RU2670809C2

RU2670809C2 - Устройство измерения шероховатости поверхности

Info

Publication number: RU2670809C2
Application number: RU2015144501A
Authority: RU
Inventors: Гуаньпин СЕ; Мин ЦЗЯ; Цзирон ЧЖАЙ; Паоло ТРАЛЛОРИ; Кевин Джордж ХАРДИНГ; Гуиджу СОН
Original assignee: Дженерал Электрик Компани
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2014176479A1; MX2015014950A; SA515370050B1; KR20160003729A; RU2670809C9; WO2014176479A8; US10054434B2; CN105378427A; AU2014256975B2; JP6382303B2; EP2989419B1; RU2015144501A3; CN104121872A; CN104121872B; CA2909770A1; EP2989419A1; AU2014256975A1; BR112015026834A2; RU2015144501A; JP2016517019A

Abstract

Группа изобретений относится к области для измерения шероховатости поверхности в труднодоступных областях. Устройство измерения шероховатости поверхности содержит основное и вспомогательные излучающие волокна, собирающие волокна, оптический корпус, главное и вспомогательные отражающие зеркала и внешнюю цепь. Оптический корпус содержит указанные волокна и ограничивает отверстие для оптического контакта с поверхностью объекта. Главное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и предназначено для отражения света, испускаемого из главного излучающего волокна, к точке регистрации в указанном отверстии, и света, отраженного объектом, к собирающим волокнам. Вспомогательное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и предназначено для отражения света, испускаемого из вспомогательного излучающего волокна, к указанной точке регистрации. Внешняя цепь служит для создания лазерного луча, проходящего к главному и вспомогательным излучающим волокнам, собирания отраженного света от собирающих волокон и расчета шероховатости поверхности объекта на основании собранного отраженного света. Технический результат – измерение шероховатости в труднодоступных местах с высокой точностью. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Варианты выполнения данного изобретения относятся в целом к устройствам измерения шероховатости поверхности, и в частности к устройствам измерения шероховатости поверхности, которые могут осуществлять измерения в труднодоступных областях и при неблагоприятных внешних условиях.

[0002] Качество поверхности и чистовая обработка играют важную роль, например, в областях механики, оптики и медицины, а также в промышленных товарах и электронных устройствах. Поскольку шероховатость является такой важной характеристикой компонента, его обычно подвергают процессам, отвечающим за обеспечение качества. В некоторых примерах контроль шероховатости поверхности обуславливает тип процесса изготовления и может даже влиять на функциональные характеристики компонента. Соответственно, в промышленности разработан ряд способов измерения шероховатости поверхности. Эти способы в целом могут быть разделены на две категории, т.е. контактные способы измерения и бесконтактные способы измерения. Обычно большинство способов измерения шероховатости поверхности предназначено для наружной поверхности, при этом в промышленности существует ряд известных технологий.

[0003] Измерения шероховатости внутренней поверхности, как правило, являются более трудными, особенно для компонентов меньших размеров или компонентов с узкими пазами или отверстиями. Помимо измерений на внутренней поверхности, существуют другие ситуации, которые не очень хорошо подходят для измерений шероховатости. Например, компонент может иметь сложную геометрию с неплоской поверхностью, что затрудняет поверхностные измерения.

[0004] Обычные технологии для сложных измерений шероховатости обладают недостатками, например, являются разрушающими, дорогостоящими и затратными по времени в производственной окружающей среде. Более того, обычные способы измерения шероховатости не могут обеспечить простое распознавание направления риски от машинной обработки измеряемого объекта и могут не исключать влияния изменения какого-либо параметра, например изменения отражающей способности материала, вибрации в цехе и т.д.

[0005] По этим и другим причинам существует необходимость в устройстве измерения шероховатости поверхности, в частности, предназначенном для измерений в труднодоступных местах и обеспечивающем точное значение шероховатости поверхности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Согласно одному варианту выполнения данного устройства предложено устройство измерения шероховатости поверхности. В одном варианте выполнения указанное устройство содержит волоконный жгут, содержащий главное излучающее волокно, собирающие волокна, вспомогательное излучающее волокно, оптический корпус, главное отражающее зеркало, вспомогательное отражающее зеркало и внешнюю цепь. Оптический корпус содержит указанные волоконный жгут и вспомогательное излучающее волокно и ограничивает отверстие для оптического контакта с поверхностью объекта. Главное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и используется для отражения света, испускаемого из главного излучающего волокна, к точке регистрации в указанном отверстии и отражения света, отраженного объектом, к собирающим волокнам. Вспомогательное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и используется для отражения света, испускаемого из вспомогательного излучающего волокна, к указанной точке регистрации в отверстии. Внешняя цепь используется для создания лазерного луча, проходящего к главному излучающему волокну и вспомогательному излучающему волокну, собирания отраженного света от собирающих волокон и расчета шероховатости поверхности объекта на основании собранного отраженного света.

