RU2294552C2

RU2294552C2 - Auto-collimation endoscope

Info

Publication number: RU2294552C2
Application number: RU2005106047/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский; Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович
Original assignee: Войсковая часть 75360; Виктор Яковлевич Маклашевский; Андрей Анатольевич Кеткович
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2007-02-27
Also published as: RU2005106047A

Abstract

FIELD: non-destructive control utilizing visual-optical and/or television means, possible use for controlling internal hollows of various products in defense, air and space equipment engineering and other industrial branches.

SUBSTANCE: endoscope features external body made in form of thin-walled pipe, on external surface of which along its generatrix a linear scale is applied. Inside the pipe the body of endoscope itself is located with its possible linear movement along the pipe by means of micrometric mechanism with movement indicator. Movement indicator is mounted on the pipe of external body. Flat mirror is mounted on the end of external body at an angle of 45° to optical axis of endoscope. Diameter of external body D, focus distance of additional micro-lens of endoscope f'_k, distance to point of intersection of mirror with optical axis of endoscope t and maximal depth H_max of defect being measured are connected by relation f'_k≥t+D/2+H_max+Δ, where Δ - structural gap between external additional body of endoscope and surface being controlled.

EFFECT: possible measuring of depth of defects on side surfaces of hollows into which endoscope is inserted.

2 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью визуально-оптических и/или телевизионных средств и может быть использовано для контроля внутренних полостей различных изделий в оборонной, авиакосмической технике, а также в других отраслях машиностроения.The invention relates to non-destructive testing using visual-optical and / or television means and can be used to control the internal cavities of various products in defense, aerospace engineering, as well as in other engineering industries.

Известен эндоскоп для визуального поиска и измерения трехмерных дефектов. Он содержит корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, окуляр с линейной шкалой, а также устройство для крепления эндоскопа на объекте с возможностью трехмерного перемещения и поворота относительно продольной оси эндоскопа и соответствующие индикаторы этих перемещений. Канал передачи изображения выполнен в виде регулярного световода или микротелекамеры. Эндоскоп дополнительно содержит светоделитель, расположенный между линейной шкалой и окуляром, непрозрачную маску с вырезом, осветитель для ее подсветки и дополнительную микролинзу. Маска с вырезом установлена перпендикулярно оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с оптической осью эндоскопа и перпендикулярно ей, и оптически сопряжена с линейной шкалой. Дополнительную микролинзу вводят с помощью дистанционною механизма в ход лучей перед объективом эндоскопа на его оптической оси таким образом, что ее фокальная плоскость последовательно совпадает с наружной и внутренней поверхностями дефекта в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа. Обеспечивается повышение точности и равномерности освоения [1].Known endoscope for visual search and measurement of three-dimensional defects. It contains a housing in which there is a light guide, a lens, an image transmission channel, an eyepiece with a linear scale, and also a device for attaching an endoscope to an object with the possibility of three-dimensional movement and rotation relative to the longitudinal axis of the endoscope and corresponding indicators of these movements. The image transmission channel is made in the form of a regular optical waveguide or micro-television camera. The endoscope further comprises a beam splitter located between the linear scale and the eyepiece, an opaque mask with a notch, a illuminator for its illumination and an additional microlens. The mask with the cutout is installed perpendicular to the axis passing through the point of intersection of the beam splitter and the optical axis of the endoscope and perpendicular to it, and is optically coupled to a linear scale. An additional microlensis is introduced using a remote mechanism into the rays in front of the endoscope lens on its optical axis so that its focal plane consecutively coincides with the outer and inner surfaces of the defect during focusing movements of the endoscope. EFFECT: increased accuracy and uniformity of development [1].

