SU769316A1 - Устройство дл контрол углов поворота объекта - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике а именно к оптическим и оптико-электронным угломерным приборам , предназначенным дл  определени  углового положени  одного объекта относительно другого.

Известны оптические ,и оптико-электронные угломерные устройства, которые вклю чают визуальный ил.и оптико-электронный автоколлиматор и специальный отражатель. При этом визуальные автоколлИ|Маторы снабжаютс  окул рными измерительными приспособлени ми,позвол ющими измер ть смещени  изображений марки автоколлиматора , пропорциональные величинам измер емых углов,- либо фотоэлектрическИ|МИ регистрирующими системами. Выходные сигналы которых пропорциональны величинам .измер емых углов 1.

Недостатком этих устройств  вл етс  невысока  точность измерений углов, обусловленна  тем, что смещение изображени  марки зависит от одного из ко4л.имационных углов поворота отражател .

Наиболее близки|М по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство дл  контрол  углов поворота объекта, содержащее формирователь излучени , скрепл емый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугранных

углов которого имеет отступление от 90°, и регистрирующее устройство, установленное по ходу излучени  от отражател  2.

Недостаток устройства - невысока  точтость измерений углов поворота, св занна  с тем, что уголковый отражатель не обеспечивает точного измерени  угла скручива .ни .

Целью изобретени   вл етс  повышение

10 точности измерений.

Указанна  цeл) достигаетс  тем, что в устройстве дл  контрол  углов поворота объекта двугранные углы отра жател  выполнены с заведомо заданными отступле15 ни ми от 90°.

Кроме того, заведомо заданные отступлени  от 90° имеют равные величины и одинаковые знаки или равные величины и разные знаки.

20

Заведомо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла в случае использовани  в качестве уголкового отражател  триппель-призмы определ етс  из услови :

25

6з -б У2 1/

где п - показатель преломлени  триппель30 призмы, равный

/г--1

1 +

/г

(А-Л/)2

б - заданное отступление от 90° двугранных углов, .имеющих равные абсолютные величины;

А - единичный орт падающего луча;

N - едЕничйый Орт .но р|Мали шередней

грани триппель-пр.измы; л - показатель преломленл  .материа- ла отражател .

Заведомо заданные отступлени  от 90° третьего двугранного угла в случае выполнени  уголкового отражател  в виде тройного зеркала определ ютс  из услови : Дбз -

На фиг. 1 приведена принципиальна  схема предлагаемого, устройства; на фиг. 2 и 3 - характер изображени  авто.коллимационных марок в плоскости анализа (плоскости размещени  измерительного устройства или фоторегистрир.ующей системы); на фиг. 4 - ориентаци  уголкового отражател  относительна системы координат при наличии -погрешностей двух пр мых двугранных углов; на ф.иг. 5 - характер изображени  марок, отраженных от отражающих граней уголкового отражател  с двум  погрещност ми в плоскости анализа.

Устройство содержит формирователь излучени , выполненный из автоколлиматора, включающего объектив /, фоторегистрирующие системы 2 и 3, установленные в фокальной плоскости объектива 1. Между объективом ,и фоторегистрирующей системой установлен светоделительный элемент 4, образующий боковой-канал, в котором в фокальной плоскости объектива расположена свет ща с  марка 5, выполненна , например , в виде светодирда. На фиг. 1 верщина )толкового отражател  6 расположена в начале базовой системы координат XYZ.

Устройство работает Ьледующим образом .

Лучистый поток от марки 5 с помощью светоделительного элемента 4 и объектива / направл етс  на уголковый отражатель 6. Особенностью уголкового отражател   вл етс  то, что все три пр мых двугранных угла выполнены с отступлеви м  от 90°, отражатель ориентирован определенным образом относительно оптической оси автоколлиматора . Вследствие наличи  ошибок пр мых двугранных углов уголковый отражатель при отражении раздел ет падающий на него параллельный пучок на щесть пучков , которые расположены попарйо в трех плоскост х, не совпадающих друг с другом. Отраженные пучки в каждой паре составл ют равные углы с падающими. Уголковый отражатель с трем  дефектным,и углами описываетс  щестью матрицами вида (кажда  матрица описывает один отраженный

I,

т

(1)

К., -1

т.2

к k 1

где 2, 3, i, 4, tn элементы реальных матриц (),| ;/i:, k,, l., а, b, с - грани уголкового отражател , от которых отразилс  данный пучрКй

Последовательность а, Ь, с обозначает последовательность отражений луча от граней уголжового отражател . Пусть уголковый отражатель разв нзлс  на малые углы ф, /., ip относительно осей ОХ, ОУ, OZ соответственно . При условии осевого хрда падащего на 10 луча (уравнение орта А падающего луча в системе координат XYZ -ll

