Способ контроля отклонения формы поверхности деталей сложной формы

 

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОР№1, заключающийся в том, что получают изображения топограмлм поверхностей контролируемой детали и эталона, совмещают эти изображения , получают муаров5ю картину в виде муаровых полос, по шагу которых судят об. отклонении $OPNEJ поверхности детали, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности и производительности контроля деталей с осесимметричными асферическими поверхностями высшего порядка, устанавливают перед совмещением изображений то- , пограмм оптическую ось системы, формирукхцей изображение топограмкы поверхности детали, соосно с ее осью симметрии, направляют на поверхность детали интерференционное поле с эквидистантным шагом полос под заданным углом, устанавливают указанную систему относительно оси симметрии детали на угол, определяемый разрешакнцей (Способ (Л ностью этой системы и направлением нор1У1али к участку поверхности дета-, ли с максимальной частотой наблюдаемых интерференционных полос.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (Ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3426575/25-28 (22) 19.04.82 (46) 07. 01.84. Бюл. М 1 (72) В.Л.Казак и О.В.Чебакова (71) Ленинградский ордена Трудового

Красного Знамени институт точной механики и оптики (53) 531.715.1{088.8) (56) 1. Вест И. ГолограФическая интерферометрия. N., Мир, 1982, с.467-468..

2. АЬгащврЬ N. Laser Focus, 4, december, 1968, р.26 (прототип). (54) (57) СПОСОБ КОНТРОЛЯ OTKJIOHEНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖ-НОЙ ФОРМЫ, заключающийся s том, что получают иэображения топограммы поверхностей контролируемой детали и эталона, совмещают эти изображения, получают муаровую картину в виде муаровых полос, по шагу кото„„SU„„1065683, А

1(ДВ 6 01 В 11/24; 6 01 В 9/02 рйх судят об, отклонении форьи поверхности детали, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и производительности контроля деталей с осесимметричными асферическими поверхностями высшего порядка, устанавливают перед совмещением изображений топограмм оптическую ось системы, Формирующей изображение топограммы поверхности детали, соосно с ее осью симметрии, направляют на поверхность детали интерференционное поле с эквидистантным шагом полос под заданным углом, устанавливают указанную систему относитель- © но оси симметрии детали на угол, Е определяемай разрешающей способностью этой системы и направлением

Э нормали к участку поверхности детали с максимальной частотой наблю даемых интерференционных полос.

1065683

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля отклонения формы поверхности сложной формы, в частностй осесимметричных асферических поверхностей 5 высшего порядка, преимущественно оптических.

Известен спрсоб контроля отклонения формы поверхности сложной формы, основанный на получении топографических карт рельефа поверхности путем проекции „. . интерферен- ционных полос и позволяющий проводить контроль отклонений формы в реальном времени и при заданном способе ориентирования объекта.

Прн контроле по этому способу осесимметричных асферических поверхностей деталей восстановленное с голограммы интерференционное поле формируют с эквидистантным шагом @ полос, измеряют шаг интерференционных полос. относительно одной базовой точки, находящейся на оси вращения детали, и определяют координаты точек контролируемого сечения асферической поверхности (1 ).

Недостатком способа, основанного на непосредственном измерении шага интерференционных полос на конт" ролируемой поверхности, является невозможность увеличения точности и чувствительности контроля за счет уменьшения шага эквидистантных полос в интерференционном поле.

Уменьшение шага полос приврдит к на- 35 коплению суммарной погрешности измерения относительно базовой точки и непроизводительно длительному времени измерения координат интерференционных полос. Кроме того, <0 невозможно визуально определять локализацию участков поверхности, где имеется отклонение формыГ

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ контроля отклонения формы поверхности деталей сложной форэм, заключающийся в том, что получают иэображения топограмьиа поверхностей контролируемой детали и эталона, совмещают эти изображения, получают муаровую картину в виде муаровых полос, по шагу которых судят об отклонении формы поверхности детали 521; . Контролируемый объект помещают в интерференционное пеле, образован. иое когерентными, почти параллельными коллимироваиными пучками, угол между которыми равен 2й.

