RU2094756C1

RU2094756C1 - Device for measuring the deviation from rectilinearity

Info

Publication number: RU2094756C1
Application number: RU94005234A
Authority: RU
Inventors: М.А. Ахмаметьев
Original assignee: Новосибирская государственная академия строительства
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device is designed to check nonrectilinearity and nonflatness of long surfaces, for example guides of high-accuracy large- sized lathes. Higher accuracy of measurement of deviation from rectilinearity of profile under test at turbulence of flows on the route of laser beam spreading is obtained due to decrease in diameter of information beam constriction. Device has axicon with holes installed in direction of laser beam travel behind telescopic system and light beam splitter with hole or mirror positioned in center. Light beam splitter is also installed in direction of beam travel behind reflector. EFFECT: higher accuracy of measurement. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к контролю непрямолинейности и неплоскосности протяженных поверхностей, например, направляющих высокоточных круп ногабаритных станков и может быть использовано также при контроле непрямолинейности координатных перемещений узлов станков, сооосности отверстий и валопроводов, проверке высотных отметок при монтаже оборудования. The invention relates to measuring equipment, and more specifically to monitoring the linearity and flatness of extended surfaces, for example, guides of high-precision croup of large-sized machines and can also be used to control the linearity of coordinate movements of machine nodes, alignment of holes and shaft lines, checking elevations during installation of equipment.

Известно фотоэлектрическое устройство для измерения отклонения от прямолинейности поверхности (авт.св. N 427230, G 01 B 11/30, 1974), которое содержит последовательно расположенные источник света (лазер с гауссовым пучком), размещенный на измеряемой поверхности, и регистратор. Это устройство принято в качестве аналога. A photovoltaic device is known for measuring deviations from the straightness of a surface (ed. St. N 427230, G 01 B 11/30, 1974), which contains a sequentially located light source (laser with a Gaussian beam) located on the measured surface and a recorder. This device is accepted as an analog.

Отличительной особенностью устройства-аналога является то, что в целью повышения точности измерения, линзы расположены друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, т.е. представляют собой телескопическую систему, которая расширяет лазерный пучек, уменьшая тем самым, угловые вибрации его осевой линии и обусловленную вибрациями погрешность. A distinctive feature of the analog device is that in order to increase the measurement accuracy, the lenses are located at a distance equal to the sum of their focal lengths, i.e. they are a telescopic system that expands the laser beam, thereby reducing the angular vibrations of its center line and the error caused by vibrations.

Недостатком устройства-аналога является то, что оно не позволяет исключить погрешность от турбулентности воздушных потоков на трассе распределения лазерного пучка. The disadvantage of the analog device is that it does not allow to exclude the error from the turbulence of air flows on the distribution path of the laser beam.

Этого недостатка лишино устройство для измерения отклонения от прямолинейности (авт.св. N 1564492, G 01 B 21/30, 1990.), которое содержит последовательно расположенные лазер, установленный с возможностью выставления лазерного пучка параллельно средней прямой контролируемого профиля, телескопического систему, отражатель в виде призмы БкР 180^o, выполненный с возможностью установки на контролируемой поверхности по ходу лазерного пучка, датчик линейных смещений, установленный по ходу отраженного лазерного пучка и регистратор. Это устройство принято в качестве прототипа.This drawback is deprived of a device for measuring deviation from straightness (ed. St. N 1564492, G 01 B 21/30, 1990.), which contains a sequentially arranged laser mounted with the ability to set the laser beam parallel to the average direct controlled profile, telescopic system, reflector in the form of a prism BkR 180 ^o , made with the possibility of installation on a controlled surface along the laser beam, a linear displacement sensor installed along the reflected laser beam and a registrar. This device is adopted as a prototype.

