Устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФШ1Я ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, механизм линейного перемещения платформы, датчик линейного перемещения платформы , установленный на платформе оптический датчик,, включающий два осветителя и фоторегистрирующий блок, вычислительный блок, вход которого подключен к выходу датчика линейного перемещения платформы, отличающееся тец, что, с целью повьшения точности и расширения номенклатуры измеряемьк поверхностей, оно снабжено жестко скрепленным с платформой механизмом поворота платформы с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости расположения оптических осей оптического датчика , датчиком угла поворота платформы , выход которого подключен к входу вычислительного блока, механизмом перемещения платформы в плоскости, параллельной плоскости оптических осей оптического датчика, датчиком перемещения, выход которого подключен к входу вьтислительного блока, один из осветителей выполнен в виде фотоэлектрического автоколлиматора и установлен так, что его оптическая ось совпадает с биссектрисой угла, образованного оптическими осями другого осветителя и фоторегистрирующего блока, выход фотоэлектрического автоколлиматора подключен к управляющему входу механизма поворота платформы,выход фоторегистрирующего блока под (Л ключен к управляющему входу механизма перемещения платформы. 2. Устройство по П.1., отличающееся тем, что фотоэлектрический автоколлиматор выполнен в виде объектива, двух светоделительных элементов, фотоприемников, оптически связанных со светоделиро тельными элементами, двух узкопоS лосных усилителей с частотами пропускания fJ и fJ, входы которых 6 подключены к соответствующим фотопри-. емникам, четьфехгранной зеркальной пирамиды, четырех источников светового излучения, расположенных у каждой из боковых граней пирам1ады, двух блоков питания с частотами модуляции f и f2, подключенным к соответствующим источникам светового излучения .

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЦ»ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5»)4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕ»-»И »Й НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3604584/25-28 (22) 10.06.83 (46) 23.10.85. Бюл. »» 39 (72) Е.A. Шишлов, Г.К. Елисеев, Э.Д. Панков, В.В. Рюхин и Э.A. Анто-, нов (53) 531.715.1 (088.8) (56) Патент США »» 4149801, кл. G 01 В 9/02, опублик. 1979.

Патент Франции Р 2448125, кл. С 01 В 11/26, опублик. 1980. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ

ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, механизм линейного перемещения платформы, датчик линейного перемещения платформы, установленный на платформе оптический датчик,, включающий два осветителя и фоторегистрирующий блок, вычислительный блок, вход которого подключен к выходу датчика линейного перемещения платформы, отличающееся те»», что, с целью повышения точности и расширения номенклатуры измеряемых поверхностей, оно снабжено жестко скрепленным с платформой механизмом поворота платформы с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости расположения оптических осей оптического датчика, датчиком угла поворота платформы, выход которого подключен к входу вычислительного блока, механизмом перемещения платформы в плоскости, параллельной плоскости оптических осей оптического датчика, датчиком перемещения, выход которого подключен к входу вычислительного блока, один из осветителей вы" полнен в виде фотоэлектрического автоколлиматора и установлен так, что его оптическая ось совпадает с биссектрисой угла, образованного оптическими осями другого осветителя и фоторегистрирующего блока, выход фотоэлектрического автоколлиматора подключен к управляющему входу механизма поворота платформы,выход фоторегистрирующего блока подключен к управляющему входу механизма перемещения глатформы.

2, Устройство по п.1., о т л ич а ю щ е е с я тем, что фотоэлектрический автоколлиматор выполнен в виде объектива, двух светодели, тельных элементов, фотоприемников, оптически связанных со светоделительными элементами, двух узкополосных усилителей с частотами пропускания f u f, входы которых подключены к соответствующим фотопри-. емникам, четырехгранной зеркальной пирамиды, четырех источников светового излучения, расположенных у каждой из боковых граней пирамиды, двух блоков питания с частотами модуляции,В»

К» и f, подключенным к соответствующим источникам светового излучения»

1186942

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения формы поверхностей оптических деталей. 5

Целью изобретения является повы- . шение точности и расширение номенклатуры измеряемых поверхностей.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 оптическая схема устройства, разрезы

А-А, Б-Б и В-В; на фиг.3 — схема измерения профиля поверхности.

