Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров

 

Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроэвм для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП. Цель изобрете(ния -расширение диапазона контролируемых объектов. При этом пучок лучей oj источника 1 света, пройдя коллиматор 2, вводится внутрь измеряемого отверстия и там с помощью клинообразного зеркала светоделителя ,3 расщепляется на два пучка. Эти пучки света далее рассеиваются поверхностью контролируемой детали (отверстия) 11. Рассеянный свет собирается линзами 4 и 5 на поверхности двух зеркал 6 и 7 и отражается ими на^ позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности. Сигналы от фотоприемника через усилитель 9 попадают в блок 10 обработки. По расстоянию между максимумами освещенности в двух распределениях определяется размер отверстия. Вычисление координаты максимума освещенности выполняется на микроЭВМ, 1 з.п.ф-лы, 3 ил.с; •fefOVI VIел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

Республик (19) (11) (51)5 G 01 В 11/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬ :ТВУ

Ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4781440/28 (22) 12.01.90 (46) 15.02.92, Бюл. М 6 (71) Московский станкоинструментальный институт (72) Г.С.Бирюков, П.Н.Емельянов и Е.П.Михальченко (53) 531.717.12 (088.8) (56) Коломийцев Ю.В. Интерферометры,—

Л;: Машиностроение, 1977, с. 175. (54) ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ . (57) Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП, Цель изобрете (ия— расширение диапазона контролируемых объектов. При этом пучок лучей от источника

1 света, пройдя коллиматор 2, вводится внутрь измеряемого отверстия и там с помощью клинообразного зеркала светоделителя,3 расщепляется на два пучка. Эти пучки света далее рассеиваются поверхностью контролируемой детали (отверстия) 11.

Рассеянный свет собирается линзами 4 и 5 на поверхности двух зеркал 6 и 7 и отражается ими на позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности. Сигналы от фотоприемника через усилитель 9 попадают в блок 10 обработки. Ilo расстоянию между максимумами освещенности в двух распре.делениях определяется размер отверстия, Вычисление координаты максимума освещенности выполняется на микроЭВМ.

1 з.п,ф-лы, 3 ил.

1712775

15

40

Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП.

Известно оптическое устройство для бесконтактного измерения линейных размеров, например толщины изделия, с использованием двух световых лучей, падающих на поверхность исследуемого объекта под определенным углом 0. Лучи создают на поверхности объекта два освещенных пятна, расстояние между которыми зависит от удаления головки измерительного датчика от поверхности исследуемого объекта.

Расстояние S и смещение 0 исследуемой поверхности относительно ее номинального положения связаны следующим выражением

S =2D/tg 0, где 0 — угол наклрна светового луча к исследуемой поверхности.

При изменении положения поверхности объекта световые пятна сближаются или удаляются в зависимости от того, удаляется или приближается поверхность по отношения к головке датчика. В головке датчика измерителя имеется система линз и оптическое сканирующее устройство, которое при обзоре поверхности вырабатывает два импульса с интервалом времени, соответствующим времени последовател ьного сканирования световых, пятен. В таком случае временной интервал между импульсами пропорционален расстоянию между пятнами и в соответствии с приведенной формулой является мерой линейного смещения, Устройство может быть автоматизировано и использоваться в ГАП.

его недостатком является узкая функциональная возможность для целей измерения внутренних размеров, Измеряемое отверстие должно иметь размеры, превышающие габариты устройства вместе с источником лазерного излучения, которое целиком должно размещаться внутри измеряемого отверстия. Измерения проводятся в одноточечной схеме, поэтому искомый размер определяют как замыкающее звено измерительной размерной цепи, Обеспечение дополнительных точек контакта на измеряемой поверхности затруднено для тонкостенных деталей и деталей, изготовленных из мягких материалов.

