SU1562691A1 - Способ определени радиусов кривизны сферических поверхностей и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в оптико-механическом производстве при технологическом и аттестационном контроле радиусов кривизны сферических поверхностей оптических и механических деталей. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений за счет фокусировани  пучков только на поверхность и расширение класса контролируемых поверхностей за счет обеспечени  возможности определени  радиусов кривизны диффузии отражающих поверхностей. Дл  этого формируют два световых пучка с изображением марки с помощью проекционных систем, фокусируют их на поверхность в точку с заданным радиусом кривизны симметрично относительно нормали в этой точке. Из отраженных пучков оптическа  приемна  система формирует изображени  марок, которые затем совмещают. Не измен   взаимного расположени  пучков, смещают их в исследуемую точку, вновь фокусируют их на поверхность и по смещению марок в плоскости изображени  суд т о радиусе кривизны в исследуемой точке. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в оптико- механическом производстве , приборостроении и машиностроении -при технологическом и аттестационном контроле радиусов кривизны и отклонени  от сферичности сферических поверхностей оптических и механических деталей.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений за счет осуществлени  фокусировки пучков только на контролируемую поверхность и расширение класса контролируемых поверхностей за счет обеспечени  радиусов диффузиопрогр ммных поверхностей.

На фиг.1 изображена функциональна  схема предлагаемого устройства,- на фиг.2 - принципиальна  оптическа  схема оптического узла; на фиг.З - схема структуры двух изображений марки на светочувствительной поверхности фотоприемника.

Устройство содержит основание 1 (фиг.1), на котором закреплены шпиндель 2 и кронштейны 3. Поворотный блок 4 шпиндел  может вращатьс  вокруг вертикальной оси . На его верхней плоскости установлен узел креплени  и ориентации контролируемой детали. Столик 5 этого узла имеет по периферии четыре руко тки, с помощью

СП

О N9

О СО

двух из которых выполн ют наклоны оптической оси сферической поверхности контролируемой детали вокруг двух взаимно ортогональных осей, перпендикул рных оси C),-Qf, а с помощью двух других - линейное смещение вдоль этих двух осей.

Дл  изменени  положени  контролируемой детали по высоте на столик 5 установлены одна из сменных втулок 6, отличающихс  разной высотой, и механизм подъема. Последний состоит из втулки 7, оправы 8 со штифтом 9, -вход щим в паз втулки 7 дл  исключени  поворота оправы 8 и обеспечени  ее смещени  по высоте при вращении навернутой на ее резьбу гайки 10. На механизме подъема установлена оправа 11, на поверхности 12 которой крепит- с  контролируема  деталь 13.

Измерительна  часть устройства включает оптический узел 14 (фиг.2), закрепленный на измерительной пиноли 15, котора  имеет возможность линей- ного. перемещени  на шарикоподшипниках 16 вдоль направлени , образующего пол рный радиус-вектор.

Отсчет перемещений измерительной пиноли осуществл етс  с помощью пре- образовател  17 линейных перемещений Этот преобразователь включает отражающую дифракционную решетку 18, закрепленную на пиноли 15, и фотоэлектрическую головку 19, измерительна  информаци  с которой поступает в вы числительное устройство пульта управлени  и информации. Приноль приводитс  в движение электродвигателем 20 через редуктор 21, ходовой винт 22 и гайку 23. Дл  управлени  скоростью движени  пиноли в редукторе установлен тахогенератор 24.

Измерительна  часть устройства собрана на кронштейне 25, закреплен- ном на поворотной части шпиндел  26 вокруг оси 0,-0, образующей пол рну ось поворота. Отсчет пол рного угла этого поворота осуществл етс  с помощью преобразовател  угловых перемещений , состо щего из круговой шкалы 27 и фотоэлектрической головки 28 (привод этого поворота на фиг.1 не показан). В качестве шпиндел  26 с преобразователем угловых перемещений возможно использование серийно выпускаемой оптической делительной головки ОДГЦ с цифровым отсчетом. Оси устройства О)-0 2 и О j-О выставлены

Q

5

0

5

с. необходимой точностью перпендику- | л рно одна к другой и с допус имым их взаимным непересечением.

Пульт управлени  и индикации измерительной информации включает электронный блок 29 преобразовани  электрических сигналов изображений с анализатора оптического узла в yi ловые отклонени  нормали сферической поверхности от пол рного радиуса-вектора , блок 30 дл  преобразовани  сигналов с преобразовател  линейных перемещений, блок 31 дл  управлени  перемещением измерительной пиноли и блок 32 дл  индикации измерительной информации.

Дл  контрол  установки положени  сферической поверхности контролируемой детали относительно осей шпинделей О.,-О 2 и 03-04 устройство включает установленный на кронштейне 33 контактный индикатор 34.