Отличительной особенностью устройства-прототипа является то, что с целью повышения точности при турбулентности воздушных потоков по трассе распространения лазерного пучка, оно снабжено датчиком угловых смещений, установленным по ходу отраженного лазерного пучка, дискриминатором нулевого уровня, вход которого соединен с выходом датчика углового смещения, блоком выборки, сигнальный вход которого соединен с выходом датчика линейных смещений, а управляющий вход соединен с выходом дискриминатора нулевого уровня и блоком усреднения, вход которого соединен с выходом блока выборки, а выход - с входом регистратора. A distinctive feature of the prototype device is that in order to increase accuracy with turbulence of air flows along the laser beam propagation path, it is equipped with an angular displacement sensor installed along the reflected laser beam, a zero level discriminator, the input of which is connected to the output of the angular displacement sensor, by a unit sample, the signal input of which is connected to the output of the linear displacement sensor, and the control input is connected to the output of the zero level discriminator and the averaging unit, the input which is connected to the output of the sampling unit, and the output to the input of the recorder.

Повышение точности измерения в устройстве-прототипе достигается за счет выборки сигналов с датчика линейных смещений только в моменты времени, которые соответствуют нулевым угловым смещениям оси отраженного лазерного пучка и усреднения результатов заранее заданного количества измерений. Improving the measurement accuracy in the prototype device is achieved by sampling the signals from the linear displacement sensor only at times that correspond to zero angular displacements of the axis of the reflected laser beam and averaging the results of a predetermined number of measurements.

Недостатком устройства-прототипа является наличие значительной погрешности преобразования датчика линейных смещений, роль которого играет позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ), состоящий из квадрантного фотоприемника и преобразователя аналоговых сигналов. Лазер имеет гауссово распределение амплитуды основной моды от координат x и y его поперечного сечения. Телескопическая система расширяет лазерный пучок, уменьшая степень изменения освещенности в окрестности его оси и тем самым, увеличивает погрешность преобразования датчика линейных смещений. The disadvantage of the prototype device is the significant conversion error of the linear displacement sensor, the role of which is played by a position-sensitive photodetector (PCP), consisting of a quadrant photodetector and an analog signal converter. The laser has a Gaussian distribution of the amplitude of the fundamental mode from the x and y coordinates of its cross section. The telescopic system expands the laser beam, reducing the degree of change in illumination in the vicinity of its axis and thereby increases the error in the conversion of the linear displacement sensor.

Техническим результатом является повышение точности измерения отклонения от прямолинейности контролируемого профиля при турбелентности потоков на трассе распространения лазерного пучка за счет уменьшения диаметра информационного пучка. The technical result is to increase the accuracy of measuring deviations from the straightness of the controlled profile with turbulence of flows on the propagation path of the laser beam by reducing the diameter of the information beam.

Указанные выше недостатки устраняются тем, что предлагаемое устройство снабжен аксиконом, установленным по ходу лазерного пучка за телескопической системой, а светоделитель установлен по ходу пучка за отражателем. Причем, аксикон имеет центральное отверстие и несколько отверстий по его периферийной окружности, а светоделитель имеет отверстие или зеркало в центре. The above disadvantages are eliminated by the fact that the proposed device is equipped with an axicon mounted along the laser beam behind the telescopic system, and a beam splitter is installed along the beam behind the reflector. Moreover, the axicon has a central hole and several holes along its peripheral circumference, and the beam splitter has a hole or a mirror in the center.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства для измерения отклонения от прямолинейности; на фиг. 2 сечение аксикона с центральным отверстием; на фиг. 3 аксикон с четырьмя периферийными отверстиями; на фиг. 4 распределение интенсивности информационного пучка вдоль координаты у его поперечного сечения. In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed device for measuring deviations from straightness; in FIG. 2 section of an axicon with a central hole; in FIG. 3 axicon with four peripheral holes; in FIG. 4, the distribution of the intensity of the information beam along the coordinate at its cross section.

Устройство для измерения отклонения от прямолинейности содержит лазер 1, телескопическую систему 2, аксикон 3, отражатель 4, светоделитель 5, датчик 6 линейных смещений, датчик 7 угловых смещений, состоящий из объектива 8 и датчика линейных смещений 9, дискриминатор 10 нулевого уровня, блок выборки 11, блок усреднения 12, состоящий из аналого-цифрового преобразователя 13 и вычислителя 14 и регистратор 15. A device for measuring deviation from straightness contains a laser 1, a telescopic system 2, axicon 3, a reflector 4, a beam splitter 5, a sensor 6 of linear displacements, a sensor 7 of angular displacements, consisting of a lens 8 and a sensor of linear displacements 9, a discriminator 10 of the zero level, the sample block 11, an averaging unit 12, consisting of an analog-to-digital converter 13 and a calculator 14 and a recorder 15.