Известно другое оптическое устройство — интерференционный нутромер для бесконтактных относительных измерений диаметров отверстий. Пучки лучей подают на противоположные стенки измеряемого отверстия, затем, отразившись от них, идут обратно по прежним направлениям и интерферируют с пучками, прошедшими через опорное плечо интерферометра, В результате в поле зрения окуляра образуются две системы интерференционных полос, по величине смещения которых судят об изменении диаметра измеряемого отверстия, К недостаткам данной методики можно отнести возможность измерений диаметров отверстий только с зеркально отражающими поверхностями, т,е. шероховатостью не более 0,04 мкм по параметру Ra. В противном случае происходит диффузное оассеяние световых пусков при их отражении от поверхности и образование интерференционных полос становится невозможным.

Невозможность автоматизации данного устройства, а также его повышение чувствительности к температурным колебаниям и другим внешним воздействиям резко orраничивают его применимость в ГАП.

Цель изобретения — расширение диапазона контролируемых объектов за счет измерения отверстий с шероховатой поверхностью.

Указанная цель достигается тем, что в. устройство, содержащее последовательно установленные в оптически связанные 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 дина, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало BbllloRMBHO с внутренним углом 0, определяемым неравенство 90 < О < 180, Зеркала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника излучения.

Устройство позволяет проводить измерение линейных внутренних размеров отверстий как с зеркальными, так и диффузно отражающими поверхностями, включая также легко деформируемые детали (тонкостенные или выполненные из мягких материалов). Устройство используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ, и легко может быть включено в состав ГАП.

На фиг. 1 изображено устройство, принципиальная схема, на фиг, 2 — график рас1712775 пределения освещенности на площадке фотоприемника; на фиг. 3 — ход лучей в оптической системе при различных размерах контролируемого отверстия.

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

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от лазерного источника

1 проходит коллимирующую оптическую си- 15 стему 2, светоделителем 3 расщепляется на два пучка, которые подают на поверхность измеряемого отверстия 11 в двух противо-. положных точках.

Рассеянные поверхностью отверстия 20 световые пучки проходят через фокусирую-щие линзы 4 и 5 и, отражаясь от граней зеркал 6 и 7, попадают на позиционно-чувствительный фатоприемник 8 в виде двух. отдельных распределений освещенности 25 (фиг. 2}. Электрические сигналы от позиционно-чувствительного фотоприемника усиливаются, преобразуются в цифровую форму. Дальнейшая обработка сигналовзаключается в вычислении координаты 30 максимума освещенности каждого из двух полученных распределений освещенности.

Разность координат пропорциональная внутреннему размеру измеряемого отверстия. 35

Значения выходных электрических сигналов зависят не только от интенсивности засветки той или иной ячейки (элемента) позиционно-чувствительного фотоприем-, ника, но и случайным образом от статиче- 40 ского разброса значений чувствительности к освещенности отдельных ячеек. Поэтому имеется вероятность смещения максимума сигнала по адресам ячеек по отношению.к его истинному значению, которое соответствовало бы наибольшей освещенности.

Это в конечном счете приводит к погрешности определения внутреннего размера отверстия изделия, так как он фиксирует по разности координат размещения ячеек, дающих максимальный сигнал в обоих рас50 пределениях, Точность отсчета координат может быть существенно повышена путем ного участка позиционно-чувствительного фотоприемника. Программируется вычисление на ЭВМ координаты центра тяжести линейки, состоящей из чувствительных эле- ментов фотоприемника, причем вместо соответствующей абра ботки на Э В М выходных сигналов всех ячеек в пределах засвечен- 55 масс элементов используют значения электрических сигналов, пропорциональных освещенности, Алгоритм вычисления координаты центра имеет вид

ХХ; Е

ZE) где Š— значение сигнала засвеченного элемента матрицы позиционно-чувствительного фотоприемника;

Х вЂ” координата засвеченного элемента.

Вычисленная таким образом координата лучшим образом соответствует максимуму функции распределения освещенности, чем координата ячейки с максимальным сигналом. Увеличивается также разрешающая способность позиционно-чувствительного фотоприемника, которая ранее определялась размерами его отдельного элемента.