I

На измерительной пиноле 15 установлен оптический узел (фиг.2), который состоит из источника 35 света, например светодиода с длинноволновой областью спектра излучени , конденсатора 36, марки 37, выполненной в виде прозрачной щели на непрозрачной подложке, и диафрагмы ,38. Далее по ходу лучей установлены линза 39, светоделительное зеркало 40, дел щее пучок света от источника света на два пучка, две проекционные системы, одна из которых содержит два зеркала 41 .и 42 и объектив 43, а друга  - зеркало 44 и объектив 43. Оптические оси объективов 43 и 43 проекционных систем расположены в пол рно- координатной измерительной плоскости устройства и пересекаютс  в точке фокусировани  объективов на оси пол рного радиуса-вектора под равными углами к последнему. Кажда  из проекционных систем проектирует изображение марки на контролируемую поверхность объекта измерений. В обратном ходе лучей (после их отражени  от контролируемой поверхности) изображени  марки формируютс  приемной оптической системой, образованной элементами двух указанных проекционных систем и светоделительным зеркалом 40 и включающей также линзу 45 и от- счетно-измерительный блок 46. Последний состоит из куб-призмы с полупрозрачной гипотенузной гранью, ди

афрагмы 47, фотоприемника 48, куб- призмы 49, марки 50 и окул ра 51.

Устройство работает следующим образом .

Перед началом измерений контролируема  деталь устанавливаетс  так, чтобы ось ее сферической поверхности была совмещена с осью вращени  Of-0. поворотного блока 4 (фиг.1) шпиндел  2, а вершина сферической поверхности аходилась на заданном рассто нии 3 от пол рной оси устройства 0..-0. например на номинальном размере радиуса сферы. На фиг.2 в качестве приме- ра вз та плосковыпукла  линза, хот  может быть люба  друга . При ориентации линзы сначала вращением двух руко ток наклона столика 5 добиваютс , чтобы при вращении шпиндел  2 торцовое биение плоскости 12 оправки 11, в которой крепитс  контролируема  деталь , было минимальным в допустимых пределах. Контроль биени  производитс  по индикатору 34, закрепленному, в стойке на кронштейне 3. Затем индикатор 34 устанавливаетс  так, чтобы он контактировал с измер емой сферической поверхностью в ее периферийной части. При вращении шпиндел  2 с помощью поворота двух других руко ток столика 5 смещают контролируемую деталь по двум взаимно перпендикул рным направлени м так, чтобы радиальное биение детали 13 было также минимальным в допустимых пределах.

После этого вращают гайку 10, котора  не имеет возможности осевого перемещени  по внутренней резьбе, благодар  чему оправа 8, на резьбу которой навернута гайка 10, смещаетс  по высоте. Вращением гайки 10 добиваютс , чтобы вершина Of находилась на определенном рассто нии 0 ft3 от пол рной оси . Контроль расположени  по высоте осуществл етс  с помощью того же индикатора 34, перед настройкой выставленного, например, по концевым мерам определенную высоту от установочной поверхности стойки с выдерживанием размера Н (фиг.2). С помощью гайки 10 настройка по высоте производитс  микрометренно в небольшом диапазоне, а весь диапазон расположени  по высоте разрых сферических поверхностей от выпуклых до вогнутых осуществл етс  с помощью разновысоких сменных втулок 6.

