SU1686305A1 - Оптико-электронное автоколлимационное устройство дл измерени профил полированных поверхностей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике. Цель изобретени  - по- вышение точности за счет устранени  различи  интенсивности источников излучени  и упрощение устройства за счет уменьше- ни  количества источников излучени  Устройство состоит из оптического датчика, выполненного в виде автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. Автоколлиматор 17 и фоторегистриру- ющий блок выполнены с компенсационными каналами, позвол ющими компенсировать дрейф нул  фотоприемников. 1 п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  формы поверхности оптических деталей.

Цель изобретени  - повышение точности за счет устранени  вли ни  различи  интенсивности источников излучени  и упрощение устройства за счет уменьшени  количества источников излучени .

На фиг. 1 представлена кинематическа  схема устройства; на фиг. 2 - оптическа  схема устройства: на фиг. 3 - схема электрической части устройства; на фиг. 4 - схема определени  нормалей и поверхности.

Устройство состоит из узла 1 базировани  контролируемой детали (см. фиг. 1 платформы 2, на которой установлен узел 1. выполненный в виде координатного столика , барабанов 3, 4, 5, обеспечивающих при помощи винтовых механизмов (на чертеже не показаны) перемещение узла 1 относительно платформы 2 вдоль оптической оси детали и по двум взаимно перпендикул рным направлени м, нормальным к этой оси, и шкалы 6, конструкци  узла 1 предусматривает разворот детали вокруг ее оптической оси, при этом о величине угла поворота суд т по шкале 6, вала 7, подшипников 8, платформы 9, ходового винта 10, гайки 11, электропривода 12, датчика 13, электропривода 14, датчика 15.

Платформа 2 жестко св зана с валом 7, цапфы которого установлены в подшипниках 8, закрепленных на платформе 9, имеющей возможность линейного перемещени  параллельно плоскости горизонта при помощи ходового винта 10, гайки 11 и электропривода 12. Датчик 13 механически св зан с винтом 10, вал 7 механически св зан с электроприводом 14 и датчиком 15. Платформа 16 расположена над узлом 1 оптического датчика, установленного на платформе 16 и состо щего из фотоэлектрического автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. расположенных так, что их оптические оси лежат в

ё

О 00

Os

GO О

ел

одной плоскости, пересекаютс  в одной точке , причем оптическа  ось автоколлиматора 17  вл етс  биссектрисой угла между ос ми коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19, плоскость осей оптического датчика перпендикул рна валу 7, механизма линейного перемещени  платформы 16, содержащего ходовой винт 20, гайку 21, электропривод 22, датчик 23 линейного перемещени , вычислительного блока 24, счетчиков 25, 26, 27. Датчики 13, 15, 23 подключены на первых три входа вычислительного блока 24 через соответствующие им счетчики 25, 26, 27, с выходами вычислительного блока 24 св заны электроприводы 12, 14, 22. Схемы селекции, регистрации и обработки сигнала включены между выходами автоколлима-тора 17, блока 19 и третьим, четвертым входами блока 24 соответственно .

Автоколлиматор 17 (см. фиг. 2) состоит из рабочего и компенсационного оптических каналов. Рабочий оптический канал состоит из оптически св занных источников 28 модулированного излучени  (светодио- да), конденсатора 29, точечной диафрагмы 30, светодепительного кубика 31, объектива

32,в фокусе которого помещена диафрагма 30 и позиционно-чувствительный фотоприемник 33, приемна  площадка которого также помещена в фокусе объектива 32. Компенсационный оптический канал состоит из оптических св занных источника 34 излучени  (светодиода), конденсатора 35, точечной диафрагмы 36, объектива 37, пози- ционно-чувствительного фото приемника

33.Параметры оптических схем рабочего и компенсационного каналов выбираютс  такими , чтобы размеры п тен засветки на фотоприемнике 33 от обоих каналов были одинаковыми, т.е. чтобы были одинаковы размеры изображений диафрагм 30 и 36.

Коллиматор 18 состоит из оптически св занных источника 38 модулированного излучени  {светодиода), конденсатора 39, точечной диафрагмы 40 и объектива 41.

Фоторегистрирующий блок 19 состоит из рабочего оптического канала, компенсационного оптического канала. Рабочий оптический канал включает оптически св занные объектив 42 и позиционно-чувствительный фотоприемник 43. Компенсационный оптический канал состоит из оптически св занных источника 44 модулированного излучени  (светодиода), конденсора 45, точечной диафрагмы 46, обьектива 47, светоделительного элемента 48, позици- онно чувствительного фотоприемника 43.

Перва  схема селекции, регистрации и обработки сигнала состоит из двух цепей.