Недостаток данного изобретения - невозможность измерения глубины дефектов на боковых поверхностях полостей, в которые вводится эндоскоп. Вместе с тем, это актуально при визуальном и измерительном контроле внутренних поверхностей трубопроводов различного назначения, СВЧ-волноводов, гидроусилителей и т.п. объектов.The disadvantage of this invention is the inability to measure the depth of defects on the lateral surfaces of the cavities into which the endoscope is inserted. At the same time, this is relevant for visual and measuring control of the internal surfaces of pipelines for various purposes, microwave waveguides, power amplifiers, etc. objects.

Для устранения вышеуказанных недостатков в эндоскоп для визуального поиска и измерения трехмерных дефектов, содержащий корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, выполненный в виде световода, окуляр с измерительной шкалой, а также устройство для крепления эндоскопа на объекте с возможностью трехмерного перемещения и поворота относительно продольной оси эндоскопа и соответствующие индикаторы этих перемещений, светоделитель, расположенный между линейной шкалой и окуляром, непрозрачную маску с вырезом, установленную перпендикулярно оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с оптической осью эндоскопа и перпендикулярно ей, и оптически сопряженную с линейной шкалой, осветитель для ее подсветки, дополнительную микролинзу, вводимую с помощью дистанционного механизма в ход лучей перед объективом эндоскопа и располагаемую в корпусе эндоскопа на его оптической оси таким образом, что ее фокальная плоскость последовательно совпадает с наружной и внутренней поверхностями дефекта в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа, дополнительно введен внешний корпус, выполненный в виде тонкостенной трубки, на внешней поверхности которой вдоль ее образующей нанесена линейная шкала, внутри трубки располагается корпус с возможностью линейного перемещения вдоль нее с помощью микрометрического механизма с индикатором перемещений, установленного на внешнем корпусе, на торце внешнего корпуса под углом 45° к оптической оси эндоскопа установлено плоское зеркало, при этом диаметр внешнего корпуса D, фокусное расстояние дополнительной микролинзы объектива эндоскопа f_к, расстояние от микролинзы до точки пересечения оптической оси эндоскопа с зеркалом t и максимальной глубиною Н_max измеряемого дефекта связаны соотношением f_к= t-D/2+H_max+Δ, где Δ - зазор между внешним корпусом эндоскопа и контролируемой поверхностью.To eliminate the above disadvantages, an endoscope for visual search and measurement of three-dimensional defects, comprising a housing in which there is a light guide, a lens, an image transmission channel made in the form of a light guide, an eyepiece with a measuring scale, and a device for attaching an endoscope to an object with the possibility of three-dimensional movement and rotation relative to the longitudinal axis of the endoscope and the corresponding indicators of these movements, a beam splitter located between the linear scale and the eyepiece, opaque a mask with a cutout mounted perpendicular to the axis passing through the intersection point of the beam splitter and the optical axis of the endoscope and perpendicular to it, and optically conjugated to a linear scale, a illuminator for its illumination, an additional microlenses, introduced by a remote mechanism into the rays in front of the endoscope lens and placed in the body of the endoscope on its optical axis in such a way that its focal plane consecutively coincides with the outer and inner surfaces of the defect during focusing the endoscope, an external case is additionally introduced, made in the form of a thin-walled tube, on the outer surface of which a linear scale is applied along its generatrix, inside the tube there is a body with the possibility of linear movement along it using a micrometric mechanism with a movement indicator mounted on the outer case, at the end the outer case at an angle of 45 ° to the optical axis of the endoscope has a flat mirror, the diameter of the outer case D, the focal length of the additional lens micro lens of the endoscope f _k , the distance from the microlens to the point of intersection of the optical axis of the endoscope with the mirror t and the maximum depth H _{max of the} measured defect are related by the relation f _k = tD / 2 + H _max + Δ, where Δ is the gap between the outer casing of the endoscope and the controlled surface.

Изобретение поясняется чертежами, фиг.1 и 2, на которых представлены общая схема (фиг.1) и конструкция эндоскопа предлагаемого устройства (фиг.2).The invention is illustrated by drawings, figures 1 and 2, which shows the General scheme (figure 1) and the design of the endoscope of the proposed device (figure 2).