Вначале получают фотоснимоК то- 60 пографичесвой карты эталонной поверхности и при этом измеряют угол между биссектрисой и плоскостью поверхности объекта. Затем устанавливают на место эталонного объекта 65 контролируемый объект и также получают фотоснимок топографической карты. Если контролируеьый объект расположен на том же расстоянии и имеет ту же ориентацию, что и эталонный, тогда расстояние между двумя соседними темными полосами муара будет соответствовать отклонению формы поверхности (в направлении, перпендикулярном поверхгости), равному 2 ;

26= где . - угол между направлением наблюдения (фотографирования) и плоскостью поверхности объекта.

Изображения топографических карт могут быть получены на одном негативе или на двух раздельных снимках (2).

Недостатком способа является необходимость точной установки контролнру мой детали на место эталонной. Для совпадейия ориентации контролируемой н эталонной деталей необходимо отмечать на них три базовые точки. Как уже было отмечено определение баз на контролируемой поверхности имеет погрешность, обусловленную отклонением ее формы,Это снижает точность совмещения деталей, приводит к искажению муаровых полос и в итоге снижает. точность контроля. Вторым недостатком способа является необходимость изготовления фотоснимков контурных карт эталонной и контролируемой деталей, что является непроизводительной и трудоемкой операцией. Указанный способ не позволяет контролировать отклонения формы поверхностей сложной формы, например, осесимметричных асферических оптических поверхностей.высmего порядка, не имеющих образцов с эталонными поверхностями ввиду отсутствия способов аттестации с требуемой точностью (менее 0,5 мкм).

Целью изобретения является понишение точности и производительности контроля деталей с осесимметричными асферическими .поверхностями высmего порядка.

Ноставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля отклонения формы поверхности деталей сложной формы, заключающемуся в том, что получают изображения топограммы поверхностей контролируемой деталй и эталона, совмещают эти изображения, получают муаровук картину в виде муаровых полос, по шагу которых судят об отклонении формы понерхности детали,, устанавливают перед совмещением изображений топограмм оптическую ось системы, .фор1065683 мирующей изображение топограммы поверхности детали, соосно с ее осью симметрии, направляют на поверхность детали интерференционное . поле с зквидистантным шагом полос под заданным углом, устанавливают указанную систему относительно оси симметрии детали на угол, опредвляеьщй разрешающей способностью этой системы и направлением нормали к участку поверхности детали с максимальной частотой наблюдаемых интерференционных полос, На чертеже изображена принципиаль ная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.

Устройство содержит последовательно .расположенные лазер 1, систему 2, формирующую изображение топограммы поверхности детали и выполненную в виде объектива ось 3 поворота системы 2 относительно оси симметрии контролируемой поверхности, установленную с возможнбстью подвижки вдоль укаэанной оси симметрии, узел. 4 ориентирования оптической оси системы 2, снабженный механизмом ввода и вывода его из хода луча лазера 1, коллиматор 5, отражающее зеркало 6, голограмму. 7, узел 8 ориентирования интерференционного поля, снаб-, женный механизмом (не показан) ввода и вывода его иэ эоны интерферен« цйонного поля, транспарант 9 изображения топограммы эталонной поверхности, установленйый в плоскости иэображения системы 2, повернутой на оси 3 в рабочее положение, и выполненный в виде ряда непрозрачных полос на прозрачной подложке, и шпиндель 10 для установки контролируемой осесимметричной детали.

Узел 4 состоит из отражающего зеркала 11 и склеенной поворотной призмы 12 с полупрозрачной. поверхностью 13. Узел 8 состоит иэ юстировочной призмы 14 с полупрозрачной гранью 15 и с отражающей гранью .16 и эталонного транспаранта 17 изображения интерференционных полос, выполненного в виде ряда непрозрачных полос на прозрачной подложке.