Лазер 1 установлен с возможностью выставления осей информационного пучка 16 и опорного пучка 17 параллельно средней прямой контролируемого профиля 18. Телескопическая система 2 расширяет гауссов пучок 21 лазера, формируя расширенный параллельны гауссов пучок 22. Аксикон 3 установлен на подвижке 20, аксикон имеет центральное (отверстие 25 на фиг. 2) и периферийные (отверстия 28 на фиг. 3), отверстия, которые предназначены для формирования широкого параллельного пучка 17, а также нанесенный на прозрачную подложку 26 интегральный дифрагирующий слой 27 (фиг. 2), который предназначен для формирования информационного пучка 16 с тонкой перетяжкой на его оси. Отражатель 4 выполнен в виде призмы БкР 180^o. Светоделитель 5 выполнен в виде зеркала с центральным отверстием и предназначен для направления информационного пучка 16 и датчик 6 линейных смещений, а опорного пучка 17 на датчик 7 угловых смещений, Датчик 6 линейных смещений содержит позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ) и дифференциальный преобразователь аналоговых сигналов, выход которого подключен к информационному входу 23 блока выборки 11. Датчик 7 угловых смещений содержит объектив 8 и датчик 9 линейных смещений (выполненный аналогично датчику 6), ПЧФ которого установлен в фокальной плоскости объектива. Вход дискриминатора 10 нулевого уровня соединен с выходом датчика 7 угловых смещений. Выход дискриминатора 10 нулевого уровня соединен с управляющим входом 24 блока выборки 11, выход которого соединен со входом блока усреднения 12. Блок усреднения 12 содержит последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь 13 и вычислитель 14. Выход блока усреднения 12 подключен ко входу регистратора 15.The laser 1 is installed with the possibility of setting the axes of the information beam 16 and the reference beam 17 parallel to the middle straight line of the controllable profile 18. The telescopic system 2 expands the Gaussian beam 21 of the laser, forming an extended parallel to the Gaussian beam 22. Axicon 3 is mounted on the slide 20, the axicon has a central one (hole 25 in Fig. 2) and peripheral (holes 28 in Fig. 3), holes that are designed to form a wide parallel beam 17, as well as an integrated diffracting layer 27 (phi 2), which is designed to form an information beam 16 with a thin constriction on its axis. The reflector 4 is made in the form of a prism BkR 180 ^o . The beam splitter 5 is made in the form of a mirror with a central hole and is designed to direct the information beam 16 and the linear displacement sensor 6, and the reference beam 17 to the angular displacement sensor 7, the linear displacement sensor 6 contains a position-sensitive photodetector (PCF) and an analog signal differential converter, the output of which is connected to the information input 23 of the sampling unit 11. The sensor 7 of the angular displacements contains a lens 8 and a sensor 9 of linear displacements (made similar to the sensor 6), the PCF of which is installed in the focus noy plane of the lens. The input of the discriminator 10 of the zero level is connected to the output of the sensor 7 of the angular displacements. The output of the zero level discriminator 10 is connected to the control input 24 of the sample block 11, the output of which is connected to the input of the averaging block 12. The averaging block 12 contains an analog-to-digital converter 13 and a calculator 14. The output of the averaging block 12 is connected to the input of the recorder 15.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Сначала устанавливают лазер 1, телескопическую систему 2 и аксикон 3 на подвижке 20 так, чтобы оси информационного пучка 16 и опорного пучка 17 совпадали и были направлены параллельно контролируемому профилю 18. Телескопическая система 2 расширяет гауссов пучок 21 лазера и формирует расширенный параллельный пучок 22, который попадает на аксикон 3 с центральный и периферийными отверстиями. Часть расширенного параллельного пучка 22, проходя через центральное и периферийные отверстия аксикона 3, формирует широкий параллельный опорный пучок 17. Остальная часть пучка 22, проходя через дифрагирующий слой аксикона 3, формирует информационный пучок 16 с тонкой перетяжкой на его оси. Оба пучка проходят через отражатель 4, выполненный в виде призмы БкР 180^o, и направляются в обратную сторону параллельно средней линии контролируемого профиля 18. Информационный пучок 16, проходя через отверстие светоделителя 5, попадает на датчик 6 линейных смещений. Опорный пучок 17, отразившись от светоделителя 5, попадает на датчик 7 угловых смещений. Отражатель 4 устанавливается на контролируемый профиль 18 последовательно в выбранных точках контролируемой поверхности.First, the laser 1, the telescopic system 2, and the axicon 3 are mounted on the slide 20 so that the axes of the information beam 16 and the reference beam 17 coincide and are directed parallel to the controlled profile 18. The telescopic system 2 expands the Gaussian beam 21 of the laser and forms an expanded parallel beam 22, which falls on axicon 3 with central and peripheral holes. Part of the expanded parallel beam 22, passing through the central and peripheral holes of the axicon 3, forms a wide parallel reference beam 17. The rest of the beam 22, passing through the diffracting layer of the axicon 3, forms an information beam 16 with a thin constriction on its axis. Both beams pass through a reflector 4, made in the form of a prism BkR 180 ^o , and are sent in the opposite direction parallel to the midline of the monitored profile 18. The information beam 16, passing through the hole of the beam splitter 5, enters the sensor 6 linear displacement. The reference beam 17, reflected from the beam splitter 5, falls on the sensor 7 of the angular displacements. The reflector 4 is mounted on the controlled profile 18 sequentially at selected points on the controlled surface.

