Оптико-электронное устройство измерения размеров изделий

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано , в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках и при формировании изделий с помощью пластической деформации . Цель изобретения - измерение размеров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках. При вращении сканатора в виде дискообразного оптического двугранного клина с одинаковыми углами Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано , в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках. Известно устройство контроля размеров изделий, в котором сканатором является вращающееся зеркало и используется параллельный световой пучок лазера для сканирования в пространстве установки контролируемого изделия. Оптический тракт содержит основной объектив, форминаклона граней к его плоскому основанию, установленного перпендикулярно к оси вращения изделия, параллельные оптической оси объективов и сдвинута от нее на половину радиуса диска относительно оси вращения изделия. Световое пятно за один его полуоборот совершает движение по полукругу . Если обрабатываемое изделие имеет номинальный диаметр, то полуокружность загораживается изделием в течение половины периода сканирования и возникают им.- пульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр . Если изделие имеет больший диаметр, то в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. Некоторое различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измерения электронным блоком и измерителями, поскольку время измерений существенно превышает Т. Это же обстоятельство приводит к усреднению выходного сигнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом. 1 ил. рующий параллельный световой пучок и приемный объектив, направляющий лучи в фотоприемник. В процессе вращения зеркала узкий пучок света перемещается параллельно самому себе. Контролируемое изделие при этом периодически экранирует свет от попадания через второй объектив в фотоприемник. Счетчик подсчитывает число импульсов высокочастотного заполнения во время перемещения пучка света вдоль объекта измерений . Подсчет начинается с момента, когда лучи проходят над первым концом объекта, (Л С 2 XI 00 v« о

союз советских . социАлистических

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4871126/28 (22) 10,07.90 (46) 15.07.92. Бюл, ¹ 26 (71) Научно-исследовательский институт приклаДной математики.и кибернетики при

Горьковском государственном университете им. H.È.Ëîáà÷åâñêîãî (72) Л.С.Привер (53) 531.717(088,8) (56) Патент США № 4648718, кл. 6 01 В

11/08, 1987. (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТ

ВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках и при формировании изделий с помощью пластической деформации. Цель изобретения — измерение размеров изделий, вращэемых в процессе обработки на станках. При вращении сканатора в виде дискообразного оптического двугранного клина с одинаковыми углами

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках.

Известно устройство контроля размеров изделий, в котором сканатором является вращающееся зеркало и используется параллельный световой пучок лазера для сканирования в пространстве установки контролируемого изделия. Оптический тракт содержит основной объектив, форми„„SU, 1747876 А1 (5!)5 6 01 В 11/02

Щ .=, @

1 i0j 3 наклона граней к его плоскому основанию, установленного перпендикулярно к оси вращения изделия, параллельные оптической оси объективов и сдвинута от нее на половину радиуса диска относительно оси вращения иэделия. Световое пятно за один его полуоборот совершает движение по полукругу. Если обрабатываемое изделие имеет номинальный диаметр, то полуокружность загораживается изделиЕм в течение половины периода сканирования и возникают им; пульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр. Если изделие имеет больший диаметр, то в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. Некоторое различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измере- . ния электронным блоком и измерителями, поскольку время измерений существенно превышает Т. Это же обстоятельство приводит к усреднению выходного сйгнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом. 1 ил, 09 рующий параллельный световой пучок и приемный объектив, направляющий лучи в О" фотоприемник. В процессе вращения зеркала узкий пучок света перемещается параллельно самому себе. Контролируемое д изделие при этом периодически экранирует свет от попадания через второй объектив в фотоприемник.

Счетчик подсчитывает число импульсов высокочастотного заполнения во время перемещения пучка света вдоль объекта измерений. Подсчет начинается с момента, когда лучи проходят над первым концом объекта, 1747876 кЪ и кончается, если сигнал указывает на другой конец объекта. Устройство содержит также схему прекращения счета при наличии ложных сигналов, Для прототипа, а также других известных устройств контроля размеров иэделий путем сканирования с помощью узкого параллельного луча с прохождением обоих краев изделия, т.е, с размахом сканирования, превышающем его поперечные размеры, характерны следующие недостатки. При этом световой диаметр линз объективов должен превышать поперечные размеры контролируемых иэделий, что практически исключает воэможность его применения для крупных изделий, Так как сканирование происходит с помощью узкого пучка лазерных лучей, желательно с целью повышения точности измерений сделать этот пучок как можно более узким. Однако этому препятствует наличие естественной угловой расходимости параллельных лучей, которая обратно пропорциональная поперечному

1 диаметру пучка d (Лp = ). Поэтому ширина пучка должна существенно превышать длину световой волны А, С целью измерения размеров иэделий, вращаемых в процессе обработки на станках, а также устранения укаэанных выше недостатков аналогов в изобретении осуществляется принцип слежения эа размерами изделия с одного его края с применением специального сканатора. Устройство содержит источник света и последовательно установленные вдоль его оптической оси диафрагму, сканатор, два объектива, фото приемник и электронный блок преобразования информации. Положительный эффект достигается путем выполнения сканатора в виде дискообразного двухгранного оптического клина с одинаковыми углами наклона граней к его основанию. Ось вращения клина перпендикулярна к оси вращения.изделия и сдвинута от нее на половину радиуса диска. Точка образования изображения отверстия диафрагмы первым объективом сопряжена через второй объектив с поверхностью фотоприемника и расположена с противоположной стороны от точки прикосновения инструмента и иэделия, На чертеже показана схема оптического тракта устройства применительно к обработке цилиндрической детали в тот момент, когда достигнут требуемых размер детали.

