RU2109250C1 - Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью - Google Patents

Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью Download PDF

Info

Publication number
RU2109250C1
RU2109250C1 RU95100536A RU95100536A RU2109250C1 RU 2109250 C1 RU2109250 C1 RU 2109250C1 RU 95100536 A RU95100536 A RU 95100536A RU 95100536 A RU95100536 A RU 95100536A RU 2109250 C1 RU2109250 C1 RU 2109250C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
revolution
light beam
rotation
photodetector
axis
Prior art date
Application number
RU95100536A
Other languages
English (en)
Other versions
RU95100536A (ru
Inventor
В.Н. Белопухов
С.И. Бесталанный
О.А. Заякин
Original Assignee
Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН filed Critical Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН
Priority to RU95100536A priority Critical patent/RU2109250C1/ru
Publication of RU95100536A publication Critical patent/RU95100536A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2109250C1 publication Critical patent/RU2109250C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Использование: бесконтактное измерение профиля деталей типа тел вращения, а также слабой волнистости поверхности в виде пространственной функции. Сущность изобретения: на тестируемую поверхность тела вращения направляют световой луч перпендикулярно оси вращения со смещением относительно этой оси, перемещают его параллельно оси вращения в дискретные точки, регистрируют полярный угол и высоту положения луча на фотоприемнике, фотоприемник используют с формой фотоприемной поверхности в виде боковой поверхности цилиндра. 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений профиля деталей типа тел вращения, а также слабой волнистости поверхности в виде пространственной функции.
Известно устройство для измерения профиля тел вращения и волнистости, содержащее измерительный элемент, контактирующий с поверхностью, и датчики фактического радиуса, электронный блок для управления скоростью вращения измеряемой детали, а также регулирующее устройство [1].
Недостатком данного устройства является контактный способ измерения и низкий динамический диапазон устройства, не позволяющий фиксировать волнистость малой амплитуды, присущую деталям точного машиностроения, например таким, как изделия подшипниковой промышленности.
Известно оптико-электронное устройство для контроля геометрической формы трехмерных объектов, в котором на тестируемую поверхность направляют ножевидный пучок света, телевизионной камерой принимают след пересечения пучка с поверхностью и по виду этой кривой с учетом угла падения пучка обработкой данных в компьютере восстанавливают форму поверхности /патент 5104227, США, Apparatus for measuring three-dimensional curved surfase. shapes /Uesugi Mitsuaki, Jnomata Masaichi; NKK Corp. -N 496217.-Опубл. 14.04.92., N 1-84875, /Япония/; кл. 356/376/.
Однако данный способ применим лишь для диффузно рассеивающих поверхностей, но не применим для отражающих.
Известен способ измерения линейных размеров объектов с отражающей поверхностью, при котором световой луч направляют под углом к отражающей поверхности вращения, положение отраженного луча регистрируют на фотоприемной плоскости, которая расположена параллельно падающему лучу и, используя координаты лучей, отраженных от образцовой детали и измеряемой при помощи приведенных соотношений, находят диаметр измеряемой детали (авт. св. СССР, 1320658, 1987. Бюл. 24).
Недостатками этого способа являются, во-первых, одномерный характер измерений, не позволяющий восстанавливать форму поверхностей, отличных от цилиндрических, во-вторых, невозможность отличить изменение радиуса в точке падения зондирующего луча от локальных наклонов поверхности, вызванных ее волнистостью, в-третьих, существенная нелинейность градуировочной характеристики, значительно ограничивающая точность измерения, вызванная отображением трехмерной поверхности на плоскость.
Наиболее близким техническим решением является способ бесконтактного контроля поверхности движущихся объектов, заключающийся в том, что направляют световой луч на объект так, чтобы луч отражался от него, и детектируют указанный отраженный луч в процессе относительного движения луча и объекта [2]. При этом согласно п. 4 формулы указанного изобретения указанным объектом является колесо железнодорожного вагона. Очевидно, что оно является телом вращения.