Датчик 6 линейных смещений, содержащий ПЧФ и дифференциальный преобразователь аналоговых сигналов, вырабатывает выходные аналоговые сигнала U_x, U_y, пропорциональные отклонениям контролируемого профиля от прямолинейности по осям x, y соответственно. Напряжения U_x, U_y поступают на сигнальные входы 23 блока выборки 11. Датчик 7 угловых смещений содержит объектив 8 и датчик линейных смещений 9, который может быть выполнен аналогично датчику 6, при этом ПЧФ датчика 8 устанавливается в фокальной плоскости объектива 8. Выходной сигнал датчика 7 угловых смещений поступает на вход дискриминатора 10 нулевого уровня. Дискриминатор 10 вырабатывает управляющие импульсы в моменты времени, когда отсутствует угловое отклонение опорного пучка 17 и сигнал на выходе датчика 7 равен нулю. Под действием управляющих импульсов блок 11 выборки открывается и пропускает сигналы U_x, U_y на свои выходы. Аналого-цифровой преобразователь 13, содержащий двухканальный аналоговый переключатель, поочередно подключается к выходам блока выборки 11 и преобразует входные аналоговые сигналы в цифровые значения, которые затем накапливаются в оперативной памяти вычислителя 14. После поступления на вычислитель 14 заранее заданного количества цифровых значений блок 12 производит их усреднение отдельно по каждой из координат отклонения информационного пучка. Усреднение цифровые значения отклонений регистрируются регистратором 15. Затем отражатель 4 переставляется в следующую точку контролируемого профиля 18 и процесс измерения повторяется.Linear displacement sensor 6, containing an IFR and a differential analog signal converter, produces analog output signals U _x , U _y proportional to the deviations of the monitored profile from linearity along the x, y axes, respectively. The voltages U _x , U _y are applied to the signal inputs 23 of the sampling unit 11. The angular displacement sensor 7 contains a lens 8 and a linear displacement sensor 9, which can be performed similarly to the sensor 6, while the PCF of the sensor 8 is installed in the focal plane of the lens 8. The output signal the sensor 7 of the angular displacement is fed to the input of the discriminator 10 of the zero level. The discriminator 10 generates control pulses at times when there is no angular deviation of the reference beam 17 and the signal at the output of the sensor 7 is zero. Under the influence of control pulses, the sampling unit 11 opens and passes signals U _x , U _y to its outputs. An analog-to-digital converter 13, containing a two-channel analog switch, is connected to the outputs of the sampling unit 11 one by one and converts the input analog signals to digital values, which are then accumulated in the RAM of the calculator 14. After the calculator 14 receives a predetermined number of digital values, the block 12 produces them averaging separately for each of the coordinates of the deviation of the information beam. Averaging the digital deviation values are recorded by the registrar 15. Then, the reflector 4 is rearranged to the next point of the controlled profile 18 and the measurement process is repeated.