В состав устройства. помещенного в корпус, связанный со станиной и допускающий поперечное его перемещение, входят источник света 1, диафрагма с малым отверстием 2, дискообразнйй двухгранный клин

55 с приводом вращения (двигатель не пока- . зан),обрабатываемая цилиндрическая деталь 4, основной 5 и вспомогательный 6 объективы, фотодиод 7, Объектив 5 при отсутствии клина 3 создает иэображение освещенного отверстия диафрагмы 2 в точке О, являющейся пересе- . чением образующей АВ цилиндра 4, соответствующего требуемому размеру обрабатываемого изделия, с оптической осью объективов 5 и 6, Объектив 6 создает иэображение точки 0 на поверхности фотодиода 7, Линия CD, совпадающая с осью вращения клина 3, пересекает образующую

А8 в точке F. Светодиод 1 установлен над серединой одной половины клина, К фотодиоду 7 подключен вход электронного блока, содержащего последовательно соединенные усилитель, компаратор, диф-. ференцирующие. цепочки, соединенные с разными входами нечетного триггера.

Устройство функционирует следующим обр".зом.

В результате вращения клина 3 световое пятно за один его полуоборот совершает движение по траектории (полукругу) 8, а затем это движение повторяется в том же направлении с частотой, превышающей в два раза частоту вращения клина. Если обрабатываемое изделие 4 имеет диаметр, указанный на чертеже, то полуокружность 8 загораживается изделием в течение половини периода сканирования T(T = ). В

ТВ ащ

2 фотодиоде 7, на поверхности которого фокусируется изображение светового пятна, движущегося по траектории 8, возникают импульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр (на выходе триггера), с постоянной составляющей, равной нулю, т.е, с одинаковой длительностью положительных и отрицательных импульсов(t> =т ). Если изделие имеет больший диаметр, чем указанный на рисунке, то ri ) т2 и в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. В противоположном случае знак постоянной составляющей меняется на противоположный. Выделение этого аналогового сигнала осуществляется с помощью фильтра нижних частот, содержащегося в электронном блоке устройства. Ь)ожно также измерять цифровым способом непосредственно длительности импульсов и t> и т . Тогда, как это можно показать с помощью решения соответствующей геометрической задачи, отклонение от номинального размера изделия Х можно найти с помощью выражения

1747876 х — х з!п — (1 — — ), T — 11+A, к 2к (1) или в линейном приближении

-, (1 — — Т). (2) где х — радиус окружности сканирования.

Справедливость выражения (1) видна из

Т

Toro,uTo при t =tz = 2, x=0, u npvti

x>, х.- x>, r> = Т х= -хо. Таким образом, предельная зона обзора устройства составляет+ х> реальная — f — х, а ее линейный

2 участок согласно (2) - 1 0,1 х<> (в зависимости от требуемой точности шкалы). Поскольку х> может составлять несколько миллиметров, данное устройство допускает возможность заведомо уменьшить скорость обработки по мере приближения к номинальному размеру (при точении и шлифовании), а.также производить переналадку в пределах нескольких миллиметров изменения размеров без перемещения корпуса всего измерителя, размещенного на станине. Иэ выражений (1) и (2) видно, что измеряемая величина зависит только от

Т1 отношения Т которое не зависит от скорости вращения, а также от х определяемого геометрией оптического тракта и наклоном углов клина. Некоторое различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измерения электронным блоком и измерителями r> и rz поскольку время измерений существенно превышает Т. Это обстоятельство приводит к усреднению выходного сигнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом, .Таким образом, отказ от принципа сканирования параллельным пучком света всеro поперечного размера изделия и введение в качестве сканатора двухгранного клина дает следующий положительный эффект. — позволяет проводить измерения в

5 процессе обработки вращаемых иэделий; . — введение двухгранного вращающегося клина допускает высокую скорость сканирования (удвоение по сравнению со скоростью двигателя привода), что приво10 дит к повышению точности измерений из-за лучшего усреднения показаний.

Ожидаемая точность измерений, проверенная на макетах устройства, составляет

+0,1-+1 мкм.

Формула изобретения

Оптико-электронное устройство измерения размеров изделий, содержащее корпус и размещенные в нем источник света и

20 последовательно установленные вдоль его оптической оси диафрагму, сканатор, объектив, второй объектив. фотоприемник и электронный блок преобразования, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью измерения раэме25 ров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках, корпус установлен на станине станка с возможностью перемещения, сканатор выполнен в виде дискообраэ. ного оптического двугранного клина с

30 одинаковыми углами наклона граней к его плоскому основанию, установленного так, что его ось вращения перпендикулярна к оси вращения изделия, параллельна оптической оси объективов и сдвинута от нее на

35 половину радиуса диска относительно оси вращения изделия, а точка образования изображения отверстия диафрагмы первым объективом оптически сопряжена через второй объектив с поверхностью фотоприемни40 ка и расположена с противоположной стороны от точки соприкосновения обрабатывающего инструмента и изделия, 1747876

Составитель В.Климова

Техред М.Моргентал Корректор H.påâñêàÿ

Редактор В.Трубченко

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

Заказ 2492 ТираЖ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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