RU1788432C - Устройство дл бесконтактного измерени мередиональный профил полированных поверхностей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в производстве оптических деталей. Повышение точности измерений и упрощение конструкции устройства достигаетс  за счет совмещени  в оптическом датчике автоколлимационного узла и узла фиксации точки поверхности, выполнени  узла сканировани  оптического датчика вдоль контролируемой поверхности с меньшим числом кинематических пар, а также благодар  реализации в узле фиксации точек поверхности теневого метода измерени  рассто ни  до поверхности. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в производстве оптических деталей, в том числе с асферическими поверхност ми высших пор дков.

Известны устройства дл  бесконтактного измерени  формы полированных поверхностей при помощи зондирующих световых пучков.

Основной недостаток известных устройств заключаетс  в том, что они не могут обеспечить измерение профил  асферических поверхностей высших пор дков, имеющих крутизну более 60 и, кроме того, при измерении периферийных участков профил  не обеспечивают иысокой точности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство дл  бесконтактного измерени  профил  полированных поверхностей, содержащее узел базировани  контролируемой детали, платформу, установленную с возможностью перемещений, оптический датчик, установленный на платформе с возможностью перемещений и выполненный в виде жестко св занных между собой автоколлимационного узла, предназначенного дл  определени  положени  нормалей к контролируемой поверхности в выбранных точках, и узла фиксации этих точек, механизмы с приводами и датчиками положений соответственно поворота платформы, поступательного перемещени  платформы в плоскости, перпендикул рной оси ее поворота, сканировани  оптического датчика, вычислительный блок, ко входам которого подключены выходы оптического датчика и датчиков положений, а к выходам входы приводов механизмов.

Недостаток прототипа - сложность конструкции и невысока  точность измерений из-за большого числа кинематических пар в устройстве.

Цель изобретени  - повышение точности измерений и упрощение конструкции устройства.

(Л

С

vj

00

00

со кэ

Эта цель достигаетс  тем, что оптический датчик выполнен в виде источника излучени , последовательно установленных по ходу излучени  конденсатора, круговой диафрагмы, двух светоделителей и объектива и установленных в ходе отражаемого от контролируемой поверхности излучени , напротив одного из светоделителей - ножевого анализатора и позиционно-чувстви- тельного фотоприемника, напротив другого светоделител  - второго позиционнр-чувст- витёльного фотоприемника, механизм сканировани  оптического датчика выполнен в виде кронштейна, имеющего возможность разворота вокруг оси, перпендикул рной оси объектива датчика, ось поворота платформы установлена на плече кронштейна параллельно оси его разворота.

На фиг. 1 представлена кинематическа  схема устройства дл  бесконтактного измерени  мередионального профил  полированных поверхностей; на фиг. 2 - схема- оптического датчика; на фиг. 3- схема измерени  профил  контролируемой поверхности .

Устройство содержит станину (не показана ), узел базировани  контролируемой детали 1, оптический датчик 2, установленный на платформе 3 и содержащий оптико- электронные автоколлимационный узел дл  определени  положени  нормалей к контролируемой поверхности детали 1 в р де ее точек и узел дл  фиксации этих точек. Кроме того, устройство снабжено механизмами поворота платформы дл  ориентации оптической оси автоколлимационного узла по нормали к контролируемой поверхности, поступательного перемещени  вдоль нормали к контролируемой поверхности дл  фиксации точек контролируемой поверхности , сканировани  оптического датчика вдоль контролируемой поверхности, а также вычислительным блокам.

Узел базировани  контролируемой детали 1 выполнен в виде установленной на станине призматической опоры 4, в которую устанавливаетс  шпиндель 5, на котором при помощи смолы укреплена деталь 1.

Автоколлимационный узел оптического датчика 2 содержит (фиг.2) источник 6 излучени , конденсор 7, круговую диафрагму 8, объектив 9, светоделитель 10, позиционно- чувствительный двух оординатный фотоэлемент 11.

Узел фиксации точек контролируемой поверхности содержит р д элементов, общих с автоколлимационным уз/.ом: источник 6 излучени , конденсор 7. круговую диафрагму 8, объектив 9 и, кроме того, светоделитель 12, напротив которого установлен ножевой анализатор 13 и двухкоорди- натный позиционно-чувствительный фотоэлемент 14.