Эндоскоп 1 крепится с помощью стопора 2 во втулке 4, на которой закреплен микровинт 3, с помощью которого эндоскоп 1 линейно перемещается относительно фланца 5, закрепляемого на внешнем корпусе эндоскопа 11 стопором 10. Величина продольного перемещения эндоскопа 1 относительно внешнего корпуса 11 измеряется с помощью индикатора перемещений 9, закрепленного на втулке 4 (фиг.1).The endoscope 1 is attached with a stopper 2 in the sleeve 4, on which a microscrew 3 is fixed, with which the endoscope 1 is linearly moved relative to the flange 5, mounted on the outer casing of the endoscope 11 by the stopper 10. The longitudinal movement of the endoscope 1 relative to the outer casing 11 is measured using an indicator displacements 9, mounted on the sleeve 4 (figure 1).

Внешний корпус эндоскопа 11 с расположенным в нем эндоскопом 1 может совершать продольные перемещения относительно фланца 12, а также поворачиваться вокруг своей продольном оси.The outer casing of the endoscope 11 with the endoscope 1 located therein can perform longitudinal movements relative to the flange 12, and also rotate around its longitudinal axis.

Стопор 13 служит для фиксации корпуса 11 при различной глубине погружения в объект. Корпус 11 крепится на объекте 8 с помощью устройства 6 и 7, позволяющих перемещать его в плоскости, нормальной к оптической оси эндоскопа, в двух ортогональных направлениях.The stopper 13 serves to fix the housing 11 at various depths of immersion in the object. The housing 11 is mounted on the object 8 using the device 6 and 7, allowing you to move it in a plane normal to the optical axis of the endoscope, in two orthogonal directions.

На поверхности корпуса 11 нанесена линейная шкала для оценки глубины погружения эндоскопа в объект.A linear scale is applied on the surface of the housing 11 to assess the immersion depth of the endoscope in the object.

На внешней торцевой поверхности фланца 12 нанесена угловая шкала для оценки поворота эндоскопа относительно него.An angular scale is applied on the outer end surface of the flange 12 to assess the rotation of the endoscope relative to it.

Линейная и угловая шкалы не показаны на фиг.1 в силу общеизвестности данных технических решений.Linear and angular scales are not shown in figure 1 due to the well-known data of technical solutions.

Зеркало 14 на переднем торце корпуса 11 предназначено для наблюдения дефекта 15 под углом 90° к оптической оси эндоскопа.The mirror 14 at the front end of the housing 11 is designed to observe the defect 15 at an angle of 90 ° to the optical axis of the endoscope.

На фиг.2 показана схема эндоскопа устройства.Figure 2 shows a diagram of an endoscope device.

Эндоскоп 1 расположен в корпусе (фиг.2), в котором расположены осветительный световод 16, световод для передачи изображения 17, объектив эндоскопа 18, микролинза 19, вводимая (выводимая) из оптической схемы с помощью поворотного стержня 20, измерительная шкала 21, установленная на выходном торце световода 17, полупрозрачное зеркало 22, маска с вырезом 25, осветительный конденсор 24, источник света 25 для подсветки шкалы 21, окуляр 26 и внешний осветитель 27 для подсветки световода 16. Перед микролинзой 19 установлено под углом 45° к оптической оси эндоскопа дополнительное плоское зеркало 14, закрепленное на трубке 11, внутри которой перемещается корпус эндоскопа 1. На фиг.2 обозначены диаметр D трубки 11, t - текущее переменное расстояние от микролинзы 19 до точки пересечения эндоскопа с зеркалом 14 и контролируемой поверхностью 15. Н_макс - максимальная измеряемая глубина дефекта при заданных значениях параметров D, t, Δ.The endoscope 1 is located in the housing (figure 2), in which there is a light guide 16, a light guide for transmitting images 17, an endoscope lens 18, a microlens 19, introduced (output) from the optical circuit using a rotary rod 20, a measuring scale 21 mounted on the output end of the fiber 17, a translucent mirror 22, a mask with a notch 25, a lighting condenser 24, a light source 25 to illuminate the scale 21, an eyepiece 26 and an external illuminator 27 to illuminate the fiber 16. Before the microlens 19 is installed at an angle of 45 ° to the optical axis of the endoscope to olnitelnoe flat mirror 14 fixed to the tube 11, which moves inside the housing 1. The endoscope 2 is designated the diameter D of the tube 11, t - current variable distance from microlens 19 to the point of intersection of the mirror with the endoscope 14 and tested surface 15. H _max - the maximum measured depth of the defect at the given values of the parameters D, t, Δ.