Недостатком этого способа является отсутствие методики обработки измерительной информации, а также отсутствие конкретного количественного критерия качества контролируемых объектов.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей для измерения формы сложных трехмерных поверхностей вращения (например, дорожек качения колец шарикоподшипников) и повышение точности для воспроизведения некруглости и волнистости малых амплитуд.
Указанная цель достигается тем, что в способе измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью, заключающемся в том, что направляют световой луч на тестируемую поверхность контролируемого тела вращения, сканируют поверхность ее поворотом и перемещением светового луча, для каждого положения тестируемой поверхности и светового луча фиксируют отраженный световой луч фотоприемником и по его пространственным координатам измеряют геометрическую форму, световой луч направляют на тестируемую поверхность контролируемого тела вращения перпендикулярно оси вращения со смещением относительно этой оси, при этом при сканировании поверхности световой луч перемещают параллельно оси вращения в дискретные точки, фотоприемник используют с формой фотоприемной поверхности в виде боковой поверхности цилиндра, концентричного контролируемому телу вращения, а при измерении геометрической формы тела вращения регистрируют в дискретной точке сканирования полярный угол и высоту положения луча на фотоприемнике, затем формируют массивы регистрируемой информации, по которым для каждого кругового сечения контролируемого тела вращения последовательно определяют радиус усредненного профиля, производную усредненного профиля и производные функции волнистости, восстанавливают отсчеты функции волнистости по соответствующим производным с учетом кривизны усредненного профиля.
При этом линеаризация градуировочных характеристик достигается тем, что положение отраженного луча регистрируется в естественной для тела вращения цилиндрической системе координат.
На фиг. 1 и 2 изображена схема, поясняющая способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью.
Схема содержит осветитель 1, например лазер с соответствующей оптической схемой, для осуществления точечной засветки, тело вращения 2, фотоприемную поверхность 3, расположенные в декартовой системе координат.
Зондирующий луч
Figure 00000002
перпендикулярен плоскости YOZ и направлен на тестируемую поверхность с фиксированным осевым смешением в положительном направлении оси OY величиной Y0.
Отраженный телом вращения луч
Figure 00000003
принимается фотоприемной поверхностью 3, представляющей собой участок боковой поверхности цилиндра с радиусом L, концентричного тестируемой поверхности. Подобная фотоприемная поверхность может быть реализована, например, перемещением линейного позиционно-чувствительного фотоприемника, ориентированного параллельно оси OZ, по дуге соответствующего радиуса.
Сканирование тестируемой поверхности осуществляется дискретным перемещением осветителя в направлении оси OZ и шаговым разворотом тела вращения.
В процессе измерения для каждого положения осветителя Zk и углового положения тела вращения φi фиксируют координаты отраженного луча на фотоприемной секции, такие, как полярный угол Ψik и высота по оси OZ ξik . В результате сканирования тестируемой поверхности накапливают массивы измерительной информации {Ψikik-Zik} , где индекс i =
Figure 00000004
соответствует развороту тела вращения, индекс K =
Figure 00000005
соответствует положению осветителя Zk.
Основные расчетные соотношения получены из системы уравнений, включающей условие зеркального отражения лучей
Figure 00000006
,
и уравнение тестируемой поверхности в виде
ρ(φ,z) = R(z)+H(φ,z), (2) ,
где
Figure 00000007
- вектор нормали к поверхности в точке отражения;
ρ,φ,z -цилиндрические координаты;
R(Z) - усредненный профиль, представляющий собой математическое ожидание случайной функции;
H(φ,z) - функция волнистости, представляющая собой случайный процесс с нулевым средним.
На функцию волнистости наложено ограничение
Η(φ,z) ≪ R(z) (3)
Решая систему уравнений с учетом ограничения /3/, получаем значения производных функции волнистости H (φ,z) в дискретных точках, соответствующих положению сканирующего луча
Figure 00000008

