SU1712775A1 - Оптическое устройство измерени линейных внутренних размеров - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике в машиностроении и используетс  в составе автоматизированного измерительного комплекса, управл емого от микроэвм дл  бесконтактного измерени  линейных внутренних размеров, в том числе и в услови х ГАП. Цель изобрете(ни  -расширение диапазона контролируемых объектов. При этом пучок лучей oj источника 1 света, пройд  коллиматор 2, вводитс  внутрь измер емого отверсти  и там с помощью клинообразного зеркала светоделител  ,3 расщепл етс  на два пучка. Эти пучки света далее рассеиваютс  поверхностью контролируемой детали (отверсти ) 11. Рассе нный свет собираетс  линзами 4 и 5 на поверхности двух зеркал 6 и 7 и отражаетс  ими на^ позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности. Сигналы от фотоприемника через усилитель 9 попадают в блок 10 обработки. По рассто нию между максимумами освещенности в двух распределени х определ етс  размер отверсти . Вычисление координаты максимума освещенности выполн етс  на микроЭВМ, 1 з.п.ф-лы, 3 ил.с; •fefOVI VIел

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике в машиностроении и используетс  в составе автоматизированного измерительного комплекса, управл емого от микроэвм дл  бесконтактного измерени  линейных внутренних размеров, в том числе и в услови х ГАП.

И звестно оптическое устройство дл  бесконтактного измерени  линейных размеров , например толщины издели , о.использованием двух световых лучей, падающих на поверхность исследуемого объекта под определенным углом в. Лучи создают на поверхности объекта два освещенных п тна , рассто ние между которыми зависит от удалени  головки измерительного датчика от поверхности исследуемого объекта. Рассто ние S и смещение D исследуемой поверхности относительно её номинального положени  св заны следующим выражением ,

S 2D/tg е,

где в- угол наклрна светового луча к исследуемой поверхности,

При изменении положени  поверхности объекта световые п тна сближаютс  или удал ютс  в зависимости от того, удал етс  или приближаетс  поверхность по отношени  к головке датчика. В головке датчика измерител  имеетс  система линз и оптическое сканирующее устройство, которое при обзоре поверхности вырабатывает два импульса с интервалом времени, соответствующим времени последовательного сканировани  световых п тен. В таком случае временной интервал между импульсами пропорционален рассто нию между п тнами и в соответствии с приведенкой формулой  вл етс  мерой линейного смещени . Устройство может быть автоматизировано и использоватьс  в ГАП.

Его недостатком  вл етс  узка  функциональна  возможность дл  целей измерени  внутренних размеров. Измер емое отверстие должно иметь размеры, превышающие-габариты устройства вместе с источником лазерного излучени , которое целиком должно размещатьс  внутри измер емого отверсти . Измерени  провод тс  в одноточечной схеме, поэтому искомый размер определ ют как замыкающее звено измерительной размерной цепи. Обеспечение дополнительных точек контакта на измер емой поверхности затруднено дл  тонкостенных деталей и деталей, изготовленных из м гких материалов.

Известно другое оптическое устройство - интерференционный нутромер дл  бесконтактных относительных измерений

диаметров отверстий. Пучки лучей подают на противоположные стенки измер емого отверсти , затем, отразившись от них, идут обратно по прежним направлени м и интерферируют с пучками, прошедшими через опорное плечо интерферометра, В результате в поле зрени  окул ра образуютс  две системы интерференционных полос, по величине смещени  которых суд т об изменении диаметра измер: емого отверсти ,

К недостаткам данной методики можно отнести возможность измерений диаметров отверстий только с зеркально отражающими поверхност ми, т.е. шероховатостью не более 0,04 мкм по параметру Ra, В противном случае происходит диффузное рассе ние световых пусков при их отражении от поверхности и образование интерференционных полос становитс  невозможным. Невозможность автоматизации данного устройства, а также его повышение чувствительности к температурным колебани м и другим внешним воздействи м резко ограничивают его применимость в ГАП.

