetector, the sensitive area of which is facing a flat mirror, and the normal to it coincides with the optical axis, characterized in that, in order to

To increase the accuracy, control performance and noise immunity of the device, it is equipped with a second flat mirror mounted between the first flat mirror with a hole and a photodetector

so that the center of this mirror lies on the optical axis, and its mirror plane faces the first mirror with the hole so that the normal to the mirror plane is an acute angle with the optical axis, the third flat mirror is set so that its center lies on the optical axis, which is a mirror image of the optical axis of the first mirror, and its mirror plane is parallel

the mirror plane of the second mirror and faces the photodetector, an opaque disk with two rows of alternating holes mounted between the third mirror and the photodetector

rotatable around an axis passing through the center of the disk, so that the plane of rotation of the disk is perpendicular to the optical axis, which is a mirror image of the optical axis from the second and

the third mirror and passing through the center of the hole of the first flat mirror, two rows of alternating holes are arranged around the circumference of the disk so that the centers of the holes of one row are aligned with the optical axis,

passing through the center of the hole of the first flat mirror, and the centers of the holes of another series with the optical axis formed by mirror reflection of the optical axis from the second and third mirrors and passing through the center of the hole of the first flat mirror and the lens located between the disk and the photodetector so that the focus of the lens is on the plane of the sensitive area of the photodetector.

and its optical axis is parallel to the optical axes passing through the centers of the openings of one and the other rows of the disk.

//

Shig, 2