кажда  из которых состоит из последовательно соединенных усилител  49, избирательного усилител  50, синхронного детектора 51, синхронного детектора 52,

вход которого подключен к выходу усилител  50, схемы 53 вычитани , входы которой подключены к выходам детекторов 51 и 52, и индикатора 54, подключенного к выходу схемы 53. Входы 55 элемента И подключены

0 к выходам детекторов 53, усилители 53 подключены каждый к своей паре выходов фотоприемника 33, а выход элемента 55 подключен к третьему входу блока 24.

Втора  схема селекции, регистрации и

5 обработки сигнала состоит из двух цепей, кажда  из которых состоит из усилител  56. избирательного усилител  57, синхронных детекторов 58 и 59. схемы 60 вычитани  и индикатора 61. соединенных аналогично це0 пи первой схемы селекции, регистрации и обработки сигнала. Усилители 56 подклю-- чены каждый к своей паре выходов фотоприемника 43, а выход первой схемы 60 подключен к четвертому входу ЭВМ.

5Устройство работает следующим образом .

Процесс измерени  профил  полированной поверхности сводитс  к определению пол рных координат точек

0 поверхности относительно ее вершины и оптической оси. Дл  этого производитс  зондирование поверхности световыми пучками автоколлиматора 17 и коллиматора 18 с целью определени  положени  нормалей

5 к поверхности в р де ее точек и фиксирование этих точек посредством отслеживани  пространственного положени  отраженных от поверхности зондирующих пучков.

При помощи автоколлиматора 17 опре0 дел етс  положение нормалей к контролируемой поверхности в р де ее точек путем совмещени  оптической оси автоколлиматора 17 с осью отраженного зондирующего пучка, о чем суд т по нулевому сигналу с

5 выхода соответствующей схемы селекции, регистрации и обработки сигнала.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование р да точек контролируемой поверхности путем

0 совмещени  точки пересечени  оптических осей оптического датчика вдоль нормали к поверхности, а следовательно, совмещени  оптической оси зондирующего пучка коллиматора 18 с оптической осью фоторегистри5 рующего блока 19, о чем суд т по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции и обработки сигнала.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование р да точек контролируемой поверхности путем

совмещени  точки пересечени  оптических осей оптического датчика вдоль нормали к поверхности, а следовательно, совмещени  оптической оси зондирующего пучка коллиматора 18 с оптической осью фоторегистри- рующего блока 19, о чем суд т по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции и обработки сигнала.

Работа узлов оптического датчика автоколлиматора 17. коллиматора 18 и фоторе- гистрирующего блока 19 основана на принципе формировани  зондирующих параллельных или сфокусированных в точке пересечени  оптических осей пучков света и последующего отслеживани  пространственного положени  этих пучков после отражени  от поверхности контролируемой детали.

Автоколлиматор 17 работает следующим образом.

Свет, излучаемый светодиодом 28, собираетс  конденсором 29 в плоскости точечной диафрагмы 30. Заполненное светом отверстие диафрагмы 30 находитс  в фокусе объектива 32, что обеспечивает формирование параллельного зондирующего пучка, который после отражени  от контролируемой поверхности направл етс  объективом 32 на отражающую грань светоделительного элемента 31 и далее на приемную площадку фотоприемника 33. Одновременно на площадку фотоприемника 33 направл етс  при помощи конденсора 35, диафрагмы 36, объектива 37 излучение от светодиода 34, который излучает на той же частоте, что и светодиод 28, но в противофазе. Благодар  тому, что элементы компенсационного канала соосны с фотоприемником 33 и неподвижны относительно него, п тно засветки, создаваемое этим каналом на приемной площадке неподвижно и выполн ет референтную роль, позвол   исключать ошибку определении положени  п тна, создаваемого рабочим каналом, из-за возможного дрейфа нул  - ошибке, свойственной всем типам позиционно-чувствительных фотоприемников .

Процесс исключени  этой ошибки реализуетс  схемой селекции, регистрации и обработки сигналов и происходит следующим образом (см. фиг. 3).

Сигналы от двух светодиодов 28,34 снимаютс  с двух пар взаимно перпендикул рных координатных разнопол рных выводов фотоприемника 33, обеспечивающих фиксирование отклонени  от оси автоколлиматора 17 поступившего в него после отражени  от контролируемой поверхности зондирующего пучка в двух взаимно перпендикул рных плоскост х, и поступают t

предварительные усилители 49 и далее в избирательные усилители 50, настроенные на частоту модул ции светодиодов 28, 34. После каждого избирательного усилител  5 сигнал поступает на пару синхронных детекторов 51, 52. В результате после детекторов 51 выдел етс  часть сигнала, соответствующа  положению на приемной площадке фотоэлемента 33 п тна засветки.