Цель изобретени  - расширение диапазона контролируемых объектов за счет измерени  отверстий с шероховатой поверхностью.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее последовательно установленные в оптически св занные источники света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по одной в каждом пучке, и регистратор, введены два зеркала, установленные по одному по ходу пучков света после соответствующих собирательных WH3, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного , фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом 9, определ емым неравенство 90° Q 180°. Зеркала установлены с возможностью перемещени  вдоль оси источника излучени .

Устройство позвол ет проводить измерение линейных внутренних размеров отверстий как с зеркальнь1ми, так и диффузно отражающими поверхност ми, включа  также легко деформируемые детали (тонкостенные или выполненные из м гких материалов). Устройство используетс  в составе автоматизированного измерительного компле1 са, управл емого от микроЭВМ , и легко может быть включено в состав ГАП.

На фиг. 1 изображено устройство, принципиальна  схема; на фиг, 2 - график распределени  освещенности на площадке фотоприемника; на фиг. 3 - ход лучей в оптической системе при различных размерах контролируемого отверсти .

Устройство содержит источник 1 света, коллимирующую оптическую систему 2, светоделитель 3, фокусирующие линзы 4 и 5, зеркала 6 и 7, позиционно-чувствительный фотоприемник 8, усилитель 9 электрическог го сигнала и электронный блок 10 обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом .

Световой пучок от лазерного источника 1 проходит коллимирующую оптическую систему 2, светоделителем 3 расщепл етс  на два пучка, которые подают на поверхность измер емого отверсти  11 в двух противоположных точках.

Рассе нные поверхностью отверсти  световые пучки проход т через фокусирующие линзы 4 и 5 и, отража сь от граней зеркал 6 и 7, попадают на позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности (фиг. 2). Электрические сигналы от позиционно-чувствительного фотоприемника усиливаютс , преобразуютс  в цифровую форму. Дальнейша  обработка сигналов заключаетс  в вычислении координаты максимума освещенности каждого из двух полученных распределений освещенности. Разность координат пропорциональна  внутреннему размеру измер емого отверсти .

Значени  выходных злектрических сигналов завис т не только от интенсивности засветки той или иной  чейки (элемента) позиционно-чувствительного фотопрйемт ника, но и случайным образом от статического разброса значений чувствительности к освещенности отдельных  чеек. Поэтому имеетс  веро тность смещени  максимума сигнала по адресам  чеек по отношению к его исти)ному значению, которое соответствовало бы наибольшей освещенности. Это в конечном счете приводит к погрешности определени  внутреннего размера отверсти  издели , так как он фиксирует по разности координат размещени   чеек, дающих максимальный сигнал в обоих pStпределёни х . Точность отсчета координат может быть существенно повышена путем соответствующей обработки на ЭВМ выходных сигналов всех  чеек в пределах засвеченного участка позиционно-чувствительного фотоприемника. Программируетс  вычисление на ЭВМ координаты центра т жести линейки, состо щей из чувствительных элементов фотоприемника, причем вместо

масс элементов используют значени  злектрических сигналов, пропорциональных освещенности .

Алгоритм вычислени  координаты центра имеет вид

SXiEi

Х 2 Б

где Ei - значение сигнала засвеченного элемента матрицы позиционно-чувствительного фотоприемника;

Xi - координата засвеченного злемента.

Вычисленна  таким образом координата лучшим образом соответствует максимуму функции распределени  освещенности, чем координата  чейки с максимальным сигналом . Увеличиваетс  также разрешающа  способность позиционно-чувствительного фотоприемника, котора  ранее определ лась размерами его отдельного элемента. Теперь при описанной системе обработки ее результат может представл ть собой дробное число, что соответствует положению максимума освещенности светового п тна между двух элементов, которое нельз  было зафиксировать раньше.