[0007] Согласно другому варианту выполнения предложено устройство измерения шероховатости поверхности. Указанное устройство содержит волоконный жгут, содержащий главное излучающее волокно, собирающие волокна, вспомогательные излучающие волокна, оптический корпус, главное отражающее зеркало, вспомогательные отражающие зеркала и внешнюю цепь. Оптический корпус содержит указанные волоконный жгут и вспомогательные излучающие волокна и ограничивает отверстие для оптического контакта с поверхностью объекта. Главное отражающее зеркало расположено в указанном оптическом корпусе и используется для отражения света, испускаемого из главного излучающего волокна, к точке регистрации в указанном отверстии, и отражения света, отраженного объектом, к собирающим волокнам. Вспомогательные отражающие зеркала расположены в оптическом корпусе и используются для соответствующего отражения света, испускаемого из вспомогательных излучающих волокон, к указанной точке регистрации в отверстии. Внешняя цепь используется для создания лазерного луча, проходящего к главному излучающему волокну и вспомогательным излучающим волокнам, собирания отраженного света от собирающих волокон и расчета шероховатости поверхности объекта на основании собранного отраженного света.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны при прочтении нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы используются для обозначения одинаковых частей на всех чертежах и на которых:

[0009] фиг. 1 изображает схематический вид в аксонометрии устройства измерения шероховатости поверхности согласно одному варианту выполнения,

[0010] фиг. 2 изображает схематический частичный вид устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 1, вместе с измеряемым объектом,

[0011] фиг. 3 изображает разрез волоконного жгута устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту выполнения,

[0012] фиг. 4а изображает схематический вид, показывающий отраженный свет от главного излучающего волокна волоконного жгута устройства измерения шероховатости поверхности, изображенного на фиг. 1,

[0013] фиг. 4b изображает схематический вид, показывающий отраженный свет от вспомогательного излучающего волокна устройства измерения шероховатости поверхности, изображенного на фиг. 1,

[0014] фиг. 5а изображает структурную схему устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту выполнения,

[0015] фиг. 5b изображает структурную схему устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 1, согласно другому варианту выполнения,

[0016] фиг. 6а изображает график, иллюстрирующий сравнение зависимостей между шероховатостью объекта и интенсивностью зарегистрированного отраженного света от главного излучающего волокна для двух различных значений отражающей способности материала объекта,

[0017] фиг. 6b изображает график, иллюстрирующий сравнение зависимостей между шероховатостью объекта и интенсивностью зарегистрированного отраженного света от вспомогательного излучающего волокна для двух различных значений отражающей способности материала объекта,

[0018] фиг. 6c изображает график, иллюстрирующий сравнение зависимостей между шероховатостью объекта и отношением, рассчитанным по интенсивности зарегистрированного отраженного света от главного излучающего волокна и вспомогательного излучающего волокна, для двух различных значений отражающей способности материала объекта,

[0019] фиг. 7а изображает график, иллюстрирующий зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство измерения шероховатости поверхности, и значениями электрического напряжения, рассчитанными на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света от главного излучающего волокна,

[0020] фиг. 7b изображает график, иллюстрирующий зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство измерения шероховатости поверхности, и значениями электрического напряжения, рассчитанными на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света от вспомогательного излучающего волокна,

[0021] фиг. 7c изображает график, иллюстрирующий зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство измерения шероховатости поверхности, и шероховатостью, рассчитанной на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света как от главного излучающего волокна, так и от вспомогательного излучающего волокна,

[0022] фиг. 8а изображает схематический вид, показывающий три различных положения измерения для устройства измерения шероховатости поверхности,

[0023] фиг. 8b изображает график, иллюстрирующий зависимости между углами измерения для устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 8а, и интенсивностью рассеяния, зарегистрированной указанным устройством,

[0024] фиг. 9a изображает структурную схему устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 1, согласно еще одному варианту выполнения,

[0025] фиг. 9b показывает четыре спекл-картины, представляющих четыре значения шероховатости поверхности, рассчитанные с помощью устройства измерения шероховатости поверхности, показанного на фиг. 9a,

[0026] фиг. 10 изображает схематический вид в аксонометрии устройства измерения шероховатости поверхности согласно еще одному варианту выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0027] В нижеследующем подробном описании сделана ссылка на прилагаемые чертежи, составляющие его часть, и в качестве примера показаны конкретные варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике. Эти варианты выполнения описаны достаточно подробно для обеспечения возможности их реализации специалистами, при этом следует понимать, что возможно использование других вариантов выполнения и внесение логических, механических, электрических и других изменений без отклонения от объема вариантов выполнения. Соответственно, нижеследующее подробное описание не должно считаться ограничивающим.

[0028] Если не указано иное, технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют такое же значение, в каком они обычно понимаются специалистом в области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Выражения «первый», «второй» и т.п., используемые в данном документе, не означают какой-либо порядок, количество или важность, а используются для отличия одного элемента от другого. Кроме того, использование единственного числа не означает ограничения по количеству, а означает присутствие по меньшей мере одного из указанных элементов, при этом такие выражения как «передний», «задний», «нижний» и/или «верхний», если не указано иное, используются исключительно для удобства описания и не ограничены только одним положением или пространственной ориентацией. Кроме того, выражения «прикрепленный» и «соединенный» не предполагают различия между непосредственным или опосредованным соединением между двумя компонентами. Напротив, такие компоненты могут быть прикреплены/соединены непосредственно или опосредованно, если не указано иное.