) орт отраженного луча в общем

А

случае определ етс  матрицей:

1

+ йзф-т к

ВаЬг -

+ /3

где втора  и треть  строки матрицы определ ют отклонени  орта от1ражен ного пучка от плоскостей ZOX и XOI соответственно. Как следует из анализа формулы, дл  того , чтобы по отклонению пучка можно было измерить угол скручивани  ф независимо от коллимационных углов х и  , необходимо выполнение услови :

т (3)

С другой стороны, дл  того, чтобы по отклонению пучка можно было определить коллимационные углы х и -ф независимо от угла скручивани  ф, необходимо, чтобы выполн лись услови :

т. 0

(4) 1Й, ,| 0

Выбира  величины и знаки погрешностей углов уголкового отражател , а также его ориантировку, можно добитьс , чтобы равенство (3) выполн лось дл  матриц, описывающих одну пару отраженных пучков, а система .уравнений (4) - дл  матриц, описываЕОщих другую пару отраженных пучков. Переход  к реальным выражени м элементов матриц отраженных пучков, можно записать следующие уравнени :

1) Дл  пары пучков с- последовательност ми отражений с, а, b (п1ервый пучок пары, фиг.1), Ь, а, с (второй пучок цары):

АЗ cos Tjjo + V3 sin i|Jo О ( | k 0) т . cos xo + sin sin ifio + -i- Vs cos г|)о 0; ((АзИ 0) 2). Дл  пары пучков с последовательност ми отражений а, Ь, с (первый пучок), с, Ь, а (второй пучо1к): mi - sin хо + cos sin tfio + ,+V .cosij:o 0 . () (ориентаци  пучка не зависит от х и |)). В вышеприведенных уравнени х Шз 2636 + U+ «(б.бг); /п, 25з(« + 1)-«(Si-ба); Дз 2б2-(л+ 1)+п(бз-60; Ai -2б2(л + i;-«(бз+ 6i); Уз 2б,(и +;)-n(бз+б2); Уl 26,(  + ) -Ь «(63-62); фо, Хо - углы, определ ющие ор,иентацию уголкового отражател  относительно системы координат XYZ (фиг. 1); Хо - угол между ребром двугранного угла , имеющего ошибку 6з и осью OZ; угол хо считаетс  положительным, если ось OZ совмещаетс  с ребром вращением отнюситель но оои ОУ горотнв часовой, стрелки (на фиг. Хо положителен); фо - угол между проекцией ребра двугранного угла, имеющего ошибку 62, и осью О У; угол фо считаетс  положительным, если О У совмещаетс  с проекцией ребра враще нием относительно оси OZ против часовой стрелки (на фиг. I трилзображенном поло жении УО угол ifo отрицателен). В вышеприведенных выражени х: (/г npii этом п описываетс  выражением / t I  -- - 1 ) орт падаюш его на отражател пучка; орт нормали к передней грани от ражател ; показатель преломлени  мате риала отражател . Реша  вышеуказанную систему уравн ний, определ ют знаки 6i, 63 и 6з, соотнош ни  между ними и угол хо. Зададимс  -фо -45°, при этом отраж тель расположен симметрично относительн плоскости ZOX (положение, показанное н фиг. 1). При этом условии система уравн ИИ упрощаетс . Реша  первое уравнение истемы, получаем: б, -Ь 6 О римем-б2 -6, . Преобразовав осавшиес  два уравнени  получаем: 5,.-8FT|/4 ±1 I/ 2«2 -f 1 8,2(/г 4- 1)+ 28(д- 1) tg п - Ь(п) + S(/f-f 2) Так .как параметр п не вно зависит от о, система уравнений не решаетс  алгебаическими методами и может быть решена помощью ЭВМ. Так, например, дл  отраател , изготовленного из стекла К8 (п 1,5163), решение системы уравнений дает 6з - 1,2368 6; хо 43°36.(7) Таким образом, при выполнении условий (5) и (7), использу  первую пару отраженных пучков, можно измер ть углы х и ijj, а использу  вторую пару пучком, - угол ф, независимо друг от друга. Необходимо отметить , что в случае изготовлени  уголкового отражател  в виде тройного зеркала, дл  которого п п , система (6) решаетс  алгебраически: 6з - 2 о, (хо-45°). Аналогично можно показать, что если 62 6, 6i -6, то дл  /г 1,5163, 6з 1,2368 6. Как показали расчеты, пара отраженных пучком с последовательност ми отражений а, Ь, с и с, Ь, а соответственно (пучки 9, 10 на фиг. I) при выполнении условий (5) и (6) лежит в плоскости XOY, и пучки откло-нены от падающего пучка на угол Д 46/г. Данные пучки чувствительны лишь к углу скручивани  ф. Пары отраженных пучков с .последовательностью отралсений с, а, Ь и Ь, а, с соответственно отражаютс  уголковым отражателем в направлении, обратном падающему, лучу (пучки 7 и 8). Данные пучки чувствительны лишь к углам тр и х. Пара пучков с последовательност ми от 1ажений Ь, а, с и с,а,Ь не используетс  и при построении угломера не преп тствует регистрации отклонени  двух пар рабочих пучков, так . лежит в плоскости XOY, При этом каждый из пучков отклонен от падающего пучка на угол Д2 2|/35/г. Таким образом, в фокальной плоскости автоколлиматора образуютс  шесть изображений марки фиг. 2). При этом изображени  9 и 10 отклонены от центра на величины 46n/i, где /i - фокусное рассто ние объектива автоколлиматора, изображеЕи У и 8 совпадают друг с другом и с оптической осью автоколлиматора, изображени  // и У2 отклонены от центра на величину 2 1/3 бл /, и не совладают с 9 и 10. В случае разворота контролируемого объекта, а следовательно, и св занного с ним отражател  на малые углы ф, х, г|) относительно осей ОХ, ОУ, OZ, соответственно , как показывают расчеты, пуЧ|Ки 9 и 10 синхронно повернутс  на угол ф относительно оптической otH автоколлиматора, что вызовет линейное, смещение изображений 9 и