Поскольку устройство реализует двухточечную схему измерени , то совмещение линии измерени  с измер емым диаметром в общем случае производитс  известным способом , при котором измерительна  головка перемещаетс  в соответствующих плоскост х до получени  экстремальных значений измер емого размера.

Claims (2)

1. Дл  определени  граничных значений внутреннего угла клинообразного зеркала светоделител  3, а также угла наклона зеркал 6 и 7 принимаетс  условие, чтобы отраженный луч л выходил параллельно подающему лучу Л и внутренней по ерхности измер емого отверсти  (в случае круглого отверсти  параллельно образующей цилиндра) (фиг. 3). Положение зеркала 7 характеризуетс  углом наклона у его грани по отношению к зеркалу светоделител  3, При этом исходным параметром считаетс  угол наклона а грани зеркала светоделител  3 по отношению к поверхности П. Угол а в эксплуатации устройства должен составл ть более 45 и менее 90°, т.е. находитс  в интервале45-90°, а внутренний угол 6зеркала светоделител  3 - соответственно в интервале значений 180° в 90°. В противном случае, например при меньших значени х углов а и б , луч OD перемещаетс  от вертикали влево и, отразившись от поверхности П, не попадает на зеркало 7, Угол между направлени ми падающего и отраженного лучей в точке О (угол отклонени ) 0) 180°-2/3. С другой стороны, угол (У, как внутренний между параллел ми Л и П и пересечением DO,  вл етс  дополнительным до 180° к углу 180°-2 а, т.е. й) 2 а. Приравнива  эти выражени  одного и того же угла ш, получим /3 90°- ее.. Тогда внутренний угол- между зеркалами 6 и 7 равен 77 2 уЗ 180°-2 а 180°- 0, так как 2а в. В треугольнике ABC имеем дл  суммьг углов (180° - у) + (180° - а)+ /3 180°. После подстановки в последнее равенство полученного выражени  дл  угла уЗимеэму 270°-2 а, или у 270°- в, При уменьшении угла у и следовательно угла J/i отраженный от зеркала светоделител  3 луч поворачиваетс  в сторону от оси отверсти  к его стенке. Предельно допустимое уменьшение угла у и следовательно угла i, по сравнению с полученными равенствами дл  этих углов, определ етс  размером измер емого отверсти . При неограниченном уменьшении углов у и ту отраженный луч Л не выйдет из отверсти  и будет срезан его кромкой. При увеличении размера измер емого отверсти  (фиг. 3, новое положение нижней стенки увеличенного отверсти  П обозначено штриховой линией) луч D О, отразившись от п , не попадает на зеркало 7 независимо от значени  угла у . В таком случае дл  расширени  пределов измерени  рекомендуетс  перемещать, например с помощью микровинта, зеркало 7 вдоль оси головки в новое положение 7 (обозначено штриховой линией). Устройство позвол ет бесконтактным оптическим способом, использу  двухточечную схему, проводить автоматически измерени  линейных внутренних размеров сквозных и глухих отверстий как с зеркальными , так и диффузно отражающими inoBepхност ми , включа  также легко деформируемые детали (тонкостенные или выполненные из м гких материалов). Не требуетс  высока  стабильность источника излучени , поскольку практически важна фиксаци   чейки фотоприемника, имеющей относительный максимум освещенности по сравнению с другими  чейками. Устройство используетс  в составе автоматизированного измерительного комплекса, управл емого от микроэвм, и легко может быть включено в состав ГАП. Формула изобретени  1.Оптическое устройство измерени  линейных внутренних размеров, содержащее последовательно установленные и оптически св занные источник света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала , формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по одной в каждом пучке, и регистратор, отличающе . ес  тем, что, с целью расширени  диапазона контролируемых объектов, оно снабжено двум  зеркалами, установленными по одному по ходу.пучков света после соответствующих фокусирующих линз, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом в, определ емым неравенством 90° 0 180°.
2. 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с   тем, что, с целью расширени  диапазона измер емых линейных размеров, зеркала установлены с возможностью перемещени  вдоль оси источника света.