Устройство содержит (фиг.1) узел

1 базирования контролируемой детали, платформу ?, механизм 3 линейного перемещения платформы 2, датчик 4 линейного перемещения платформы 2, установленный на платформе 2 оптический датчик 5, который включает осветитель б, фотоэлектрический автоколлиматор 7 и фоторегистрирующий блок 8, вычислительный блок 9,жестко . скрепленный с платформой 2, механизм 10 поворота платформы 2 вокруг оси, перпендикулярной плоскости оптических осей оптического датчика 5, датчик 11 угла поворота платформы

2, механизм 12 перемещения платформы 2 в плоскости, параллельной 30 оптическим осям оптического датчика, датчик 13 перемещения. Узел 1 базирования контролируемой детали выполнен в виде поперечной 14 и продольной 15 кареток. 35

Фотоэлектрический автоколлиматор

7 расположен на платформе 2 так, что его оптическая ось параллельна направлению перемещения механизма

12 перемещения платформы 2. 40

Фотоэлектрический автоколлиматор

7 (фиг.2) выполнен в виде коллиматорного объектива 16, двух светоделптельных элементов 17 и 18, и четы" рехгранной зеркальной пирамиды 19, 45 верппша которой расположена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 16. У боковых граней четырехгранной зеркальной пирамиды

19 расположены четыре источника 20", 50

23 светового излучения. Фотодиоды 24 и 25 установлены в фокальной плоскости коллиматорного объектива

16 напротив светоделительных граней светоделительных элементов 17 и 18. 55

Два выхода блока 26 питания подключены к соответствующим источникам 20 и 22 светового излучения, что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой fg. Два выхода блока 27 питания подключены к соответствующим источникам 21 и 23 светового излучения, что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой f . Фотодиоды 24 и 25 подключены к входам узкополосных усилителей 28 и 29, настроенных соответственно на частоты f < и fz.

Выходы усилителей 28 и 29 подключены к индикатору 30 а также через ключ

31 к управляющим входам механизма 10 поворота платформы 2. Осветитель 6 выполнен в виде объектива 32, в фокальной плоскости которого расположена вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 33. У противоположных граней четырехгранной зеркальной пирамиды 33 расположены источники

34 и 35 светового излучения. Два выхода блока 36 питания подключены к соответствующим источникам 34 и 35 светового излучения, что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой f>.Ôoòoðåãèñòðèðóþùèé блок 8 выполнен в виде фокусирующего объектива 37, в фокальной плоскости которого расположен фотодиод 38, подключенный к узкополосному усилителю 39. Выход усилителя 39 подключен к индикатору 40, а также через ключ 41 — к управляющему входу механизма 12 перемещения платформы 2.

Входы (фиг ° 1) вычислительного блока 9 подключены к выходам датчика

4 линейного перемещения платформы

2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения. На узел 1 базирования устанавливается измеряемая оптическая деталь 42.

Устройство работает следующим образом (фиг.3). !

В исходном положении измеряемая деталь 42 установлена так, что опти-. ческая ось фотоэлектрического автоколлиматора 7 совпадает с нормалью к поверхности измеряемой детали 42 в точке А (добиваются перемещением поперечной 14 и продольной 15 кареток, при этом показания индикатора нулевые. Затем замыкают ключ 41, при этом механизм 12 перемещения платформы 2 перемещает оптический датчик, установленный на платформе

2, в сторону измеряемой детали 42 до тех пор, пока точка пересечения оптических осей осветителя 6 и фото1186942

1О

30

3 регистрирующего блока 8 не совпадет с поверхностью измеряемой детали 42 в точке А, при этом показания индикатора 40 будут нулевыми, после этого размыкают ключ 41.

Исходное положение устройства показано на фиг.3, при этом координаты XA u YA точки А равны

Х =Н

А

YA - =О» и соответствующие сигналы с выходов датчика 4 линейного перемещения платформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения поступают на входы вычислительного блока 9.

После этого включают механизм 3 линейного перемещения платформы 2, который перемещает оптический датчик 5 вдоль оси (фиг.3) на расстояние у1, а затем его выключают.

