Оптико-электронное устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет упрощения закона движения оптического датчика. Устройство состоит из узла 1 10 базирования контролируемой детали, оптического датчика, состоящего из автоколлиматора 2, коллиматора 3 и фоторе гистрирующего блока 4, платформы 5. Оптический датчик установлен на платформе 5, которая выполнена с возможностью перемещения вдоль оси автоколлиматора 2, вертикального и горизонтального перемещения и вращения вокруг оси, расположенной между узлом 1 и оптическим датчиком перпендикулярно плоскости осей автоколлиматора 2, коллиматора 3 и блока 4. Расположение оси вращения между узлом 1 и оптическим датчиком позволяет упростить закон движения платформы 5 в процессе измерения. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. о 8 (Л о со tsD 05 Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (д)g С 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4429617/28 (22) 24.05.88 (46) 28.02.91. Бюл. М - 8 (72) Е.А.Шишлов, Э.Д. Панков, Э.А.Антонов и Т.Ç.Сумарокова (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1311361, кл. G 01 В 21/00, 1985. (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ

ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности за счет упрощения закона движения оптического датчика. Устройство состоит из узла

2 базирования контролируемой детали, оптического датчика, состоящего из автоколлиматора 2, коллиматора 3 и фоторегистрирующего блока 4, платформы 5.

Оптический датчик установлен на платформе 5, которая выполнена с возможностью перемещения вдоль оси автоколлиматора 2, вертикального и горизонтального перемещения и вращения вокруг оси, расположенной между узлом 1 и оптическим датчиком перпендикулярно плоскости осей автоколлиматора 2, коллиматора 3 и блока 4 ° Расположение оси вращения между узлом 1 и оптическим датчиком позволяет упростить закон движения платформы 5 в процессе измерения. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1631267

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля поверхностей оптических деталей.

Цель изобретения — повышение точности за счет упрощения закона движения оптического датчика.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема устройства; на фиг. 2 схема подключения к вычислительному блоку элементов устройства; на фиг.3— оптическая схема оптического датчика; на фиг. 4 — схема передвижения оптического датчика в процессе измерения.

Устройство состоит из узла 1 базирования контролируемой детали оптического датчика, состоящего из автоколлиматора 2, коллиматора 3 и фоторегистрирующего блока 4, платформы 5, на которой расположен оптический датчик, механизма линейного перемещения оптического датчика вдоль оси автоколлиматора, механически свя- 25 занного с платформой 5 и состоящего из электропривода 6, датчика 7 линейных перемещений, ходового винта 8, подшипников 9, жестко установленных на платформе 5, причем цапфы винта 8 установлены в подшипниках 9, и ходовой гайки 10, платформы 11, гайка 10 жестко связана с платформой 11, а платформа 5 установлена с возможностью перемещения вдоль направляющих платформы 11, параллельных оси автоколлиматора 2, платформы 12 с подшипниками 13 и 14 вращения, механически связанными с платформой 5, датчика 15 угла поворота, и электропривода 16, 40 платформа 11 установлена в подшипниках 13 с возможностью вращения вокруг оси подшипников 13, перпендикулярной плоскости осей автоколлиматора 2, коллиматора 3 и фоторегистрирующего 45 блока 4 и проходящей перед оптическим датчиком со стороны базирующего узла 1, платформы 17 с подшипниками

18 и 19 вращения, механизма горизонтального смещения, состоящего из ходового винта 20, цапфы которого за50 креплены в подшипниках 18 и 19, ходовой гайки 21, механически связанной с винтом 20 и закрепленной на платформе 12, и механически связанных с винтом 20 электропривода 22 и

55 датчика 23, платформа 12 установлена с возможностью горизонтального перемещения в плоскости осей автоколлиматора 2, коллиматора 3 и блока. 4 относительно платформы 17, механизма вертикального смещения, состоящего из неподвижно установленных подшипников 24 и 25 вращения, ходового винта 26, цапфы которого закреплены в подшипниках 24 и 25, ходовой гайки

27, механически связанной с винтом 26 и закрепленной на платформе .17, и механически связанных с винтом 26 электропривода 28 и датчика 29, вычислительного блока 30, выходы которого подключены к входам электроприводов

6,16,22 и 28 соответственно, узкополосных усилителей 31 и 32, входы блока 30 подключены к выходам усилителей 31 и 32 и датчиков 7,15,23 и 29 соответственно, входы усилителей 31 и 32 подключены к выходам автоколлиматора 2 и блока 4 соответственно.

Автоколлиматор 2 выполнен в виде оптически связанных источника 33 излучения, конденсатора 34, диафрагмы

35, светоделителя 36 и объектива 37 и фотоприемной схемы, выполненной в виде оптически связанных с объективом 37 через светоделитель 36 светоделителя кубика 38 и выпуклого зеркала 39, оптически связанных с зеркалом 39 через светоделитель 38 объектива 40 и координатно-чувствительного фотоприемника 41, выход которого является выходом автоколлиматора 2.