Рассто ни  по оптической оси между

объективом 9 и круговой диафрагмой 8, объективом 9 и светоделител ми 10, 12, светоделителем 10 и фотоприемником 11, светоделителем 12 и ножевым анализатором 13 установлены такими, что точки пере0 сечени  чувствительной площадки фотоприемника 11 и ножевого анализатора 13 с оптической осью  вл ютс  сопр женными точками дл  точки в пространстве предметов, лежащей на оси объектива 9 и

5 совпадающей с изображением круговой диафрагмы 8.

Механизм поступательного перемещени  состоит из рамы 15 с подшипниками 16, в которых установлена с возможностью по0 ступательного перемещени  платформа 3, и подшипниками 17, в которых установлены цапфы ходового винта 18, св занного с ходовой гайкой 19, жестко установленной на платформе 3. Кроме того, в состав механиз5 ма поступательного перемещени  вход т электропривод 20 и датчик 21 поступательного перемещени , св занные с ходовым винтом 18.

Рама 15 механизма поступательного пе0 ремещени  жестко св зана с осью 22 механизма поворота платформы дл  ориентации оптической оси автоколлиматора по нормали к контролируемой поверхности, содержащего , кроме того, электропривод 23 и датчик

5 24 угла поворота. Ось 22 установлена с возможностью вращени  в подшипнике 25. Подшипник 25 жестко закреплен на плече кронштейна 26, имеющем возможность разворота вокруг оси 27, установленной в под0 шипнике 28, закрепленном на станине устройства. При этом ось 27 св зана с электроприводом 29 и датчиком 30 поворота. Подшипник 25, кронштейн 26, ось 27, подшипник 28, электропривод 29, датчик 30 со5 ставл ют механизм сканировани  оптического датчика 2 вдоль поверхности детали 1.

Выходы датчиков положений 21, 24, 30, подключены ко входам, а входы электропри0 водов 20, 23, 29 к выходам вычислительного блока (на чертеже не показан). Кроме того, ко входам вычислительного бл ока подключены выходы позиционного-чувствитель- ных фотоприемников 11,14.

5Устройство реализует способ измерени  профил  полированной поверхности, заключающийс  в зондировании этой поверхности световым пучком, сформированным оптическим датчиком, сканируемым вдоль поверхности, и последующем отележивании пространственного положени  отраженного пучка с целью определени  положени  нормалей к поверхности в р де ее точек и координат этих точек, по которым рассчитывают на ЭВМ уравнени  профил  мередионального сечени  контролируемой поверхности.

Принцип работы оптического датчика проиллюстрирован на фиг. 2, Конденсор 7 обеспечивает заполнение светом от источника б круговой диафрагмы 8, минимально возможное изображение которой строитс  объективом 9 на некотором рассто нии от оптического датчика 2. Отраженный от контролируемой поверхности 1 свет вновь поступает в объектив 9 и далее, отража сь от светоделителей 12, 10, попадает на фотоприемники 11, 14. Если оптическа  ось объектива 9 совпадает с нормалью к поверхности 1, а изображение диафрагмы 8 построено на поверхности 1 (как изображено на фиг. 2), то объектив 9 построит в обратном ходе лучей изображение диафрагмы 8, во-первых, в плоскости и в центре чувствительной площади фотоприемника 11 и, во-вторых, в плоскости ножевого анализатора 13. В результате с позиционно-чувстви- тельных фотоприемников 11, 14 снимаетс  нулевой сигнал. В случае, если оптическа  ось объектива 9 не совпадает с нормалью к поверхности 1, с фотоприемника 11 снимаетс  сигнал, отличный от нулевого, т.к. нару- шитс  равномерное распределение облученности его чувствительной площадки . Если же ось объектива 9 совпадает с нормалью к поверхности 1, а изображение диафрагмы 8 не совпадает с этой поверхностью , то в зависимости от того, лежит ли это изображение перед поверхностью или в теле детали, изображение этой диафрагмы в обратном ходе лучей не совпадает с плоскостью ножевого анализатора 13 и лежит либо перед ножевым анализатором, либо за ним. В результате ножевой анализатор 13 перекроет одну из частей пучка, что вызовет деформацию и квазисмещение п тна засветки на фотоприемнике 14 и, как следствие этого, по вление сигнала, отличного от нулевого, той или иной пол рности. Например,сигнал положительной пол рности соответствует положению изображени  диафрагмы 8 перед контролируемой поверхностью. Причем в этом случае с позиционно-чувст- вительного фотоприемника 11 снимаетс  нулевой сигнал, т.к. изображение диафрагмы 8 находитс  в центре его чувствительной площадки.