Устройство работает следующий образом.The device operates as follows.

Внешний корпус 11 с эндоскопом 1 устанавливают во фланце 12 (фиг.1). Включают осветитель 27 (фиг.2), и при выведенной из хода лучей микролинзе 19 производят визуальный контроль внутренней поверхности изделия 8, осуществляя продольное вращательное перемещение корпуса 11 с эндоскопом 1 во фланце 12, а затем при необходимости его поперечное смещение с помощью устройств 6 и 7 (фиг.1). При обнаружении дефекта 15 фиксируют стопором 15 корпус 11 во фланце 12, вводят микролинзу 19 в ход лучей, включают осветитель 25 (фиг.2) и микровинтом 3 (фиг.1) последовательно фокусируют изображение автоколлимационной марки 24 (фиг.2) на поверхность изделия, прилегающую к дефекту, и на его дно, аналогично методу, описанному в прототипе [1].The outer casing 11 with the endoscope 1 is installed in the flange 12 (figure 1). The illuminator 27 is turned on (FIG. 2), and when the microlens 19 is removed from the beam, the internal surface of the product 8 is visually inspected by performing longitudinal rotational movement of the housing 11 with the endoscope 1 in the flange 12, and then, if necessary, its lateral displacement using the devices 6 and 7 (FIG. 1). If a defect 15 is detected, fix the housing 11 with a stopper 15 in the flange 12, insert the microlens 19 into the beam, turn on the illuminator 25 (Fig. 2) and the microscrew 3 (Fig. 1) sequentially focus the image of the autocollimation mark 24 (Fig. 2) on the surface of the product adjacent to the defect, and to its bottom, similar to the method described in the prototype [1].

Фиксируют соответствующие показания индикатора перемещения 9 (фиг.1) и по их разности определяют глубину дефекта.The corresponding indications of the displacement indicator 9 are fixed (Fig. 1) and the depth of the defect is determined by their difference.

Планарные размеры дефекта определяют с помощью шкалы 4 (фиг.2).The planar dimensions of the defect are determined using a scale of 4 (figure 2).

С помощью угловой шкалы на фланце 12 (фиг.1) определяют полярные координаты дефекта на поверхности полости. С помощью линейной шкалы на поверхности внешнего корпуса эндоскопа можно также оценивать линейную протяженность дефектов, размеры которых превосходят величину линейного поля зрения эндоскопа. Протяженность дефекта определяется при этом как разность отсчетов по этой шкале, соответствующих моментам наведения эндоскопа на начало и конец дефекта.Using the angular scale on the flange 12 (figure 1) determine the polar coordinates of the defect on the surface of the cavity. Using a linear scale on the surface of the outer body of the endoscope, one can also evaluate the linear extent of defects whose dimensions exceed the linear field of view of the endoscope. The extent of the defect is determined in this case as the difference of the readings on this scale, corresponding to the moments of the endoscope pointing at the beginning and end of the defect.