Теперь при описанной системе обработки ее результат может представлять собой дробное число, что соответствует положению максимума освещенности светового пятна между двух элементов, которое нельзя было зафиксировать раньше.

Поскольку устройство реализует двухточечную схему измерения, то совмещение линии измерения с измеряемым диаметром в общем случае производится известным способом, при котором измерительная головка перемещается в соответствующих плоскостях до получения экстремальных значений измеряемого размера, Для определения граничных значений внутреннего угла клинообразного зеркала светаделителя 3; а также угла наклона зеркал 6 и 7 принимается условие, чтобы отраженный луч Л выходил параллельно подающему лучу Л и внутренней поверхности измеряемого отверстия (B случае круглого отверстия параллельно образующей цилиндра) (фиг, 3). Положение зеркала 7 характеризуется углом наклона у его грани па отношению к зеркалу светаделителя 3, При этом исходным параметром считается угол наклона а грани зеркала светаделителя 3 па отношению к поверхности П.

Угол а в эксплуатации устройства должен составлять более 45 и менее 90, т.е, находится в интервале45 — 90, а внутренний угол О зеркала светоделителя 3 — соответственна в интервале значений 180 > О > 90 .

B противном случае, например при меньших значениях углов а и О, луч OD перемещается от вертикали влево и, отразившись ат поверхности П, не попадает на зеркало 7.

1712775

50

Угол между направлениями падающего ! и отраженного лучей в точке О (угол отклонения) а = 180 — 2P; С другой стороны, угол в, как внутренний между параллелями Л и

П и пересечением DO, является дополни1 тельным до 180 к углу 180 — 2 а, т.е. а =

=2 а. Приравнивая эти выражения одного и того же угла со, получим P = 90 — а.. Тогда внутренний угол- между зеркалами 6 и 7 равен y = 2 P = 180 -2 а = 180 — О, так как

2а= О.

В треугольнике АВС имеем для суммы. углов (180 - y)+(180 a)+/=180 После подстановки в последнее равенство полученного выражения для угла Р.имеем у=

=270 — 2 а, или y= 270 — 0, При уменьшении угла у и следовательно угла ц, отраженный от зеркала светоделителя 3 луч поворачивается в сторону от оси отверстия к его стенке.

Предельно допустимое уменьшение угла у и следовательно угла g, по сравнению с полученными равенствами для этих углов, определяется размером измеряемого отверстия, При неограниченном уменьшении

1 углов 1 и отраженный луч Л не выйдет из отверстия и будет срезан его кромкой.

При увеличении размера измеряемого отверстия (фиг. 3, новое положение нижней стенки увеличенного отверстия П обозначе) но штриховой линией) луч 0 О, отразившись от П, не попадает на зеркало 7 независимо от значения угла у . B таком случае для расширения пределов измерения рекомендуется перемещать, например с помощью микровинта, зеркало 7 вдоль оси головки в новое положение 7 (обозначено штриховой линией).

Устройство позволяет бесконтактным оптическим способом, используя двухточечную схему, проводить автоматические измерения линейных внутренних размеров сквозных и глухих отверстий как с зеркальными, так и диффузно отражающими поверхностями, включая также легко деформируемые детали (тонкостенные или

5 выполненные из мягких материалов), Не требуется высокая стабильность источника излучения, поскольку практически важна фиксация ячейки фотоприемника, имеющей относительный максимум освещенности по

10 сравнению с другими ячейками, Устройство используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ, и легко может быть включено в состав ГАП.

Формула изобретения

1, Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров, содержащее последовательно установленные и оптиче20 ски связанные источник света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по

25 одной в каждом пучке, и регистратор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых объектов, оно снабжено двумя зеркалами, установленными по одному по ходу, пучков

30 света после соответствующих фокусирующих линз, регистратор выполнен в виде позиционноо-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом 0, определяемым неравенст35 вом 90 < 8< 180 .

2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых линейных размеров, зер40 кала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника света, 1712775

1 Составитель М. Минин

Редактор М. Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор Л, Бескид

Заказ 528 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбйнат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101