В данных выражениях приняты следующие обозначения:
Figure 00000009
,
В выражениях 4/ входят неизвестные значения радиуса R/Zk/ и производной Rz/Zk/ усредненного профиля для конкретного кругового сечения тестируемой поверхности.
Рассматривая R/Z/ как математическое ожидание случайной функции /2/ и используя свойство линейности выражений /4/ при малом изменении параметров, получаем условия Hφ=0 и Hz = 0 для нахождения искомых параметров усредненного профиля.
Величина R/Zk/ может быть найдена в результате решения уравнения
Figure 00000010
,
а величина производной усредненного профиля Rz/Zk/ определяется из выражения
Figure 00000011
,
где
Akk - определены выражениями /5/;
Figure 00000012
- средние значения параметров Ψik и θik за оборот тестируемой поверхности для кругового сечения Zk;
Figure 00000013
,
Необходимо отметить, что уравнение /6/ имеет явное, но громоздкое решение и поэтому здесь не приводится.
Восстановление геометрической формы тестируемой поверхности вращения производится на основе приведенных выше расчетных соотношений и выполняется в несколько последовательных этапов.
На первом этапе, решая уравнение /6/, находят радиусы R/Zk/ усредненного профиля и, подставляя их значения в выражение /7/, определяют соответствующие производные Rz/Zk/.
На втором этапе, используя вычисленные параметры R/Zk/ и Rz/Zk/, при помощи выражений /4/ вычисляют значение производных функции волнистости Hφi,zk) и Hzi,zk) в точках сканирования.
На третьем этапе восстанавливают функцию волнистости H (φ,z) при помощи любых известных методов численного интегрирования с учетом криволинейных координат, определяемых формой усредненного профиля R/Z/.
При детальном рассмотрении полученных расчетных соотношений можно заменить, что они зависят от относительного параметра настройки оптической схемы, определяемого выражением p=Y0/L/
На фиг. 3 представлена градуировочная характеристика усредненного профиля R/Z/ для цилиндрических поверхностей при p=0,2. На основании приведенной зависимости видно, что в диапазоне углов
Figure 00000014
от 45 до 130o способ позволяет охватить измерением тела вращения, отличающиеся по радиусу примерно в два раза. Это могут быть как различные цилиндры, так и конусы, поверхности с произвольными криволинейными профилями.
Оптическая схема при p=0,2, Y0=7 мм, L = 35 мм применима для тел вращения с диапазоном радиусов 8 мм <R/Z/< 16 мм. Средняя крутизна относительного измерения радиусов составляет ≈0,6% на градус угла
Figure 00000015
. При выборе шага
Figure 00000016
и использовании линейного координатно-чувствительного фотоприемника типа К 1200 ЦЛ1 с шагом элементов фотосекции 15 мкм оптическая схема с чувствительна к волнистости с локальными наклонами порядка 0,002 мм/мм.
Способ дает новые возможности для создания оптических датчиков адаптивного действия, позволяющих настраиваться на реальную форму поверхности и воспроизводить топограмму ее микронеровностей, используя усредненный профиль как внутреннюю систему координат.

Claims (1)

  1. Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью, заключающийся в том, что направляют световой луч на тестируемую поверхность контролируемого тела вращения, сканируют поверхность ее поворотом и перемещением светового луча, для каждого положения тестируемой поверхности и светового луча фиксируют отраженный световой луч фотоприемником и по его пространственным координатам измеряют геометрическую форму, отличающийся тем, что световой луч направляют на тестируемую поверхность контролируемого тела вращения перпендикулярно оси вращения со смещением относительно этой оси, при этом при сканировании поверхности световой луч перемещают параллельно оси вращения в дискретные точки, фотоприемник используют с формой фотоприемной поверхности в виде боковой поверхности цилиндра, концентричного контролируемому телу вращения, а при измерении геометрической формы тела вращения регистрируют в дискретной точке сканирования полярный угол и высоту положения луча на фотоприемнике, затем формируют массивы регистрируемой информации, по которым для каждого кругового сечения контролируемого тела вращения последовательно определяют радиус усредненного профиля, производную усредненного профиля и производные функции волнистости, восстанавливают отсчеты функции волнистости по соответствующим производным с учетом кривизны усредненного профиля.
RU95100536A 1995-01-12 1995-01-12 Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью RU2109250C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95100536A RU2109250C1 (ru) 1995-01-12 1995-01-12 Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95100536A RU2109250C1 (ru) 1995-01-12 1995-01-12 Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95100536A RU95100536A (ru) 1996-10-27
RU2109250C1 true RU2109250C1 (ru) 1998-04-20