Способ. контроля осуществляется следующим образом.

Деталь 18 с контролируемой осе,симметричной асферической поверхностью 19 устанавливают на шпинделе 10 и центрируют по оси вращения.

Далее производят необходимую при использовании эффекта муара взаим,ную ориентацию контролируемой осесимметричной поверхности-19 детали 18, интерференционного поля и оптической оси системы 2, формирующей иэображение топограммы контролируемой поверхностг 19 детали 18, при этом ось симметрии детали 18 является базовой осью, относительно которой проводят все операции по взаимной ориентации. Ориентирование системы 2 производят по автоколлимационной схеме, причем первоначально

5 оптическая ось этой системы 2 выставляется соосно оси симметрии детали 18. Узкий световой луч 20 от лазера 1 направляется вдоль оси симметрии детали 18 посредством ввода р на пути этого луча узла 4 ориентирования оптической оси системы 2, бтражается в обратном направлении от вершины - в точке О асферической поверхности 19 детали 18. Для более точного выполнения операции совмещения луча 20 с осью симметрии детали 18 (в случае шероховатой асферической поверхности) в окрестности точки О наносится слой отражающей жидкости 21, деталь 18 приво- . дится во вращение на шпинделе 10, при этом в жидкости образуется воронка, вершина которой точно совпадает с точкой 0 °

При этом предполагается, что ось симметрии детали 18 совпадает с осью вращения шпинделя 10 станка (не показан) для обработки асферической поверхности, так как описываемый способ контроля отклоне30 ний формы целесообразно использовать в качестве стадии технологического процесса формообразования асферической поверхности без съема детали со шпинделя станка. Если же

35 при вращении детали 18.луч 20 описывает в обратном ходе окружности вокруг самого себя в прямом ходе, то при помощи юстировочных подвижек системы 2 можно совместить в прост4р ранстве оба хода луча 20, например при визуа.льном наблюдении этого совмещения на полупрозрачной поверхности 13. Далее вводится в ход луча,20 оптическая система 2, и ось этой системы 2 устанавливается соосно оси симметрии детали 18, причем положение соосности контролируется также на указанной полупрозрачной поверхности 13 по постоянству к:ртины совмещения луча 20 в прямом и обратном ходе, полученной до вве" дения в ход этого луча данной системы 2. После этого узел 4 выводится из хода луча 20.

Луч 20 расширяется коллиматором Ь, 55 отражается от зеркала 6 и дифрагирует на голограмме 7, с которой восстанавливается интерференционное поле 22 с эквидистантным шагом 1 полос.

6Р На контролируемую поверхность 19 направляется интерференционное по" ле 22 под углом у к ее оси симметрии, и на этой поверхности образуется топограмма — контурная интерференционндя карта рельефа поверх1065683 ности. Ориентирование интерференционного поля 22 относительно оси симметрии детали 18 производится посредством ввода в него узла 8, юстировочная призма 14 которого жестко связана с эталонным транспаран- 5 том 17 изображения интерференционных полос гранью 16 юстировочной призмы. Рабочие грани 15 и 16 юстировочной призмы 14 и плоскость транспаранта 17 ориентированы друг )() относительно друга под заданными углами (o и 4 . Полупрозрачная грань

15 юстировочной призмы устанавливается перпендикулярно оси симметрии детали 18. В таком слУчае угол 6 определяет направление отраженных интерференционных полос поля 22 от отражающей грани 16 юстировочной призмы 14, а угол V определяет шаг наносимых на эталонный транспарант

17 полос. При наложении отраженных от грани 16 интерференционных полос на полосы эталонного транспаранта 17 образуется муаровая картина, выполняющая вспомогательную, настроечную операцию по сравнению с основной, измеряемой муаровой картиной, образуемой транспарантом 9.