0

0

5

5 0

5

0

5

0

5

При настроенной дл  измерений кон- Iгролируемой детали 13 выбранное дл  контрол  меридиональное сечение ее сферической поверхности перпендикул рно пол рной координатной оси поворота устройства, а координатна  ось пол рного радиуса-вектора (линии перемещени  измерительной пиноли 15, фиг.1) совмещена с осью сферической поверхности. Это положение соответствует нулевому отсчету пол рного угла (J с преобразовател  угловых перемещений . При этом пучок лучей от источника 35 излучени  (фиг.2) с помощью конденсатора 36 освещает марку 37 наход щегос  в фокальной плоскости объектива 39. Пройд  диафрагму 38 и линзу 39, лучи света с помощью свето- делительного зеркала 40 направл ютс  в две проекционные системы, которые проектируют с помощью зеркал 41 и 42 и объектив 43 в одной системе и с помощью зеркала 44 и объектива 43 в другой два изображени  марки на измер емую сферическую поверхность в ее вершине. Оптические оси объективов 43 и 43 проекционных систем наход тс  в плоскости пол рного радиуса- вектора устройства и в плоскости меридионального сечени  сферической поверхности, наклонены под равными углами к пол рному радиусу-вектору и пересекаютс  на радиусе-векторе в точке, котора  находитс  в фокальной плоскости объективов 43 и 43 и в которой проектируютс  два изображени  марки 37. При наведении проекционных систем на контролируемую поверхность точка пересечени  осей этих систем совмещаетс  с вершиной 0 сферической поверхности. При отражении от нее оба пучка лучей света проход т в обратном ходе оптические элементы проекционных систем и с помощью све- тоделительного зеркала 40 направл ютс  в линзу 45 приемной оптической системы. С помощью линзы 45 и куб- призмы 49 с полупрозрачной гипотенуз- ной гранью два изображени  марки проектируютс  в плоскости марки 50, наблюдаемой через окул р 51, в плоскости диафрагмы 47, расположенной перед фотоприемником 48. На фиг.2 показан в качестве примера двухэлементный фотоприемник, но вместо него возможно использование других многоэлементных фотоприемников (4-квадраткых, линейных и матричных приборов с зар довой св зью и т.п.), светочувствительна  поверхность фотоприемнйка оптически сопр жена с диафрагмой 38. В этом исходном положении измерений электрические сигналы с фотоэлектрической головки 19 поступают в блок 30 преобразовани  сигналов с преобразовател  линейных перемещений, сигналы световых марок - с фотоприем- Ника оптического узла 14 в электронный блок 29 преобразовател  сигналов Изображений марки с фотоприемника, а электрические сигналы пол рного угла с фотоэлектрической головки 28 - в блок 32 дл  индикации измеритель- Ной информации. Эти сигналы соответствуют начальным отсчетным значени м пол рного радиуса-вектора 0.0 Н, угла отклонени  нормали в вершине Oj сферической поверхности от пол рного радиуса-вектора и пол рного угла (. В плоскости сетки и на светочувствительной поверхности фотоприемника две световые марки совмещены (фиг.. 3), их энергетические центры соответственно С1 и С 2 совпадают с энергетическим центром С двух наложенных изображений марки и с линией раздела двух элементов фотоприемника.

В процессе измерени  радиусов кривизны сферической поверхности поворачивают измерительную пиноль на пол рные угпы с/ вокруг пол рной оси Oj-Q4 шпиндел  26, при этом координатна  ось пол рного радиуса-вектора O-j-O занимает новое положение Oj-О, как это показано на фиг.2. При этом точка пересечени  оптических осей проекционных систем перемещаетс  по сфе- ре 52 и совпадает с точкой М сферической поверхности. Из-за этого два изображени  марки в плоскости анализа (сетки и фотоприемника) смещаютс  в противоположные стороны одно отно- сительно другого. По сигналу с электронного блока 29 или вручную через блок 31 дл  упрвлени  работой электродвигател  20, осуществл ющего через редуктор и механическую передачу винт - гайка перемещение измерительной пиноли с установленным на ней оптическим узлом, производ т перемещение пиноли до тех пор, пока два изображени  марки не совмест тс  од- но с другим. При этом осуществл етс  совмещение (наведение) точки пересечени  оптических осей проекционных систем с точкой М измер емой сферической поверхности, и производ т отсчет значени  пол рного радиуса-вектора . За счет этого повышаетс  точность наведени  и измерени  радиуса- вектора путем удваивани  рассто ни  смещени  изображений марок.

При наведении на точку М сферической поверхности и при отклонении нормали поверхности в этой точке от направлени  пол рного радиуса-вектора пучки лучей, проектирующих изображени  марки на поверхность, при отражении от последней отклон ютс  на угол 2/5Ц. Главные (центральные) лучи пучков наклонены относительно оптических осей объективов проекционных систем, а в приемной оптической системе они совмещаютс  и пересекают плоскость фотоприемника в точке С смещенной от линии раздела элементов фотоприемника на величину Да, как эт показано на фиг.3,6. Смещение энергетического центра двух наложенных и совмещенных изображении марки определ ет разностный сигнал с двух элементов фотоприемника, по величине которого при тарировке прибора может быть измерен угол ду отклонени  нормали в точке М. Тарировка может быть произведена по образцовому оптическому клину.

Рассмотренный ход оптических луче в приемной оптической системе устройства имеет место как дл  поверхносте с зеркальным отражением, так и дл  тех поверхностей, которые при своей структуре, характерной дл  шлифовальных поверхностей с диффузным рассеиванием нормально падающего на них регул рного светового потока видимой области спектра, приобретают свойства зеркального отражени  при наклонном падении светового излучени  длинноволновой области спектра, как это осуществл етс  в предлагаемых решени х .

Погрешности наведени  на точку М вызывают смещение изображений в разные .стороны на одинаковую величину,

равную -- (фиг.3,в), но при этом

энергетический центр наложенных и частично перекрывающих одно другое изображений марки сохран ет прежнее неизменное положение, определ емое величиной угла й(у,

Определив значение угла ДЦ, выполн ют вычисление радиусов кривизны

У

R сверическон поверхности по зависимости

15

К н

sinmf sin cf

где Н - значение радиуса-вектора в вершине сферической поверхности при нулевом значении пол рного угла, (J - пол рный угол в точке профил  меридионального сечени  сферической поверхности,- 4tf угол отклонени  нормали к

сферической поверхности относительно пол рного радиуса-вектора , причем знаки +, - угла определ ютс  направлением отклонени  нормали в сторону увеличени  или уменьшени  пол рного угла соответственно.