[0029] На фиг. 1 показан схематический вид устройства 10 измерения шероховатости поверхности согласно одному варианту выполнения. Устройство 10 содержит кабельный переходник 11, волоконный жгут 12, вспомогательное излучающее волокно 13, оптический корпус 14, главное отражающее зеркало 15 и миниатюрное вспомогательное отражающее зеркало 16. Для простоты показа на чертежах расположения элементов, находящихся в оптическом корпусе 14, корпус 14 показан прозрачным на фиг. 1, 2, 4а, 4b и 10, однако в одном варианте выполнения корпус 14 является непрозрачным. Например, в одном варианте выполнения корпус 14 выполнен из нержавеющей стали.

[0030] В некоторых вариантах выполнения переходник 11 используется для обеспечения связного интерфейса между волокнами в жгуте 12 и внешними цепями и между вспомогательным излучающим волокном 13 и внешними цепями (которые описаны в нижеследующих абзацах). В одном варианте выполнения жгут 12 содержит главное излучающее волокно 122, расположенное вблизи центра жгута 12, и собирающие волокна 124, расположенные вокруг волокна 122. Для простоты объяснения устройства жгута 12 на фиг. 1 показано лишь малое количество собирающих волокон 124, однако в жгуте 12 может быть расположено большее количество волокон 124 (см. фиг. 3). Число волокон 124 может изменяться в соответствии с проектными требованиями и критериями. Например, в одном варианте выполнения число собирающих волокон может составлять сто двадцать шесть. В данном примере волокна 122, 124 жгута 12 расположены внутри корпуса волоконного жгута, что помогает поддерживать положение волокон.

[0031] Вспомогательное излучающее волокно 13 расположено вблизи жгута 12 и имеет такое же направление излучения, что и волокно 122. В одном варианте выполнения волокно 13 присоединено к жгуту 12, тогда как в других вариантах выполнения волокно 13 расположено в жгуте 12 в качестве одного из его волокон. Для измерения шероховатости поверхности объекта в труднодоступных местах диаметр жгута 12 имеет малый размер. Например, в одном варианте выполнения диаметр жгута 12 составляет около 2,1 мм, при этом общее число волокон 122 и 124 в жгуте 12 составляет сто двадцать семь.

[0032] Что касается комбинации фиг. 1 и фиг. 2, на фиг. 2 изображен схематический частичный вид устройства 10, показанного на фиг. 1, вместе с измеряемым объектом 20. В некоторых вариантах выполнения оптический корпус 14 представляет собой корпус, взаимодействующий со жгутом 12 и ограничивающий отверстие 141 на одном своем конце. Дальний конец жгута 12 с волокном 13 удерживается в по меньшей мере части корпуса 14 через отверстие 141. В одном варианте выполнения диаметр корпуса 14 составляет около 3,0 мм. Главное отражающее зеркало 15 расположено в корпусе 14 и оптически присоединено к жгуту 12, при этом в одном варианте выполнения зеркало 15 расположено по отношению к жгуту 12 так, что свет от волокна 122 жгута 12 падает на зеркало 15 и отражается на объект 20. В одном примере зеркало 15 ориентировано под углом приблизительно 45° по отношению к свету от волокна 122 жгута 12. В некоторых вариантах выполнения область отражения зеркала 15 равна площади поперечного сечения жгута 12 или превышает ее, что обеспечивает возможность сбора волокнами 124 достаточного количества отраженного света от зеркала 15 для расчета шероховатости объекта 20 при последующей обработке данных.

[0033] Вспомогательное отражающее зеркало 16 расположено в корпусе 14 и установлено по отношению к волокну 13, при этом в одном примере вспомогательное отражающее зеркало ориентировано под углом наклона меньше 45°, например 25-35°, к волокну 13. В данном изображенном примере расстояние между волокном 13 и зеркалом 16 меньше расстояния между жгутом 12 и зеркалом 15.

[0034] Корпус 14 также ограничивает отверстие 142 ниже поверхности отражения зеркала 15. Другими словами, когда лазерный луч «а» испускается из волокна 122 к зеркалу 15, отраженный лазерный луч «а», отраженный зеркалом 15, направляется приблизительно перпендикулярно отверстию 142. Кроме того, конструкция зеркала 16 ориентирована так, что при испускании лазерного луча «b» из волокна 13 к зеркалу 16, отраженный лазерный луч «b», отраженный зеркалом 16, пересекается с лучом «а», отраженным зеркалом 15, примерно в той же самой точке регистрации в отверстии 142.

[0035] В частности, когда объект 20 находится вблизи отверстия 142, отраженные лазерные лучи «а» и «b» передаются в одну и ту же точку регистрации на измерительной поверхности объекта 20. Угол наклона зеркала 16 может быть изменен в соответствии с реальным расположением зеркала 16 в корпусе 14. Так как размер корпуса 14 обычно мал (например всего 3,0 мм), корпус 14 может достигать некоторых труднодоступных областей объекта 20, таких как внутренние отверстия и малые канавки, и может измерять шероховатость поверхности. В других вариантах выполнения геометрическая конфигурация корпуса 14, жгута 12, зеркала 15 и зеркала 16 может изменяться в соответствии с различными проектными требованиями и критериями.

[0036] Как показано на фиг. 3, внутри корпуса волоконного жгута расположены оптические волокна, при этом, как показано на чертеже, главное излучающее волокно 122 расположено по центру и окружено собирающими волокнами 124. Следует понимать, что волокно 122 может представлять собой одно или более волокон. Волокна жгута 12 показаны расположенными в виде рядов и столбцов, однако в других вариантах выполнения волокна могут быть расположены другим образом.