Коллиматор 3 выполнен в виде оптически связанных источника 42, конденсора 43, диафрагмы 44 и объектива 45.

Фоторегистрирующий блок 4 выполнен в виде оптически связанных объектива 46 и фотоприемной схемы, выполненной в виде оптически связанных светоделителя 47 и выпуклого зеркала

48 и оптически связанных с зеркалом

48 через светоделитель 47 объектива

49 и координатно-чувствительного фотоприемника 50, выход которого является выходом блока 4, Оптические оси объективов 37,45 и 46 лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке.

Устройство работает следующим образом.

Измерение профиля контролируемой поверхности устройством сводится к зондированию контролируемой поверхности детали 51 световыми лучами автоколлиматора 2 и коллиматора 3, пространственному отслеживанию этих лу16312 чей с целью о пределе ния положения нормалей к контролируемой поверхности в ряде ее точек, а также координат этих точек и происходит следующим образом. Перед началом измерений устройство приводится в исходное состояние, при котором оптическая ось автоколлиматора 2 ориентирована вертикально и параллельно оптической оси детали 51, а точка пересечения оптических осей лежит на оси вращения платформы 11. Путем подвижек детали

51 поперек ее оптической оси по двум взаимно перпендикулярным направлениям добиваются совпадения оптической оси автоколлиматора 2 с оптической осью или, что то же самое, с нормалью к контролируемой поверхности в ее вершинной точке А, о чем судят по ну- 20 левому сигналу на выходе фотоприемника 41, Далее осуществляют движение оптического датчика вдоль найденной нормали до совпадения точки пересечения оптических осей с вершинной точ- 25 кой А контролируемой поверхности.

Точка А принимается за начало координат прямоугольной системы координат, ось абсцисс которой совпадает с оптической осью детали 51. Координаты 30 точки А Х„= О, Y = О.

После отыскания вершинной точки А устройство переводят в автоматический режим. По команде с вычислительного блока 30 платформа 17 перемещается, а вместе с ней оптический датчик перемещается вдоль оси абсцисс на фиксированную величину Д Х, платформа

12 перемещается вдоль оси ординат на фиксированную величину ДУ в резуль- 40 тате точка пересечения оптических осей, а следовательно, и ось вращения платформы 12 окажется последовательно в положениях А» А, а оптическая ось автоколлиматора займет положение !

N>A . Величины перемешения ЬХ и 6У фиксируются датчиками 23 и 29, Затем поступает команда вычислительного блока 30 электроприводу 16 на разворот платформы 11, а следовательно, оптического датчика, вокруг точки А на некоторый угол (< go момента совпаде ния оси автоколлиматора 2 с нормалью к контролируемой поверхности в некоторой точке В, о чем судят по нулево55 му сигналу на выходе фотоприемника 41.

Величина угла поворота 0(,оптического датчика, а следовательно, автоколлиматора 2 фиксируется датчиком 15 и

Х1 = а Х вЂ” AN, cosN (2) Y< = ДУ + ДМ, sinN

Нулевой сигнал с выхода фотоприемника 50 обуславливает выработку вычислительным блоком 30 группы последовательных управляющих сигналов с целью зондирования следующей точки С контролируемой поверхности. В результате оптический датчик перемещается вдоль осей абсцисс и ординат на величины соответственно Д Х и ДУ. При этом ось вращения платформы 11 займет последовательно положения By, B точка пересечения оптических осей окажется в точке В, а ось автоколлиматора 2

t сместится. параллельно нормали N> в положение ИвВ . Далее вычислительный блок 30 выдает команду электроприводу

16 на разворот платформы 11 и оптического датчика вокруг оси, находящейся в положении В, на некоторый угол до совпадения оптической оси ав2 токоллиматора 2 с нормалью N в некоторой точке С контролируемой поверхности, о чем судят по нулевому сигналу с фотоприемника 41. Причем точка пересечения оптических осей окажется в положении В". Нулевой сигнал с фотоприемника 41 поступает в вычислительный блок 30, который выдает очередной управляющий сигнал электроприводу 6 на перемещение оптического датчика вдоль нормали И на величину ЬМ2 до совпадения точки пересечения оптических осей с контролируемой поверхностью в точке С, о чем свидетельствует нулевой сигнал с фотоприемника 50. Величины всех пере67 6 поступает в вычислительный блок 30.

Нулевой сигнал с выхода фотоприемника 41 также поступает в вычислительный блок, что обуславливает его команду электроприводу 6 на перемещение оптического датчика вдоль оси автоколлиматора 2 на величину ДИ, до момента совпадения точки пересечения оптических осей с контролируемой поверхностью детали 5 1 в точке В, о чем судят по нулевому сигналу с выхода фотоприемника 50, поступающему на вход вычислительного блока 30. Процесс зондирования точки В завершен.