Если шаг отраженных интерференцион1 ных полос и шаг полос на транспаранте

17 совпадают, то настроечная Муаро- З0

sa.ÿ картина имеет полосу бесконечной ширины. Иеняя направление интерференционных полос, т.е. меняя угол у, можно получить настроечную муаровую по(осу бесконечной ширины и, 35 таким образом, ориентировать интер- ференционное поле 22 относительно базовой оси (оси симметрии детали 18), Наиболее простым вариантом является угол )=О. Задавая углы 6 и 9 40

MoRHo направлять интерференционные полосы под требуемым углом Э.. После этого узел 8 выводится из интерференционного поля 22. Транспарант

17 выполняется различным образом . (фотосъемка чертежа, представляющего собой систему прямых линяй, синтезом на ЭВМ,нарезанием штрихов на прозрачной подложке с помощью делительной машины и т.д.).

Оптическая система 2 поворачивается на угол .р относительно оси симметрии детали Ох вокруг оси 3, установленной в.точке С,и объектив этой системы 2 формирует иэображение топограммы асферической поверхности 19 в плоскости транспаранта 9, представляющего собой синтезированное иэображение топографы эталонной поверхности, соответствующей поверхности 19. В результате сопряже- 60 ния двух иэображений топограмм образуется муаровая картина в виде муаровых полос в зонах отступления контролируемой асферической поверхности от расчетной, эталонной. 65

Взаимосвязь между произвбдными у„ (х.,) и у2(х2) от функций, описйвающих эталонную и контролируемую поверхности в контролируемом сечении, совмещенном с плоскостью хоу, в паре сопряженных точек х и х2, определяется следующим соотношением

I

Ь м (х„) sin p + — „+cos y ъ (х )-

2 2) ) v (x ) st tl p (<)

cos p

Формула (1) позволяет по известному измеряемому шагу муаровой полосы Ъ определять значение угла наклона касательной или угла наклона нормали c(, относительно оси оу в данной точке х> контролируемой поверхности 19 по значению проиэвод .е ной у (х2) в этой точке, определяе к мой по формуле (1) .

Отклонение hd угла наклона нормали в соответствующей точке контролируемой асферической поверхности 19, характеризующее отклонение формы поверхности от расчетной в угловой мере, определяется по формуле

О(= )1 co& (g+P ) (2 ) Ь

1 . 2

Ъ cos p+ — И 31 и Ы 4g p -s n 2) ) м

B случае если сечение расчетной эталонной поверхности. плоскостью хоу задается в виде ломаной линии с шагом Ъ (ступенчатая поверхность), начало которой совмещено с вершиной асферической поверхности, отклонение угла нормали для середины,п --го участка ломаной линии определяется также по формуле.(2) при - (и о"я

Величина dcL предварительно рассчитывается для заданного уравнения контролируемой поверхности при заданном ориентировочно шаге муаровых полос Ьм по допуску д"у„ и определяется в процессе контроля по измеряемому шагу %, при этом Йс(6

,4ол °

Требуемая точность контроля d (о ) отклонений формы обесиЕчивает- ся оптимальным выбором параметров

Ь, 8, Ь для данного типа контролируемой асферической поверхности . способом регистрации измеряемой величины Ъ, способом аттестации шага tl интерференционного поля, применяемого для получения топо графических интерферограмм.

Описываемый способ не требует .наличия детали с эталонной поверхностью сложного профиля, выполнен7 1 ! ной по расчетному уравнению оптимальной поверхности сравнения н аттестованной с точностью на порядок выше требуемой точности изготовления. В описываемом способе рассчитывают и изготавливают плоский эквивалент эталонной топограммы, транспарант 9, соответствующий применяемому объективу в системе 2, фар чрующей изображение топограмьы поверхности детали, и помещают его в плоскость изображения данного объектива, сопряженную с плоскостью наводки на контролируемую поверхность 19. Таким образом, .олучают синтезированное йзображение эталонной топограммы, т.е. синтезированное изображение топограммы эталонной поверхности, причем под эталонной поверхностью понимают математически заданную поверхность сложного профиля, соответствующую расчетному уравнению контролируемой поверхности или иной выбранной поверхности сравнения (ступен-. чатая поверхность). Синтезированное изображение выполняется, например, в виде транспаранта, т.е. системы непрозрачных полос на прозрачной подложке.