Включают ключ 31, при этом механизм 10 поворота платформы 2 поворачивает оптический датчик на угол q z до тех пор, пока нор- о5 маль к измеряемой поверхности детали 42 в точке Я не совпадет с оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7, при этом показания индикатора 30 будут нулевыми, после чего ключ 31 размыкают и включают ключ 41. При этом механизм

12 перемещения платформы 2 перемещает оптический датчик, установленный на платформе 2, в сторону иэме35 ряемой детали 42 до тех пор, пока точка пересечения оптических осей осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8 не совпадет с поверхностью измеряемой детали в точке B npu этом показания индикатора 40 будут нулевыми, после этого размыкают ключ 41.

Координаты точки о (фиг.3) определяются выражением

ХЗ-(Н1 Н ) 5 п Яв цд= ц,-(Н+ыйе)собЦв, и соответствующие сигналы с выходов датчика 4 линейного перемещения платформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения поступают на входы вычислительного блока 9, где 6H — величина отсчета датчика

13 перемещения;

4 у — величина отсчета датчика

4 линейного перемещения платформы 2.

Аналогичным образом определяют координаты точек C u D измеряемой детали 42.

Вычислительный блок 9 в соответ -ствии с сигналами с выхода датчика

4 механизма линейного перемещения платформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения производит вычисление профиля измеряемой поверхности детали 42.

Рассмотрим подробнее работу фотоэлектрического автоколлиматора 7 °

Вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 19 расположена в фокальной плоскости коллиматорного объектива

16, поэтому после коллиматорного объектива 16 будут четыре коллимированных пучка лучей, соответствую- щие источникам 20-23 светового излучения.

Эти пучки лучей после отражения от поверхности измеряемой детали 42 попадают в коллиматорный объектив

16, который после светоделительных элементов 17 и 18 формирует на фотодиодах 24 и 25 два изображения четырехгранной зеркальной пирамиды 19.

Если нормаль к поверхности измеряемой детали 42 совпадает с оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7, то в этом случае изображение четырехгранной зеркальной пирамиды 19 симметрично относительно центров чувствительных площадок фотодиодов 24 и 25. При этом с каждого фотодиода 24 и 25 поступа1от на входы узкополосных усилителей

28 и 29, настроенных соответственно на частоты f u f четыре синусоидальных сигнала, два из которых имеют частоту f1, и сдвиг фаз 180 о а два других — частоту f и сдвиг фаэ 180

При симметричном расположении изображения четырехгранной зеркальной пирамиды 19 амплитуды двух синусоидальных сигналов с частотой

f1 равны и сигнал на выходе узкополосного усилителя 28 равен нулю, также сигнал на выходе уэкополосного усилителя 23 с частотой Е равен нулю.

Отклонение оптической оси фотоэлектрического автоколлиматора 7 от, 1186942 нормали к поверхности измеряемой детали 42 приводит к нарушению симметрии в изображении четырехгранной зеркальной пирамиды 19 на фото- диодах 24 и 25, при этом на выходе узкополосных усилителей 28 и 29 появляются сигналы, пропорциональные углу между оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7 и нормалью к поверхности измеряемой детали 42.

Аналогичным образом работает осветитель б и фоторегистрирующий блок 8. Вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 33 расположена в фокальной плоскости объектива 32, поэтому после объектива 32 будут два коллимированных пучка лучей, соответствующие источникам 34 и 35 светового излучения, подключенным к выходам блока 36 питания.

В случае, когда точка пересечения оптических осей осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8 совпадает с поверхностью измеряемой детали 42, направление отраженного от нее светового пучка будет параллельно оптической оси фоторегистрирующего блока 8, и фокусирующий объектив 37 сформирует на фотодиоде 38 изображение четырехгранной зеркальной пирамиды 33, симметричное относительно центра чувствительной площадки фотодиода 38. При этом

1р с выхода фотодиода 38 поступают на вход узкополосного усилителя 39 два синусоидальных сигнала с частотой f» равные по амплитуде в противофазе, и выходной сигнал с выхода

15 узкополосного усилителя 39 равен нулю.

В остальных случаях симметрия изображения четырхгранной зеркальной пирамиды 33 относительно центра

2р чувствительной площадки фотодиода

38 нарушается и сигнал на выходе узкополосного усилителя 39 будет пропорционален расстоянию от поверхности измеряемой детали 42 до

25 точки пересечения оптических осей осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8.

1186942

21

Фиг. 2

1186942

Тираж 650 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 6533/43

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Составитель А. Заболотский

Редактор Н. Пушненкова Техред Л.Микеш Корректор В. Гирняк