10 создаваемого рабочим каналом, а после детекторов 52 - часть сигнала, создаваема  компенсационным каналом, пропорциональна  дрейфу нул  фотоприемника 33. Таким образом, синхронные детекторы

15 51 и 52 раздел ют сигналы от рабочего и компенсационного каналов. После разделени  сигналы от синхронных детекторов 51, 52 поступают соответственно в схемы 53 вычитани , где происходит их вычитание и

0 выделение сигналов, соответствующих величинам истинного смещени  отраженного зондирующего пучка относительно центра фотоприемника 33 вдоль двух взаимно перпендикул рных координат. Величины г.иг5 налов фиксируютс  индикаторами 54. После схем 53 вычитани  сигналы поступают на элемент И 55, выход которого подключен к блоку 24. Сигнал с выхода элемента 55 последует лишь в случае равенства О сигна0 лов с обоих схем 53 вычитани , что возможно лишь в случае совпадени  оси отраженного от контролируемой поверхности пучка с оптической осью автоколлиматора 17, а следовательно , с центром позиционно-чувствительного

5 фотоприемника 33.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 работают следующим образом.

Коллиматор 18 при помощи светодиода 38, конденсора 39, щелевой диафрагмы 40

0 и объектива 41 формирует зондирующий пучок и направл ет его в сторону контролируемой поверхности, отразившись от которой он попадает в объектив 42 фоторегистриру- ющего блока 19 и далее на фотоприемник

5 43. Одновременно на фотоприемник 43 попадает излучение от компенсационного канала. Сигналы с каждой пары координатных разнопол рных выводов поступают в соответствующую схему селекции, регист0 рации и обработки сигнала, в которой по аналогии с описанной схемой, обеспечивающей работу автоколлиматора 17, производитс  последовательное усиление сигналов в усилител х 56,57, разделение синхронны5 ми детекторами 58,59, и вычитание в схемах 60 вычитани , с выходов которых снимаютс  сигналы, свободные от ошибки, обусловленной дрейфом нул  и соответствующие истинному положению п тна засветки рабо- чего канала на приемной площадке фотоприемника 43. Величины сигналов регистрируютс  индикаторами 61. По нулевому сигналу, регистрируемому индикаторами 61. суд т о совпадении плоскости оптических осей оптического датчика с оптической осью контролируемой детали.

В процессе фиксировани  точек контролируемой поверхности сигнал о положении оптического датчика относительно этой поверхности снимаетс  с разнопол рных выводов , которые совпадают с плоскостью оптических осей оптического датчика. Поэтому с целью обеспечени  управлени  движением оптического датчика в нужном направлении относительно контролируемой поверхности вдоль нормали к ней выход первой схемы 60 вычитани  св зан с блоком 24, на который при несовпадении точки пересечени  оптических осей датчика с поверхностью поступают сигналы, отличные от сигнала О, знак которых соответствует положению точки пересечени  оптических осей относительно поверхности.

Перед началом измерений устройство приводитс  в исходное положение, при котором ось вала 7 пересекает плоскость оптических осей оптического датчика в точке пересечени  этих осей. Затем устанавливают в узел базировани  оптическую деталь и, перемеща  ее по взаимно перпендикул рных плоскост х при помощи барабанов 3.4, добиваютс  совпадени  нормали к вершинной точке поверхности оптической детали с осью автоколлиматора 17, о чем суд т по нулевым показани м индикаторов 54 и по нулевому сигналу с элемента 55. Далее добиваютс  совмещени  точки пересечени  оптических осей оптического датчика с вершинной точкой поверхности, дл  чего перемещают деталь вдоль нормали к поверхности при помощи барабана 5 до по влени  нулевого отсчета на индикаторах 61.

Блок 24 (см. фиг. 1) выдает управл ющий сигнал на электропривод 12, который при помощи механизма линейного перемещени  ходовых винта 10 и гайки 11 перемещает платформу 2 с установленным на ней узлом 1 базировани  с контролируемой деталью вдоль оси ординат так, что вершинна  точка О занимает положение OL смещенное относительно исходного на величину YOI. котора  посредством датчика 13 поступает в ЭВМ и регистрируетс  счетчиком 25. Затем блок 24 выдает управл емый сигнал на электропривод 14. который разворачивает платформу 2 с деталью на угол а вокруг оси вала 7 до момента совпадени  оптической оси автоколлиматора 17 с нормалью к поверхности детали с некоторой точке А. Величина угла щ от датчика 15 поступает в счетчик 26 и блок 24, который выдает команду на электропривод 22. Последний при помощи механизма линейного перемещени  - ходовых винта 20 и гайки 21, перемещает оптический датчик вдоль нормали к поверхности до момента совпадени  точки пересечени  оптических осей датчика с некоторой

точкой А поверхности детали, о чем суд т по нулевому сигналу на выходе схемы вычитани  60.