Между максимальной глубиной измеряемого дефекта H_max, диаметром внешнего эндоскопа D, зазором между этим корпусом и поверхностью объекта t, фокусным расстоянием микролинзы 19 f_к и расстоянием t от микролинзы 19 до точки пересечения ее оптической оси с зеркалом 14 существует очевидное соотношение (фиг.2):Between the maximum depth of the measured defect H _max , the diameter of the external endoscope D, the gap between this body and the surface of the object t, the focal length of the microlens 19 f _to and the distance t from the microlens 19 to the point of intersection of its optical axis with the mirror 14, there is an obvious relation (Fig. 2 ):

Исследования опытного образца устройства показали, что для характерных значений параметров D=6,0 мм, Δ=0,1÷0,5 мм, t=3 мм и f^' _к=10 мм, H_max≤10-(3+0,1+3)≈2,9 мм, что вполне достаточно для практики.Studies of a prototype device showed that for characteristic values of the parameters D = 6.0 mm, Δ = 0.1 ÷ 0.5 mm, t = 3 mm and f ^' _k = 10 mm, H _max ≤10- (3 + 0 , 1 + 3) ≈2.9 mm, which is quite enough for practice.

Погрешность измерений глубины составляет при этом ΔH≅±0,05 мм, что также удовлетворяет реальным требованиям производства. Погрешность измерения планарных размеров дефекта при цене деления шкалы 9, равной 0,1 мм, составляет ±0,2 мм. Погрешность измерения линейной и угловой координат дефекта составляют соответственно ±0,5 мм и 0,2° при ценах деления линейной шкалы 1 мм и угловой 1°.The accuracy of the depth measurements is ΔH≅ ± 0.05 mm, which also satisfies the actual requirements of production. The error in measuring the planar dimensions of the defect at a scale division value of 9 equal to 0.1 mm is ± 0.2 mm. The measurement error of the linear and angular coordinates of the defect is ± 0.5 mm and 0.2 °, respectively, at a division scale of 1 mm and angular 1 °.

Максимальная глубина погружения конкретного эндоскопа в изделие составила при этом 0,6 м, и, как показали исследования, может быть существенно увеличена (до 1±2 м) без существенного снижения погрешности измерения трехмерных размеров дефектов.The maximum immersion depth of a particular endoscope in the product was 0.6 m, and, as studies have shown, can be significantly increased (up to 1 ± 2 m) without significantly reducing the measurement error of the three-dimensional dimensions of defects.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ №2255549. Автоколлимационный эндоскоп.1. RF patent №2255549. Autocollimation endoscope.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов (В.А.Панов и др.). Л., Машиностроение, 1980, 742 с.2. Handbook of the designer of optical-mechanical devices (V.A. Panov and others). L., Engineering, 1980, 742 p.

Claims

An endoscope for the visual search and measurement of three-dimensional defects, comprising a housing in which there is a light guide, a lens, an image transmission channel made in the form of a light guide, an eyepiece with a measuring scale, and a device for attaching an endoscope to an object with the possibility of three-dimensional movement and rotation relative to longitudinal the axis of the endoscope and the corresponding indicators of these movements, a beam splitter located between the linear scale and the eyepiece, an opaque mask with a notch, installed perpendicular perpendicular to the axis passing through the point of intersection of the beam splitter and the optical axis of the endoscope, and optically conjugated to a linear scale, a illuminator for its illumination, an additional microlensed, introduced by a remote mechanism into the rays in front of the endoscope lens and placed in the endoscope body on its optical axis in such a way that its focal plane consecutively coincides with the outer and inner surfaces of the defect during the focusing movements of the endoscope, characterized in that it additionally contains an outer casing made in the form of a thin-walled tube, on the outer surface of which a linear scale is applied along its generatrix, inside the tube there is a casing with the possibility of linear movement along it using a micrometric mechanism with a movement indicator mounted on the outer casing, at the end of the outer casing a plane mirror is installed at an angle of 45 ° to the optical axis of the endoscope, while the diameter of the outer casing D, the focal length of the additional microlens of the endoscope lens f ' _k , the distance from the microlens to the point of intersection of the optical axis with the mirror t and the maximum depth H _{max of the} measured defect are related by the relation f ' _to > t + D / 2 + H _max + Δ, where Δ is the gap between the external additional body of the endoscope and the controlled surface.