Транспарант 9 должен иметь под-. вижки в трех взаимно перпендикулярных направлениях для точного сопряжения двух изображений топограмм (детали и эталона), ри котором будет наблюдаться максимальный контраст муаровых полос, а также для того, чтобы совместить края двух изображений..Естественно, размер синтезированного изображения на транспаранте 9 должен быть ранен . размеру изображения, которое форм руется объективом системы 2. Это достигается в процессе синтеза транспаранта 9 с учетом масштаба изображения, даваемого объективом системы 2 °

Для того, чтобы наблюдать интерференционные полосы на всей контролируемой поверхности 19 (в случае осесимметричных поверхностей это.половина меридионального се» чения с небольшим переходом:;за вершину поверхности точки О) или

:проектировать их с помощью оптической системы, необходимо увеличить разрешающую способность системы 2 и.ориентировать эту систему,2 в направлении, близком.к направлению нормали к .средней зоне меридионального сечения контролируемой поверхности 19, при этом, по возможности, стараясь приблизить это направление к нормали. участка поверх065683 ности с максимальной пространственной частотой интерференционных полос.

Таким образом, в описываемом способе система 2, формирующая изображение топограммы контролируемой поверхности детали, и ннтерференцнонное поле в виде ряда зквидистантных плоскостей ориентируются под расчетными углами г и р о но10 сительно оси симметрии контролируемой поверхности 19, совпадающей с осью вращения ее на шпинделе 10 станка. Прн этом оптическая ось указанной системы 2 пересекает ось

35 симметрии детали 18 в заданной точке С.,Для произведения контроля необходимо установить транспарант 9, являющийся синтезированным изображением эталонной топограммы, в плоскости изображения развернутой на угол ) системы 2,совместив реперные отметки на транспаранте 9 н на изображении топограммы. Liar полученных муаровых полос измеряется в прохо вящем свете сканирующим однокоординатным устройством (не показано), установленным за плоскостью изображения системы 2.

Описанный способ позволяет конт-, ролировать отклонение формы осеснмметрнчных асферических поверхностей высшего порядка с точностью 2-5" в угловой мере и обеспечивает повышение производительности.

Ввиду принятой системы ориентации основных компонентов принципиальной схемы, реализующей способ, получаемая муаровая каргина является однозначной без ориентации контролируемой поверхности по трем баэо40 вым точкам. Осесимметричкость указанной поверхности позволяет контролировать отклонения формы в. различных меридиональных сечениях при постоянной установке транспаранта

45 изображения эталонной топограмьЫ.

При этом наблюдение муа1-эвой картины и измерение шага муаровых полос производятся в реальном времени.

Для определения отклонения формы в

50 выбранной зоне асферической поверхности достаточно измерить шаг соответствующей муаровой полосы без необходимости определения местоположения данной полосы огяоснтельно начала координат.

Изобретение позволяет с высокой точностью н производительностью осуществлять контроль отклонения форьы осесимметричных асферических поверхностей в процессе их формообразования без съема деталей со шпинделя станка.

1065683

Составитель Л. Лобзова

Редактор Р.Цицика Техред С. Иигунова Корректор Л.Патай

Закаэ 11028/41 Тирам 593 Подписное

ВНКИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий.

113035, Яосква, %-35, Рауюская наб., д. 4/5

Филиал ЩЗП Патент, г. Умгород, ул. Проектная, 4