В результате описанных перемещений деталь займет положение, при котором вершинна  точка О поверхности сместитс  по оси ординат в точку Oi на величину YOI, оптическа  ось OiO повернетс  на угол а по отношению к ее исходному положению , точка А поверхности, координаты которой измер ютс , окажетс  на оси X. совпадающей с оптической осью автоколли- матора, и приобретет координату Хд.

На фиг. 4 видно, что пол рными координатами точки А относительно оси OiO и вершины детали будут радиус-вектор Рд ОсА и угол &ь наклона радиуса-вектора р к оптической оси ОЮ. При этом величина радиуса-вектора р д определ етс  из выражени 

5

01

а угла

0

5

0

5

из выражени  ©A yt +/3i . Или, учитыва , что

у 90°-ai / i arctg Yoi

О)

(2)

(3) (4)

Од 90° - on + arctg (5)

YOI

В соответствии с выражени ми 1. 5. блок 24 рассчитывает координату точки А.

Нулевой сигнал с выхода схемы вычитани  60 поступает в ЭВМ. котора  продолжает выполнение программы и выдает необходимые управл ющие команды на измерение координаты следующей точки В контролируемой поверхности. Процесс измерени  аналогичен описанному. Блок 24 выдает последовательно управл ющие сигналы на электроприводы 12.14, 22 (см. фиг. 1). которые обеспечивают перемещение детали вдоль оси ординат в положение, при котором ее вершинна  точка переместитс  в точку О2 с координатой Y0, разворот детали относительно точки Оа в р положение, при котором оптическа  ось автоколлиматора 17 совместитс  с нормалью к поверхности к некоторой точке В, а оптическа  ось детали окажетс  в положении 020, повернутом на угол О2 от исходного положени  О,О, перемещение оптического датчика до момента совпадени  точки пересечени  его осей с зондируемой точкой В на величину Хв. По величинам измеренных перемещений блок 24 рассчитывает пол рные координаты точки В относительно оптической оси и вершиной точки поверхности детали в соответствии с выражени ми

/ B VXB2+Yoiz

ев

(в)

(7)

90° -02 +arctg-Ј - .

Y02

Claims (1)

1. Формула изобретени  Оптико-электронное автоколлимационное устройство дл  измерени  профил  полированных поверхностей, содержащее установленные с возможностью взаимного относительного углового и линейного перемещени  узел базировани  измер емой детали и оптический датчик, состо щий из автоколлиматора и коллиматора с источником излучени , фоторегистрирующего блока , установленных так, что их оптические оси лежат в одной плоскости и пересекаютс  в одной точке, а ось автоколлиматора  вл етс  биссектрисой угла, образованного ос ми коллиматора и фоторегистрирующего блока, автоколлиматор состоит из двух источников излучени , установленных по ходу лучей от первого источника излучени , конденсора , диафрагмы, светоделительного элемента и первого объектива, и из первого

   фотоприемника, оптически св занного с светоделительным элементом, фоторегист- рирующий блок состоит оптически св занных объектива, фотоприемника, отличаю- 5 щ е е с   тем, что, с целью повышени  точности, оно снабжено двум  схемами селекции , регистрации и обработки сигналов, кажда  из которых состоит из двух цепей, кажда  из которых выполнена в виде после10 довательно соединенных избирательного усилител , первого синхронного детектора, схемы вычитани  и индикатора, и второго синхронного детектора, включенного между выходом избирательного усилител  и

   15 вторым входом схемы вычитани , фото- приемники выполнены позиционно-чувст- вительными, избирательные усилители первой схемы селекции, регистрации и обработки сигналов подключены к выходам

   20 первого фотоприемника, избирательные усилители второй схемы селекции, регистрации и обработки сигналов подключены к выходам второго фотоприемника, автоколлиматор выполнен с компенсационным оп25 тическим каналом, состо щим из установленных „между вторым источником излучени  и светоделительным элементом второго конденсатора, второй диафрагмы и второго объектива, фоторегистрирующий

   30 блок выполнен с компенсационным оптическим каналом, состо щим из оптически св занных источника излучени , конденсора, диафрагмы, второго объектива и светоделительного элемента, оптически св занного с

   35 вторым фотоприемником.

   /J

   2Ь

   23

   38

   f,,0

   W 50

   fi.

   fi.

   W 50

   ff,W8(f

   5, «4I

   V

   Фиг. 2

   П

   54

   55

   /f/

   К5локу2Ь

   54

   u

   6

   КР/юку 21

   0U2 J

   Фиг.1