В исходном положении (см.фиг. 1,3) оси шпиндел  5, контролируемой детали 1 и оптического датчика 2 совпадают и лежат в

одной плоскости с ос ми 22 и 27. Кроме того, оптический датчик 2 так расположен относительно контролируемой детали 1, что изображение диафрагмы 8 находитс  между

объективом 9 и вершиной детали 1 на рассто нии от оси 22, равном Но. Указанное расположенное оптического датчика 2 относительно детали 1 обуславливает совпадение его оптической оси с нормалью к

вершинной точке контролируемой поверхности и, следовательно, с ее оптической осью. На фиг. 3 исходное положение датчика 2 показано отрезком его оптической оси ОА, один из концов которого А совпадает с

изображением диафрагмы 8 перед объективом 9, а другой, обозначенный как 0, с осью 22. При этом точка 0 прин та за начало пр моугольной системы координат, ось абсцисс которой совпадает с оптической осью

контролируемой детали 1. В исходном положении , как было показано выше, одно из изображений диафрагмы 8, полученное в результате отражени  от контролируемой поверхности, совпадает с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 11, а другое не совпадает с плоскостью ножевого анализатора 13. Поэтому с позиционно-чув- ствительного фотоприемника 11 поступит в ЭВМ нулевой сигнал, а с фотоприемника 14

сигнал положительной пол рности. С этого момента ЭВМ начинает управл ть процессом измерени  по программе. По команде ЭВМ (см.фиг. 1,3) электропривод 20 обеспечивает поступательное перемещение оптического датчика на величину Н к контролируемой детали до момента совпадени  изображени  диафрагмы 8 (точка А) с вершинной точкой поверхности АО, т.е. до момента по влени  нулевого сигнала с фотоприемника 14, что свидетельствует о завершении первого этапа измерени  по фиксации вершинной точки контролируемой поверхности.

Величина ДН0 перемещени  оптического датчика фиксируетс  ЭВМ посредством датчика 21 и т.о. вершинна  тока А0 получает координаты

ХАо Н0 +ДНС YAO О

0) (2)

Нулевой сигнал с фотоприемника 14 обусловит выдачу группы управл ющих ко- манд от ЭВМ на выполнение перемещений оптического датчика 2 с целью измерени  координат точки AI контролируемой поверхности в следующей последовательности. Электропривод развернет кронштейн 26 на

угол «1,причем оптическа  ось датчика 2 займет положение OiAi, обозначающее новое пространственное положение оси 22 (точка Оч) и изображение диафрагмы 8. При этом с фотоприемника 11 будет сниматьс  отличный от нулевого сигнал, который обусловит команду электроприводу 23 на поворот оптического датчика 2 на некоторый угол ( в соответствии с пол рностью сигнала до момента совпадени  оптической оси датчика 2 с нормалью к поверхности в точке AI, т.е. до момента по влени  нулевого сигнала с фотоприемника 11, В результате поворота изображение диафрагмы 8 займет положение A i , а с фотоприемника 14 последует отличный от нулевого сигнал, который, в свою очередь, в соответствии со своей пол рностью, поступив в ЭВМ, обеспечит команду электроприводу 20 на посту- пательное перемещение оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности на величину A Hi до совпадени  изображени  диафрагмы 8с точкой Ai,T.e. до по влени  нулевого сигнала с фотоприемника 14, что свидетельствует о завершении этапа измерени  по определению координат точки AL Величины поворотов а- и а также величина линейного перемещени  Д Hi поступают в ЭВМ 13 и позвол ют рассчитать координаты точки AI по формулам:

XA-I R - R-Cos«i +

+ (Н0 +AHi)Cos(«i );