Диаметр d (фиг. 4) перетяжки информационного пучка 16 в предлагаемом устройстве составляет около 10 мкм, т.е. в 5000 раз меньше диаметра гауссова информационного пучка в устройстве-прототипе, который попадает на датчик линейных смешений. Примерно во столько же раз повышается чувствительность предлагаемого устройства к линейным смещениям оси информационного пучка. Это позволяет исключить погрешность преобразования датчика линейных смещений обусловленную малым изменением освещенности в окрестности оси расширенного гауссова информационного пучка при небольших размера фоточувствительной площадки ПЧФ, которая обычно имеет размеры от 1 х 1 мм² до 0,1 х 0,1 мм².The diameter d (Fig. 4) of the constriction of the information beam 16 in the proposed device is about 10 μm, i.e. 5,000 times smaller than the diameter of the Gaussian information beam in the prototype device, which falls on the linear mixing sensor. Approximately the same time the sensitivity of the proposed device to linear displacements of the axis of the information beam is increased. This eliminates the error in the conversion of the linear displacement sensor due to a small change in illumination in the vicinity of the axis of the expanded Gaussian information beam with a small size of the photosensitive PCF area, which usually has sizes from 1 x 1 mm ² to 0.1 x 0.1 mm ² .

Центральное отверстие аксикона на 0,5 1,0 м сужает диапазон длин контролируемых профилей. Поэтому с целью расширения диапазона измерения, целесообразно применять аксикон только с периферийными отверстиями (фиг. 3), которые, не сужая диапазона измерения, позволяют выровнять количество световой энергии, сосредоточенной в поперечном сечении перетяжки на удаленных от аксикона 3 участках информационного пучка 16. В идеале форма периферийных отверстий должна быть близка к форме равнобедренного треугольника с вершиной вблизи центра аксикона 3 и биссектрисой, направленной вдоль его радиуса. The center hole of the axicon 0.5 0.5 m narrows the range of lengths of controlled profiles. Therefore, in order to expand the measurement range, it is advisable to use the axicon only with peripheral holes (Fig. 3), which, without narrowing the measurement range, allow you to even out the amount of light energy concentrated in the cross section of the waist at 3 parts of the information beam 16, which are remote from the axicon. Ideally, the shape of the peripheral holes should be close to the shape of an isosceles triangle with an apex near the center of axicon 3 and a bisector directed along its radius.

Вместе светоделителя 5 с центральным отверстием целесообразно использовать светоделитель с центральным зеркалом, нанесенным на прозрачную подложку. Такой светоделитель проще и дешевле изготовить. При этом функциональная схема и работа устройства останутся неизменными за исключением того, что датчик 6 линейных смещений и датчик 7 угловых смещений с подключенным к его выходу дискриминатором 11 поменяются местами и соответственно, поменяются местами информационный 23 и управляющий 24 входы блока выборки 11. Together, a beam splitter 5 with a central hole, it is advisable to use a beam splitter with a Central mirror deposited on a transparent substrate. Such a beam splitter is easier and cheaper to manufacture. In this case, the functional diagram and operation of the device will remain unchanged except that the linear displacement sensor 6 and the angular displacement sensor 7 with the discriminator 11 connected to its output will interchange and, accordingly, the information 23 and control 24 inputs of the sample block 11 will interchange.

Claims

A device for measuring deviation from linearity, comprising a laser with a telescopic system, a reflector in the form of a prism Bq Р 180 ^o installed on a controlled surface along the laser radiation, a beam splitter installed along the reflected laser radiation and intended to divide it into two beams, a linear sensor displacements and an angle displacement sensor installed after the beam splitter along the corresponding beams, a registrar, a zero level discriminator, the input of which is connected to the output of the angle sensor biases, a sampling unit, the signal input of which is connected to the output of the linear displacement sensor, and the control input is connected to the output of the zero level discriminator, and an averaging unit, whose input is connected to the output of the sampling unit, and the output with the recorder input, characterized in that it is equipped with an axicon with holes installed along the laser radiation behind the telescopic system, the beam splitter is made in the form of a mirror with a central hole or a transparent plate with a central mirror.