[0037] На фиг. 4а изображен схематический вид, показывающий отраженный луч «с», проходящий от волокна 122 и отраженный соответственно зеркалом 15, объектом 20 и снова зеркалом 15. На фиг. 4а показаны только два луча отраженного света «с». Обычно число лучей отраженного света «с» определяется шероховатостью объекта 20. При высокой шероховатости объекта 20 число лучей отраженного света «с» возрастает. И наоборот, при низкой шероховатости объекта 20 число лучей отраженного света «с» становится меньше. Собирающие волокна 124 используются для сбора отраженного света «с» для последующей обработки данных.

[0038] На фиг. 4b изображен схематический вид, показывающий отраженный луч «d», проходящий от волокна 13 и отраженный соответственно зеркалом 16, объектом 20 и зеркалом 15. На фиг. 4b показаны только два луча отраженного света «d». Обычно число лучей отраженного света «d» определяется шероховатостью объекта 20. При высокой шероховатости объекта 20 число лучей отраженного света «d» возрастает. И наоборот, при низкой шероховатости объекта 20 число лучей отраженного света «d» становится меньше. Собирающие волокна 124 используются для сбора отраженного света «d» для последующей обработки данных.

[0039] На фиг. 5а изображена структурная схема внешних цепей устройства 10, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту выполнения. В одном примере внешние цепи содержат лазерный генератор 41, лучевой переключатель 42, фотодетектор 43, сигнальный процессор 44 и дисплей 45 для отображения результатов.

[0040] Согласно одному варианту выполнения генератор 41 используется для создания лазерного луча в соответствии с возбуждающим сигналом от процессора 44. Переключатель 42 используется для собирания лазерного луча от генератора 41 и его переключения с преобразованием в лазерный луч «а», испускаемый волокном 122, или лазерный луч «b», испускаемый волокном 13, согласно переключающему сигналу от процессора 44. В другом варианте выполнения для лазерного луча от генератора 41 могут использоваться оптические делители, обеспечивающие получение двух или более лазерных лучей. В еще одном варианте выполнения могут иметься два генератора 41, которые используются соответственно для создания луча «а» и луча «b», при этом необходимость в переключателе 42 отпадает.

[0041] Фотодетектор 43 используется для регистрации отраженного света «с» и «d» (в том числе зеркально отраженного света и рассеянного отраженного света) от объекта 20, который отражается зеркалом 15 и собирается волокнами 124, и для последующего преобразования интенсивности зарегистрированного отраженного света «с» и «d» в соответствующие электрические сигналы, например сигналы электрического напряжения, для последующей обработки данных. В данном примере фотодетектор 43 обычно является одиночным фотодетектором, но в другом варианте выполнения могут использоваться два или более фотодетекторов для обеспечения резервирования и/или обеспечения индивидуальных фотодетекторов для каждого из отраженных световых сигналов «с» и «d».

[0042] Сигнальный процессор 44 также используется для сбора конвертированных электрических сигналов от фотодетектора 43 и расчета шероховатости поверхности в обмеряемом местоположении объекта 20 на основании преобразованных электрических сигналов, сгенерированных на основании зарегистрированного отраженного света «с» и «d». Сигнальная процессорная секция 44 может содержать один или более процессоров и соответствующую память для хранения данных, а также системных программ и алгоритмов. Данные и результаты могут сохраняться с созданием базы данных измеренной шероховатости для объектов 20.

[0043] Дисплей 45 используется для отображения расчетного результата шероховатости поверхности обмеряемого местоположения объекта 20. Несмотря на то что в данном примере предусмотрен вывод результатов на дисплей, результаты также могут храниться или передаваться в другое место для последующего обзора. В еще одном варианте выполнения результаты сравниваются с некоторыми заданными пороговыми значениями для определения того, является ли шероховатость поверхности приемлемой для объекта. Если шероховатость поверхности находится в диапазоне приемлемых значений, объект признается соответствующим требованиям. Однако если шероховатость поверхности превышает пороговое значение, объект отвергается.

[0044] На фиг. 5b изображена структурная схема устройства 10, показанного на фиг. 1, согласно другому варианту выполнения. В сравнении с вариантом выполнения, изображенным на фиг. 5а, устройство 10, показанное на фиг. 5b, может дополнительно содержать устройство 46 с зарядовой связью (CCD) и оптический делитель 47. Делитель 47 используется для разделения двух передающих каналов отраженного света «с» и «d», один из которых используется для передачи отраженного света «с» и «d» к фотодетектору 43, а другой - для передачи отраженного света «с» и «d» к устройству 46. Устройство 46 используется для непосредственно отображения оптического изображения отраженного света «с» и «d», которое может определять шероховатость поверхности объекта 20. В некоторых вариантах выполнения фотодетектор 43 и делитель 47 являются необязательными, и для измерения шероховатости поверхности объекта 20 используется только устройство 46. Устройство 46 также может быть заменено другими типами устройств получения оптических изображений.