Поворачива  контролируемую деталь вокруг оси , можно аналогично произвести измерение радиусов кривизны в разных меридиональных сечени х. Кроме измерени  радиуса кривизны через вычисление по указанной форму- ле, с помощью устройства можно опре- делить отклонение радиуса кривизны контролируемой сферы как разность между первым значением пол рного радиуса-вектора , отсчитываемым при наведении на вершину этой сферы, которую устанавливают от пол рной оси на рассто нии номинального значени  радиуса сферы, и между каждым из последующих значений пол рного радиуса-ч вектора, отсчитываемым при наведении на разные точки поверхности сферы, котора  может быть шлифованной или полированной. Спомоцью предлагаемого устройства возможно также определе- ние радиуса кривизны провер емой полированной сферы как разности между значени ми пол рного радиуса-векто- . ра, отсчитываемыми при каждом значении пол рного угла при наведении на точку контролируемой сферы и на центр кривизны этой сферы.

Кроме контрол  сфер, способ и устройство могут быть использованы дл  контрол  точности формы других криво- линейных поверхностей второго и более высоких пор дков (гиперболоидов, параболоидов , эллипсоидов и т.д.). Точность формы этих поверхностей может

10

6269110

определ тьс  по двум параметрам: гго углу т отклонени  нормалей к фактической поверхности от нормали к расчетной в тех же точках профил  меридионального сечени  поверхности, по асферичности поверхности, как ее отступлению от сферы ближайшего радиуса или других сфер сравнени .

Угол -v отклонени  нормалей определ етс  по формуле

0

5 о с

5

0

где

7 (cf ± йф - Ч рсцсч, Ч

дер Ч

рслсч

пол рный угол в точке профил  меридионального сечени  провер емой криволинейной поверхности , измеренное значение угла отклонени  нормали к криволинейной поверхности относительно текущего значени  пол рного радиуса-вектора ,

расчетное значение угла нормали к криволинейной поверхности относительно пол рного радиуса-вектора выбранной сферы сравнени . Линейна  величина асферичности определ етс  аналогично, как отклонение радиуса кривизны дл  сферических шлифованных или полированных поверхностей .

Claims (2)

1. Способ определени  радиусов кривизны сферических поверхностей, заключающийс  в том, что формируют световой пучок с изображением марки, фокусируют пучок на контролируемую поверхность в исследуемой точке, формируют из отраженного пучка изображение марки и определ ют радиус кривизны , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  класса контролируемых поверхностей , предварительно формируют дополнительный световой пучок с изображением марки, направл ют основной и дополнительный пучки в точки контролируемой поверхности с заданным радиусом кривизны так, что направлени  их распространени - симметричны относительно нормали в данной точке и лежат в меридиональной плоскости, проход щей через исследуемую точку, фокусируют изображени  марок на по-

верхность в точке с -заданным радиусом кривизны, формируют изображени  марок из отраженных основного и дополнительного пучков,, совмещают эти изображени  и смещают основной и дополнительный пучки в меридиональной плоскости при заданном их взаимном расположении до освещени  ими исследуемой точки, фокусируют дополнитель ный пучок с изображением марки на поверхность в исследуемой точке и формируют из отраженного дополнительного пучка изображени  марки, а определение радиуса кривизны осущест- вл ют по смещению марок в плоскости изображени .

2. Устройство дл  определени  радиусов кривизны сферических поверх- ностей, содержащее основание, разме- щенные на основании узел креплени  и ориентировани  контролируемой поверхности относительно оси узла и измерительную пинолЬ; установленную с возможностью поворота вокруг оси, перпендикул рной оси узла креплени , и поступательного перемещени  вдоль

оси, перпендикул рной оси поворота пиноли, и оптический узел, включающий последовательно установленные источник света, марку, диафрагму, первую проекционную систему и оптическую приемную систему, отличающеес 

тем, что, с целью

повышени  точности и расширени  кой- тролируемых поверхностей, оно снабжено отличительно-измерительным блоком дл  определени  поперечного смещени  марки, размещенного в плоскости изображени  приемной системы оптического узла, а оптический узел выполнен с второй проекционной системой , проекционные системы установлены так, что их оптические оси расположены в плоскости, перпендикул рной оси вращени  пиноли, и ориентированы под углом друг к другу, опти- тическа  проекционна  система размещена так, что ее оптическа  ось расположена в плоскости установки проекционных систем и совпадает с биссектрисой угла, образованного перемещением оптических осей проекционных систем.

)

6) .

м

Фиг 2

б) С 2

С,

и

Фиг. J