Family

ID=20163981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95100536A RU2109250C1 (ru) 1995-01-12 1995-01-12 Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2109250C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004074770A1 (fr) * 2003-02-20 2004-09-02 Gennady Genrikhovich Levin Procede de mesure optique de la forme de surface d'un objet en trois dimensions (et variantes)
RU2650418C2 (ru) * 2016-08-04 2018-04-13 Андрей Аркадьевич Шоломицкий Способ высокоточного определения параметров поверхности и осей вращающихся агрегатов
RU2772088C1 (ru) * 2021-11-23 2022-05-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Способ бесконтактного измерения линейных размеров вращающихся трехмерных объектов

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004074770A1 (fr) * 2003-02-20 2004-09-02 Gennady Genrikhovich Levin Procede de mesure optique de la forme de surface d'un objet en trois dimensions (et variantes)
RU2650418C2 (ru) * 2016-08-04 2018-04-13 Андрей Аркадьевич Шоломицкий Способ высокоточного определения параметров поверхности и осей вращающихся агрегатов
RU2772088C1 (ru) * 2021-11-23 2022-05-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Способ бесконтактного измерения линейных размеров вращающихся трехмерных объектов
RU2803823C1 (ru) * 2023-02-01 2023-09-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Дифракционный способ измерения линейного размера объекта

Also Published As

Publication number Publication date
RU95100536A (ru) 1996-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101158134B1 (ko) 용기 경사를 광학 검사하는 장치
JP2731864B2 (ja) 押込型硬度計
US4334780A (en) Optical surface roughness detection method and apparatus
Fan A non-contact automatic measurement for free-form surface profiles
US4914828A (en) Surface inspection device and method
EP0536626A1 (en) Precision three dimensional profiling and measurement system for cylindrical containers
WO1998053271A2 (en) Method and apparatus for determining angular displacement, surface translation, and twist
US4390277A (en) Flat sheet scatterometer
US20240085170A1 (en) Method for assessing a depression, in particular a bore, in a workpiece
RU2109250C1 (ru) Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью
Schulz Topography measurement by a reliable large-area curvature sensor
JPS63191007A (ja) ネジの検査測定方法
Cuthbert et al. Statistical analysis of optical Fourier transform patterns for surface texture assessment
JP5032741B2 (ja) 3次元形状測定方法及び3次元形状測定装置
JPH11257945A (ja) プローブ式形状測定装置及び形状測定方法
JP3276577B2 (ja) 光学式表面粗さ計測装置
CN114397373B (zh) 基于管道焊接超声检测的aut轨道校准装置及校准方法
JPH01232203A (ja) 管体の形状測定装置
Clarke Simple scanners reveal shape, size and texture
Mashimo et al. Development of optical noncontact sensor for measurement of three-dimensional profiles using depolarized components of scattered light
Chugui et al. Inspection of holes parameters using a ring diffractive focuser
Vazquez et al. New fiber optic laser probe for the automatic inspection of cracks in the inner side of heat exchanger tubes of nuclear power plants
Tu et al. Spy quantitative inspection with a machine vision light sectioning method
Radovanovic et al. Evaluation of the accuracy of a laser scanner-based roll mapping system
JPH10288512A (ja) 形状測定装置