[0045] На фиг. 6а изображена диаграмма, иллюстрирующая сравнение зависимостей между шероховатостью объекта 20 и интенсивностью зарегистрированного отраженного света «с» от главного излучающего волокна 122 для двух различных значений отражающей способности объекта 20. Кривая 61 соответствует первому значению отражающей способности материала объекта 20, а кривая 62 соответствует второму значению отражающей способности материала объекта 20. В других вариантах выполнения две кривые 61 и 62 соответственно относятся к двум объектам 20, материалы которых имеют разные отражающие способности. Поскольку отражающие способности материалов двух объектов 20 различны, две кривые 61 и 62 также отличаются. Другими словами, если необходимо измерить большое количество объектов 20, материалы которых имеют разные отражающие способности, и их шероховатость основана только на зарегистрированном отраженном свете «с», требуется заранее просчитать соответствующее число кривых, подобных кривым 61 и 62. Кривые, такие как кривые 61 и 62, могут быть просчитаны с помощью соответствующих алгоритмов.

[0046] На фиг. 6b изображена диаграмма, иллюстрирующая сравнение зависимостей между шероховатостью объекта 20 и интенсивностью зарегистрированного отраженного света «d» от вспомогательного излучающего волокна 13 для двух различных значений отражающей способности объекта 20. Кривая 63 соответствует первому значению отражающей способности материала объекта 20, а кривая 64 соответствует второму значению отражающей способности материала объекта 20. В других вариантах выполнения две кривые 63 и 64 соответственно относятся к двум объектам, материалы которых имеют разные отражающие способности. Поскольку отражающие способности материалов двух объектов 20 различны, две кривые 63 и 64 также отличаются. Другими словами, если необходимо измерить большое количество объектов 20, материалы которых имеют разные отражающие способности, и их шероховатость основана только на зарегистрированном отраженном свете «d», требуется заранее просчитать соответствующее число кривых, подобных кривым 63 и 64. Кривые, такие как кривые 63 и 64, могут быть просчитаны с помощью соответствующих алгоритмов.

[0047] На фиг. 6c изображена диаграмма, иллюстрирующая сравнение зависимостей между шероховатостью объекта 20 и отношением, рассчитанным по интенсивности зарегистрированного отраженного света «с» и «d» от главного и вспомогательного излучающих волокон 122 и 13 для двух различных значений отражающей способности материала объекта 20. Указанное отношение рассчитывается по отражающим способностям материала объекта 20 и интенсивности зарегистрированного отраженного света «с» и «d». В частности, кривая 65 отношения рассчитывается по кривым 61 и 63, а кривая 66 отношения рассчитывается по кривым 62 и 64. Как пример, указанное отношение рассчитывается согласно следующему уравнению: R=(kMI-kAI)/(kMI+kAI)=(MI-AI)/(MI+AI), где R - отношение, k - отражающая способность материала, MI - интенсивность зарегистрированного отраженного света «с», соответствующая кривым 61 и 63, AI - интенсивность зарегистрированного отраженного света «d», соответствующая кривым 62 и 64. Когда объект 20 имеет первую отражающую способность материала, соответствующее отношение R рассчитывается на основании вышеприведенного уравнения, например, кривая 65 рассчитывается на основании кривых 61 и 63 с использованием вышеприведенного уравнения, а кривая 66 рассчитывается на основе кривой 62 и 64 также с использованием вышеприведенного уравнения.

[0048] В вышеприведенном уравнении R=(kMI-kAI)/(kMI+kAI)=(MI-AI)/(MI+AI), коэффициент к отражающей способности материала исключен, так что кривые 65 и 66 почти одинаковы. Таким образом, какими бы ни были отражающие способности материала, соответствующие кривые отношения одинаковы, и в этом случае для расчета шероховатости объектов 20 определяется только одна кривая отношения (65 или 66), что обеспечивает простоту калибровки устройства 10 и, следовательно, повышение его эффективности. Например, кривая 65 определяется заранее, после измерения шероховатости первого объекта с использованием устройства 10, интенсивность зарегистрированного отраженного света «с» и «d» от главного и вспомогательного излучающих волокон 122 и 13 соответственно рассчитывается процессором 44, после чего может быть рассчитана шероховатость первого объекта на основании определенной кривой 65 и вышеприведенного уравнения. При измерении второго объекта с помощью устройства 10 шероховатость второго объекта также может быть рассчитана на основании определенной кривой 65 и вышеприведенного уравнения. В частности, для расчета шероховатости различных объектов, материалы которых имеют различные отражающие способности, требуется только одна определенная кривая 65. Другими словами, данное устройство 10 может автоматически компенсировать влияние изменения отражающей способности материала.

[0049] На фиг. 7а изображена диаграмма, иллюстрирующая зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство 10, и значениями электрического напряжения, рассчитанными фотодетектором 43 на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света от главного излучающего волокна 122. Соотношение между расстоянием отнесения и значениями электрического напряжения показано на фиг. 7а в виде кривой 71. Очевидно, что изменение расстояния, которое может быть вызвано вибрациями в цехе, влияет на рассчитанные значения напряжения. В частности, изменение расстояния влияет на итоговую измеренную шероховатость при использовании только зарегистрированного отраженного света от волокна 122. На фиг. 7а диапазон изменения кривой составляет около 12%. Выражение «расстояние отнесения» означает расстояние от отверстия 142 устройства 10 до исследуемой области объекта 20.