10 (в разныесто:р0;ны) навелич;ину46«./i ф ( фиг. 3). Регистраци  этого Линейного смещени  пучка9 при помощи позиционночувствительной регистрирующей системы (ПЧРС) позвол ет измерить угол ij).

Аналогично можно показать, что изображени  7 и 8 смест тс  относительно начального положени  (в разные стороны), причем величина смещени  относительно плоскости XOY составл ет 46/i i|;, а относительно ZOX - 46/ix.

Регистраци  этих линейных смещений при помощи двухкоординатной ПЧРС 3, позвол ет измерить углы х и ф.

Таким образом, реализу  соотнощени  между величинами и знаками оц1ибок Т1р мых двугранных углов и параметрами ориентации УО, найденными при рещении уравнений (5) и (6), можно добитьс  независимого измерени  всех трех углов разворота ф, X, ф.

Необходимо также отметить, что подобный отражатель позвол ет реализовать одинаковые по пор дку величины коэффициентов передачи между величиной поворота отражател  и величиной поворота отраженного луча по всем трем измер емым углам:

по углу ф коэффициент передачи равен 4би,

по углам X и if) - 46(« равно -1,5 и не измен ет пор дка коэффициента передачи). Это обсто тельство позвол ет выполнить устройство малогабаритным, работающим либо на больших дистанци х, либо при больших диапазонах измер емых углов.

Предлагаемое устройство может найти применение дл  Решени  щирол ого круга у(етрологических задач, св занных с измерением трех угловых координат объекта с высокой точностью.

Claims (5)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  контрол  углов поворота объекта, содержащее формирователь излучени , скрепл емый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугранных углов жоторрго .имеет отступление от 90°, и регистрирующее .устройство, установленное по ходу излучени  от отражател , отличающеес  тем, что, с целью повыщени  точности измерений, остальные двугранные углы выполнены с заведомо заданными отступлени ми от 90°.
2. 2.Устройство по п. 1, отличающеес   тем, что заведомо заданные отступлени  от 90° имеют равные величины и одинаковые знаки.
3. 3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес   тем, что заведомо заданные отступлени  на 90° имеют равные величины и разные

   знаки.
4. 4.Устройство по пи. , отличающеес  тем, что заведо.мо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла определ етс  из услови :

   бз - б

   где п - показатель преломлени  триппель.. призмы, равный

   п- - 1

   1 -J (

   1

   б - заданные отступлени  от 90° двугранных углов, имеющи,х равные абсолютные величины;

   А - единичный орт падающего луча;

   N - единичный орт нормали к передней грани триппель-призмы;

   п - показатель преломлени  материала отражател .

   ,
5. 5. ,Устройство по пп. 1-3, отличающеес  тем, что заведо1мо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла определ етс  из услови :

   бз -/28.

   55 Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе:

   1. Авторское свидетельство СССР № 511520 G 01 В 11/26 от 1974 г.

   2 Авторское свидетельство СССР 60 № 557261 G 01 В 11/26 от 1976 г. (прототип ).

   fu.5