Для расчета координат точки В имеем

ААy = AX, А А = hY, - лА в =

А В = hN . Координаты Х и Y точки В рассчитываются в вычислительном блоке по формулам

1631267 мещений оптического датчика и угла поворота (М через соответствующие датчики 7,15,23,29 поступают в вычислительный блок 30, в котором с учетом того, что А В((= ЙХ, B((B>=tlY, Н В Ис=

=ф„  — BP — 5N(, В " C = b,И, В С = АН(+ 6 И, рассчитываются координаты Х и У< точки С в соответствии с выражениями

10 (3) (4) Х< = 2ДХ-(М (+5N<)cos(Ф(+g<);

У, = га+(ЬМ,+И,) з n(y,+Æ,).

После завершения зондирования точки С вычислительный блок 30 выдает очеред- 15 ные группы управляющих команд на зондирование ряда других точек контролируемой поверхности D, Е, F. При этом перемещения оптического датчика и их последовательность относительно 20 контролируемой поверхности аналогичны описанным.

Для расчета координат точки D

I еем ВЭСМ = ДХ, Схс7=6У, СNсСунл=4, С С = С с = В)С = $N(+ДИ, С D

= QN» C D = AN (+ QN — ДН, Координаты Х и У точки D рассчитываются по формулам

3ДХ ($N(+5N )N))cos($(+ За

+ М2+Мз) 3

У, =3ДУ+(И(+Д,-И, sin(OC(+

+ф. +g ), (6)

Для расчета координаты точки Е имеем C DZ = АХ, D>D =QY,ñN Рх% =(((4, = DgD =С(Р =Щ+(1г-(И,, D""Е =

=IN, П„Е = ЕМ,+EN -dNy — dN4.

Координаты Х4 и У4 точки Е рассчи- 40 тываются по формулам (5) Х = 5ДХ-(И<+И -dN -6N4-

-ДИ ) соз {М(+(Zz+(Zg+ 4 Ы ) (9) Х =4ДХ- (ДИ, +М -ДМ -ДН4) сов (М(+

+(2 +Ы9 (4) и (7) У4=4ДУ+(И, +Д М,-ДМ,-ДЫ,) з..п(Ы, + 45

+04+ЫЗ+ Ф4) . (8) Для расчета, координаты точки F, в которой крутизна профиля контролио руемой поверхности равна 90, имеем, Р Е((= ЬХ, Е((Е = ДУ, N E)NF=g

I 50

E F = 6Ng, Е Е = Е Е =Р)Е = ЙИ(+

2 3 б 4 5

Координаты Х и У точки Г рассчитываются по формулам

У = 5ДУ+(И +И -М -И И ) 81п(М(+0(ф3+Кс +Мд) (10)

Или с уче том то го, что 0(+ (((+ 0(4 0(+

+,= 90

Х .= 5 Х (11)

У =.5У+(а и +ДЫ -ДЫ -В -И ) ° . (12)

Анализ выражений (1) - (10) для расчета координат точек В, С, D, Е, F контролируемой поверхности определяет общие формулы для расчета координат любой точки контролируемой поверхности и (Х,„= п ° Q Х - tI,N cos+g о

П Vl

Y(, = n 5.Y +%ANN sinr5 h.

Форму "aизобретения

1. Оптико-электронное устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, выполненную с приводами вращения, вертикального и горизонтального смещения, и датчиками вращения, вертикального и горизонтального смещений, оптический датчик, состоящий из автоколлнматора, выполненного в виде оптически связанных источника излучения, первого светоделителя и первого объектива, и первой фотоприемной схемы, оптически связанной с первым объективом через первый светоделитель, коллиматора и фоторегистрирующего блока, выполненного в виде оптически связанных второго объектива и второй фотоприемной схемы, и установленной на платформе с возможностью перемещения вдоль оптической оси автоколлиматора, оптичес:ие оси автоколлиматора, коллиматора и фоторегистрирующего блока лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения платформы, и пересекаются в одной точке, и вычислительный блок, входы которого подключены к выходам фотоприемных схем и датчиков соответственно, а выходы подключены к входам соответствующих приводов, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, ось вращения платформы расположена перед оптическим датчиком со стороны узла базирования.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что каждая из

1631267

10 фотоприемных схем выполнена в виде оптически связанных дополнительного светоделителя и выпуклого зеркала и о птиче ски свя з анных с выпуклым зе ркалом через дополнительный светоделитель дополнительного объектива и координатно-чувствительного фотоприемника, выход которого является вы5 ходом схемы.

7 1J B gg

163 1 267

Составитель М.Кузнецов

Редактор Н.ШвЬщкая Техред Л.Сердюкова

Корректор Н.Ревская

Заказ 533 Тираж 378 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101