[0050] На фиг. 7b изображена диаграмма, иллюстрирующая зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство 10, и значениями электрического напряжения, рассчитанными фотодетектором 43 на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света от вспомогательного излучающего волокна 13. Соотношение между расстоянием отнесения и значениями электрического напряжения показано на фиг. 7b в виде кривой 72. Очевидно, что изменение расстояния влияет на расчетные значения напряжений. В частности, изменение расстояния влияет на итоговую измеренную шероховатость при использовании только зарегистрированного отраженного света от волокна 13. На фиг. 7b диапазон изменения кривой 72 составляет около 17%.

[0051] На фиг. 7c изображена диаграмма, иллюстрирующая зависимости между расстоянием, на которое отнесено устройство 10, и шероховатостью, рассчитанной на основании интенсивности зарегистрированного отраженного света как от волокна 122, так и от волокна 13. Соотношение между расстоянием отнесения и рассчитанной шероховатостью показано на фиг. 7c в виде кривой 73. Аналогичным образом, изменение расстояния также влияет на рассчитанную шероховатость при использовании зарегистрированного отраженного света как от волокна 122, так и от волокна 13. Однако комбинация волокна 122 и волокна 13 может уменьшить влияние изменения расстояния отнесения. На фиг. 7c диапазон изменения кривой 73 составляет всего около 5%, что меньше 12% и 17%. Следовательно, устройство 10 почти невосприимчиво к возникновению вибрации.

[0052] На фиг. 8а изображен схематический вид, показывающий три различных положения X, Y, Z измерения устройства 10. Перед измерением объекта 20 должно быть определено (обычно заранее) направление риски 22 от машинной обработки объекта 20, в частности, направление измерения должно быть перпендикулярно риске 22 во время процесса измерения шероховатости, например, подходящим положением для измерения является положение Y.

[0053] На фиг. 8b изображена диаграмма, иллюстрирующая зависимости между измерительными углами устройства 10 и интенсивностью рассеянного излучения от волокна 13, зарегистрированной с помощью устройства 10. Понятно, что интенсивность рассеянного излучения от волокна 13 является наибольшей в перпендикулярном положении Y измерения. Устройство 10 поворачивается на поверхности объекта 20, и одновременно с этим дисплей 45 может отображать кривую интенсивности рассеянного излучения. Когда интенсивность рассеянного излучения от волокна 13 достигает наибольшего значения, это означает, что направление Y измерения устройством 10 перпендикулярно риске 22, и может быть выполнен соответствующий расчет шероховатости поверхности объекта 20 в положении Y с получением истинного значения измерения шероховатости.

[0054] На фиг. 9a изображена структурная схема устройства 10, показанного на фиг. 1, согласно еще одному варианту выполнения. По сравнению с вариантом выполнения, изображенным на фиг. 5а, в устройстве 10, показанном на фиг. 9a, вместо фотодетектора 43 используется матрица 48 фотодетекторов. В некоторых вариантах выполнения число фотодетекторов в матрице 48 равно числу собирающих волокон 124, и они используются для соответствующей регистрации отраженного света от волокон 124 и последующего преобразования интенсивности зарегистрированного отраженного света в соответствующие электрические сигналы, например сигналы электрического напряжения, для последующей обработки данных.

[0055] В данном примере процессор 44 дополнительно используется для сбора преобразованных электрических сигналов от фотодетекторов матрицы 48. Зарегистрированные сигналы от матрицы 48 могут быть обработаны процессором 44 для расчета спекл-картины на основании преобразованных электрических сигналов, которое может быть отображено на дисплее 45. Например, на фиг. 9b показаны четыре спекл-картины 91, 92, 93, 94, которые иллюстрируют распределение интенсивности в собирающих волокнах 124. Для простоты иллюстрации каждая спекл-картина 91, 92, 93, 94 показывает только часть распределения интенсивности в волокнах 124. В качестве примера, интенсивность спекл-картин 91, 92, 93, 94 постепенно уменьшается. В частности, значения шероховатости поверхности объекта 20, соответствующие интенсивностям спекл-картин 91, 92, 93, 94, постепенно увеличиваются. Некоторые опорные изображения, соответствующие различным значениям шероховатости поверхности, могут быть определены заранее. Затем пользователи могут определить примерную шероховатость поверхности объекта 20 путем сравнения рассчитанной спекл-картины с заданными опорными изображениями. В других вариантах выполнения матрица 48 может работать как фотодетектор 45 с обеспечением расчета шероховатости поверхности.

[0056] В еще одном варианте выполнения статистические данные о шероховатости поверхности объекта могут сравниваться во времени для отображения изменения шероховатости поверхности. Путем сравнения базовых данных с последующими данными о шероховатости поверхности может быть осуществлен диагностический и прогностический анализ.

[0057] На фиг. 10 изображен схематический вид в аксонометрии устройства 10 для измерения шероховатости поверхности согласно другому варианту выполнения. По сравнению с фиг. 1 устройство 10, показанное на фиг. 10, дополнительно содержит еще одно вспомогательное излучающее волокно 17 и еще одно вспомогательное миниатюрное отражающее зеркало 18. Соответственно, лучевой переключатель 42 обеспечивает три переключательных канала соответственно для главного излучающего волокна 122, вспомогательного излучающего волокна 13 и вспомогательного излучающего волокна 17 (показано на данном чертеже).