(3)

YA-, R-sincri

(Но 4 (4)

AHi)sin («1 ),

последовательно: поворот кронштейна 26 вокруг оси 27 на угол поворот платформы 3 на угол (pz и поступательное перемещение оптического датчика 2 вдоль нормали на величину Д На . Вследствие этих перемещений оптический датчик 2 и изображение диафрагмы 8 займут последовательно положени , обозначенные на фиг. 3 как 02А2., . Величины всех поворотов и поступательного перемещени  поступают в ЭВМ, где рассчитываютс  координаты точки А2 в соответствии с формулами:

Хд2 R - R Cos «2 +

+ (Но + Д Hi + Д Н2) COS (0.2 + р2) (4)

Уд2 R -sin аг - (Но +

+ ДН1 +ДН2) -sin («2 ) , (5)

где R - рассто ние от оси 27 до оси 22;

од-угол поворота кронштейна 26 вокруг оси 27;

р2 угол поворота платформы 3 вокруг оси 22;

Н0 - рассто ние от оси 22 до изображени  диафрагмы 8 в исходном положении;

Д Н 1 - величина поступательного перемещени  оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадени  изображени  диафрагмы 8 с поверхностью в точке AI;

Д Н 2 - величина поступательного перемещени  оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадени  изображени  диафрагмы 8 с поверхностью в точке А2,

где R - рассто ние от оси 27 до оси 22;

угол поворота кронштейна 26 вокруг оси 27;

р} - угол поворота платформы 3 вокруг оси 22;

Но - рассто ние от оси 22 до изображени  диафрагмы 8 в исходном положении;

Д Но - величина поступательного перемещени  оптического датчика вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадени  изображени  диафрагмы 8 с поверхностью в точке AL

После поступлени  нулевого сигнала от фотоприемника 14 в ЭВМ, последн   выдает группу команд на управл емые входы электроприводов 20, 23, 29 с целью определени  координат последующей точки поверхности А2. В результате по аналогии с вышеописанными эволюци ми по определению координат точки AI осуществл ютс 

По аналогии с описанными этапами измерений по определению координат точек АО, Ar, A2 можно провести измерени  и расчет координат необходимого количества точек на любых участках контролируемого профил  поверхности. По рассчитанным координатам точек ЭВМ 13 вычисл ет профиль поверхности 1.

Основным преимуществом данного уст- ройства перед известным  вл етс  повышение точности измерений и упрощение конструкции за счет совмещени  в оптическом датчике автоколлимационного узла и узла фиксации точки поверхности, выполне- ни  узла сканировани  оптического датчика вдоль контролируемой поверхности с меньшим числом кинематических пар, а также благодар  реализации в узле фиксации точек поверхности теневого метода измерени  рассто ни  до поверхности.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  бесконтактного измерени  мередионального профил  полированных поверхностей, содержащее узел базировани  контролируемой детали, платформу , установленную с возможностью перемещени , оптический датчик, установленный на платформе с возможностью перемещений и выполненный в виде жестко св занных между собой автоколлимационного узла, предназначенного дл  определени  положени  нормалей к контролируемой поверхности в выбранных точках, и узла фиксации этих точек, механизмы с приводами и датчиками положений соответственно поворота платформы, поступательного перемещени  платформы в плоскости, перпендикул рной оси ее поворота , сканировани  оптического датчика, вычислительный блок, ко входам которого подключены выходы оптического датчика и

   м

   гз

   датчиков положений, а к выходам - входы приводов механизмов, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений и упрощени  конструкции устройства , оптический датчик выполнен в виде источника излучени , последовательно установленных по ходу излучени  конденсора , круговой диафрагмы, двух светоделителей и объектива и установленных в ходе отражаемого от контролируемой поверхности излучени , напротив одного из светоделителей ножевого анализатора и по- зиционно-чувствительного фотоприемника, напротив другого светоделител  - второго

   позиционно-чувствительного фотоприемника , механизм сканировани  оптического датчика выполнен в виде кронштейна, имеющего возможность разворота вокруг оси, перпендикул рной к оси объектива датчика,

   ось поворота платформы установлена на плече кронштейна параллельно оси его разворота .

   ©зо

   фи.2

   б)---6