[0058] Волокно 17 расположено вблизи жгута 12 и имеет то же направление излучения, что и волокно 122. Вспомогательное зеркало 18 расположено в корпусе 14. По сравнению с волокном 13 волокно 17 расположено в направлении под углом 90°, а зеркало 18 соответственно расположено в направлении под углом 90° по сравнению с зеркалом 16. Кроме того, расположение зеркала 18 также должно быть таково, что при испускании лазерного луча «е» из волокна 17 к зеркалу 18, отраженный лазерный луч «е», отраженный зеркалом 18, пересекается с отраженным лазерным лучом «а», отраженным зеркалом 15, в той же точке регистрации в отверстии 142. В частности, когда объект 20 находится вблизи отверстия 142, отраженные лучи «а» и «е» соответственно передаются в одну и ту же точку регистрации на измерительной поверхности объекта 20. Кроме того, плоскость, образованная отраженными лучами «е» и «а», приблизительно перпендикулярна плоскости, образованной отраженными лазерными лучами «b» и «а». Угол наклона зеркала 18 может быть изменен в соответствии с реальным расположением зеркала 18 в корпусе 14 в различных вариантах выполнения.

[0059] Аналогичным образом, на основании отраженных лазерных лучей «а» и «е» согласно вышеописанному способу расчета также может быть рассчитана шероховатость объекта 20. Вследствие требований к размерам и форме устройства 10 оно может быть неспособно поворачиваться в труднодоступной области, например в узком отверстии. В такой ситуации устройство 10 может быть неспособно определить направление риски 22 машинной обработки объекта 20, как отмечено выше со ссылкой на фиг. 8а и 8b. В этом случае шероховатость поверхности объекта 20 рассчитывается на основании отраженных лучей «а» и «b», а также на основании отраженных лучей «а» и «е». После расчета двух значений шероховатости поверхности объекта 20 большее из этих двух значений определяется как реальная шероховатость поверхности, что может повысить точность измерения. В других вариантах выполнения устройство 10 может содержать более одного вспомогательного излучающего волокна 17 и вспомогательного отражающего зеркала 18, что может обеспечивать расчет более двух значений шероховатости для дополнительного повышения точности измерения.

[0060] Несмотря на то что изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, специалистам должно быть понятно, что возможно выполнение различных изменений и использование эквивалентов для элементов изобретения без отклонения от объема изобретения. Кроме того, возможно выполнение различных модификаций для приведения конкретной ситуации или материала в соответствие с идеями изобретения без отклонения от его сущности. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничено конкретным вариантом выполнения, описанным в качестве наилучшего варианта, предусмотренного для осуществления данного изобретения, а охватывает все варианты выполнения, находящиеся в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.

[0061] Следует понимать, что все такие цели или преимущества, описанные выше, не обязательно могут быть достигнуты согласно любому конкретному варианту выполнения. Так, например, специалистам должно быть очевидно, что устройства и способы, описанные в данном документе, могут быть выполнены или реализованы таким образом, при котором достигается или оптимизируется одно преимущество или группа преимуществ, рассмотренных в данном документе, без обязательного достижения других рассмотренных или предполагаемых целей или преимуществ.

Claims

1. Устройство измерения шероховатости поверхности, содержащее

волоконный жгут, содержащий главное излучающее волокно и собирающие волокна,

первое вспомогательное излучающее волокно,

оптический корпус, содержащий указанные волоконный жгут и первое вспомогательное излучающее волокно и ограничивающий отверстие для оптического контакта с поверхностью объекта,

главное отражающее зеркало, расположенное в оптическом корпусе и предназначенное для отражения света, испускаемого из главного излучающего волокна, к точке регистрации в указанном отверстии и отражения света, отраженного объектом, к собирающим волокнам,

первое вспомогательное отражающее зеркало, расположенное в оптическом корпусе и предназначенное для отражения света, испускаемого из первого вспомогательного излучающего волокна, к указанной точке регистрации в отверстии, и

внешнюю цепь, предназначенную для создания лазерного луча, проходящего к главному излучающему волокну и первому вспомогательному излучающему волокну, собирания отраженного света от собирающих волокон и расчета шероховатости поверхности объекта на основании собранного отраженного света,

причем шероховатость поверхности объекта рассчитывается на основании заданного соотношения между шероховатостью поверхности и отношением интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, и интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из первого вспомогательного излучающего волокна,

при этом указанное отношение рассчитывается с помощью уравнения R=(MI-AI)/(MI+AI), где R - указанное отношение, MI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, AI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из первого вспомогательного излучающего волокна.

2. Устройство по п. 1, в котором внешняя цепь содержит лазерный генератор для создания лазерного луча, фотодетектор для регистрации отраженного света, собранного от собирающих волокон, и преобразования собранного света в электрические сигналы, и по меньшей мере один сигнальный процессор, предназначенный для расчета шероховатости поверхности объекта на основании указанных преобразованных электрических сигналов, преобразованных из отраженного света от главного излучающего волокна и из отраженного света от первого вспомогательного излучающего волокна.

3. Устройство по п. 2, в котором внешняя цепь содержит лучевой переключатель для селективного переключения лазерного луча к главному излучающему волокну и первому вспомогательному излучающему волокну.

4. Устройство по п. 2, в котором внешняя цепь содержит устройство с зарядовой связью и оптический делитель для разделения отраженного света, собранного от собирающих волокон, с направлением его соответственно к фотодетектору и устройству с зарядовой связью.

5. Устройство по п. 1, в котором главное излучающее волокно расположено примерно по центру относительно собирающих волокон в волоконном жгуте.

6. Устройство по п. 1, в котором на одном конце оптического корпуса ограничено отверстие, при этом дальний конец волоконного жгута с первым вспомогательным излучающим волокном удерживается в по меньшей мере части оптического корпуса через указанное отверстие.

7. Устройство по п. 6, в котором главное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и установлено по отношению к волоконному жгуту под углом 45°.

8. Устройство по п. 7, в котором первое вспомогательное отражающее зеркало расположено в оптическом корпусе и установлено по отношению к первому вспомогательному излучающему волокну с углом наклона меньше 45°, при этом расстояние между первым вспомогательным излучающим волокном и первым вспомогательным отражающим зеркалом меньше расстояния между волоконным жгутом и главным отражающим зеркалом.

9. Устройство по п. 1, в котором внешняя цепь содержит лазерный генератор для создания лазерного луча, матрицу фотодетекторов, содержащую фотодетекторы для соответствующей регистрации отраженного света, собранного от собирающих волокон, и преобразования собранного света в электрические сигналы, и сигнальный процессор, предназначенный для отображения с помощью дисплея изображения распределения интенсивности зарегистрированного отраженного света на основании преобразованных электрических сигналов.

10. Устройство по п. 1, содержащее второе вспомогательное излучающее волокно, удерживаемое в указанном оптическом корпусе, и второе вспомогательное отражающее зеркало, расположенное в оптическом корпусе и предназначенное для отражения света, испускаемого из второго вспомогательного излучающего волокна, к указанной точке регистрации в отверстии, при этом внешняя цепь служит для направления лазерного луча ко второму вспомогательному излучающему волокну.

11. Устройство по п. 10, в котором шероховатость поверхности объекта рассчитывается на основании заданного соотношения между шероховатостью поверхности и отношением интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, и интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из первого вспомогательного излучающего волокна или второго вспомогательного излучающего волокна.

12. Устройство по п. 11, в котором указанное отношение рассчитывается с помощью уравнения R=(MI-AI)/(MI+AI), где R - указанное отношение, MI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, AI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из первого вспомогательного излучающего волокна или второго вспомогательного излучающего волокна.

13. Устройство по п. 10, в котором плоскость, образованная отраженным лазерным лучом от главного отражающего зеркала и отраженным лазерным лучом от первого вспомогательного излучающего волокна, перпендикулярна плоскости, образованной отраженным лазерным лучом от главного отражающего зеркала и отраженным лазерным лучом от второго вспомогательного излучающего волокна.

14. Устройство по п. 13, в котором второе вспомогательное излучающее волокно расположено в направлении под углом 90° по сравнению с первым вспомогательным излучающим волокном.

15. Устройство по п. 10, в котором внешняя цепь содержит лучевой переключатель для селективного переключения лазерного луча к главному излучающему волокну, первому вспомогательному излучающему волокну и второму вспомогательному излучающему волокну.

16. Устройство измерения шероховатости поверхности, содержащее:

вспомогательные излучающие волокна,

оптический корпус, содержащий указанные волоконный жгут и вспомогательные излучающие волокна и ограничивающий отверстие для оптического контакта с поверхностью объекта,

главное отражающее зеркало, расположенное в указанном оптическом корпусе и предназначенное для отражения света, испускаемого из главного излучающего волокна, к точке регистрации в указанном отверстии и отражения света, отраженного объектом, к собирающим волокнам,

вспомогательные отражающие зеркала, расположенные в оптическом корпусе и предназначенные для соответствующего отражения света, испускаемого из вспомогательных излучающих волокон, к указанной точке регистрации в отверстии, и

внешнюю цепь для создания лазерного луча, проходящего к главному излучающему волокну и вспомогательным излучающим волокнам, собирания отраженного света от собирающих волокон и расчета шероховатости поверхности объекта на основании собранного отраженного света,

причем шероховатость поверхности объекта рассчитывается на основании заданного соотношения между шероховатостью поверхности и отношением интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, и интенсивности зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из одного из указанных вспомогательных излучающих волокон,

при этом указанное отношение рассчитывается с помощью уравнения R=(MI-AI)/(MI+AI), где R - указанное отношение, MI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из главного излучающего волокна, AI - интенсивность зарегистрированного отраженного света на основе света, испускаемого из одного из указанных вспомогательных излучающих волокон.

17. Устройство по п. 16, в котором внешняя цепь содержит лазерный генератор для создания лазерного луча, фотодетектор для регистрации отраженного света, собранного от собирающих волокон, и преобразования собранного света в электрические сигналы и по меньшей мере один сигнальный процессор, предназначенный для расчета шероховатости поверхности объекта на основании указанных преобразованных электрических сигналов, преобразованных из отраженного света от главного излучающего волокна и из отраженного света от одного из указанных вспомогательных излучающих волокон.

18. Устройство по п. 16, в котором главное излучающее волокно расположено примерно по центру относительно собирающих волокон в волоконном жгуте.

19. Устройство по п. 16, в котором на одном конце оптического корпуса ограничено отверстие, при этом дальний конец волоконного жгута с одним из указанных вспомогательных излучающих волокон удерживается по меньшей мере в части оптического корпуса через указанное отверстие.