Устройство для бесконтактного измерения профиля деталей

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля деталей. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения . Устройство содержит источник света, коллиматор, первый светоделитель, первый объектив, устройство перемещения детали, второй делитель, два оптико-электронных канала, подключенных через -усилитель-ограничитель к блоку обработки данных и включающих в себя последовательно размещенные объектив, диафрагму и фбтоприемник, причем в одном канале диафрагма установлена перед, а в другом - за фокальной плоскостью объектива. Между коллиматором и первым делителем дополнительно установлен третий делитель, за которым установлен объектив, в фокальной плоскости которого расположено зеркало, закрепленное на вибраторе, подключенном к генератору электрических сигналов, а первый делитель расположен на пути луча, отраженного от зеркала, а затем от третьего делителя . Между третьим делителем и вторым объективом установлен четвертый делитель, за которым расположёны пятый делитель и два оптико-электронных канала, подключенных через усилитель-ограничитель к блоку обработки данных. Вибратор может быть выполнен в виде пьезокерамической пластины , а генератор электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжений. Между вибратором и зеркалом может быть расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком обработки данных. Противоположная по отношению к объективу поверхность зеркала может находиться в одном из плеч интерферометра Майкельсона, который соединен с блоком обработки данных. 3 ил. « (5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 В 21/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И данных. 3 ил.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. 1. (21) 4870142/28 (22) 01. 10.90 (46} 23.02,93, Бюл. Fk 7 (71) Саратовский филиал Института машиноведения им, А.А.Благонравова (72} В.Б.Бирман, А.В.Захаров, В.А.Седельников и О.А,Перепелицынз (56) Патент США М 4576479. кл. G 01 В9/02,,1986.

Авторское свидетельство СССР й. 868341, кл. 6 01 В.11/02, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля деталей. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения. Устройство содержит источник света, коплиматор, первый светоделитель, первый объектив, устройство перемещения детали; второй делитель, два оптико-электронных канала, подключенных через -усилитель-ограничитель к блоку обработки данных и включающих в себя последовательно размещенные объектив, диафрагму и фотоприем.. ник, .причем в одном канале диафрагма установлена перед, а в другом — за фокальИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных .размеров и профиля деталей, Известно устройство, состоящее иэ источника света, фокусирующей системы, часть которой закреплена на вибраторе. оптико-электронного канала, анализирующего отраженный от детали свет, и блока обра„„5iJ„„1796901 А1

2 ной плоскостью объектива. Между коллиматором и первым делителем дополнительно установлен третий делитель, за которым установлен объектив, в фокальной плоскости которого расположено зеркало, закрепленное на вибраторе, подключенном к генератору электрических сигналов, а первый делитель расположен на пути луча, отраженного от зеркала, а затем от третьего делителя.. Между третьим делителем и вторым ббъективом установлен четвертый делитель, за которым расположены пятый делитель и два оптико-электронных канала, подключенных через усилитель-ограничитель к блоку обработки данных. Вибратор может быть выполнен в виде пьезокерамической пластины, а генератор электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжений. Между вибратором и зеркалом может быть расположена пьеэокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком обработки данных.

Противоположная по отношению к обьективу поверхность зеркала может находиться в одном иэ плеч интерферометра Майкельсона, который соединен с блоком обработки ботки данных, Недостатками устройства являются недостаточная точность измерений и длительное время измерения формы детали.

Известно также принятое за прототип устройство для бесконтактного измерения расстояний, содержащее источник света с модулятором, светоделитель. объектив, три оптико-электронных канала, каждый из ко1796901 торых состоит из линзы, диафрагмы и фотоприемника, причем в одном из каналов диафрагма установлена перед, а во втором— за фокусом. а в третьем — в фокусе линзы.

Устройство содержит также электронные схемы сравнения и обработки сигналов и механизм перемещения измеряемой детали. При использовании этого устройства координату детали определяют по нулевой разности сигналов двух оптикоэлектронных

Недостатком подобного устройства является относительно низкая точность измеренйй (погрешность «+0,1 мкм) и длительное время измерения, Целью изобретения является повышение точности и быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее источник света, коллиматор, первый светоделитель, первый объектив, блок перемещения детали, второй делитель и два оптико-электронных канала, подключенных к блоку обработки данных, и включающих в себя последовательно размещенные объектив, диафрагму и фотоприемник, причем в одном канале диафрагма установлена перед, а в другом — за фокальной плоскостью объектива, между коллиматором и первым делителем дополнительно установлен третий делитель, зв которым установлен объектив, в фокальной плоскости которого расположена зеркало. закрепленное на вибраторе, подключенном к генератору электрических сигналов, а первый делитель расположен на пути луча, отраженного от зеркала, а затем от третьего делителя и фотоп иемники оптико-электронных каналов подключены к блоку обработки данных через усилитель.ограничитель, Между третьим делителем и вторым объективом установлен. четвертый делитель, за которым расположен пятый делитель и два оптико-электронных канала, подключенных через усилитель-ограничитель к блоку обработки дайных.

Вибратор может быть выполнен в виде пьезокерамической пластины, а генератор . электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжения.

Между .вибратором и зеркалом может быть расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком ,обработки данных, Противоположенная по отношению к .объективу поверхность зеркала может находиться в одном из плеч интерферометра

Луч света от источника излучения,-например, лазера 1 проходит через коллиматор 2, на выходе которого он представляет собой почти плоскую волну. Затем околлимированный пучок лучей проходит через третий и четвертый делители 3. 4 и фокусиМайкельсона, который соединен с блоком обработки данных.

На фиг.1 и 2 представлено предлагаемое устройство; нв фиг.3 — графики зависимости электрических сигналов от координаты и времени.

Устройство содержит последовательно установленные источник излучения, например, лазер 1, коллиматор 2, третий и четвер10 тый светоделители 3 и 4, четвертый объектив

5, зеркало 6, закрепленное на вибраторе 7, подключенном к генератору электрических сигналов 8. Пятый делитель 9 установлен на пути отраженного от зеркала. а затем от

15 четвертого делителя 4 луча, Пятый и шестой объективы 10, 11 установлены за пятым делителем 9. Третья и четвертая диафрагмы .

12, 13 установлены одна перед, другая — за фокальными плоскостями объективов 10, 11.

20 Третий и четвертый фотоприемники t4, 15 установлены за диафрагмами 12, 13. Первый делитель 16, установлен на пути луча, прошедшего третий и четвертый делители 3. 4, четвертый" объектив 5 и отраженного затем

25 зеркалом 6 и третьим делителем 3.

Первый объектив 17 установлен за ïåð. вым делителем 16, Вблизи его фокальной плоскости расположена измеряемая деталь

18, закрепленная на блоке 19 перемещения

30 детали. Второй делитель 20 установлен на пути отраженного от детали 18, а затем от первого делителя 16 луча. Второй и третий объективы 21, 22 установлены за вторым делителем 20, первая и вторая диафрагмы

35 23, 24 установлены одна перед и другая за фокальными плоскостями объективов 21, 22.

Фотоприемники 14, 15 и 25, 26 попарно подключены к усилителяу-ограничителям .

27, 28 соответственно. которые соединены с

40 блоком обработки данных 29.

Устройство дополнительно снабжено пьезокерамической пластиной 30, расположенной между зеркалом 6 и вибратором 7

{фиг.1) и соединенной с генератором злект45 рических сигналов 8, подключенным к блоку обработки данных 29. .Устройство дополнительно содержит интерферометр Майкельсона, образованный источником излучения, например, лазе50 ром 31, зеркаламй 6 и 32, делителем 33 и фотоприемником 34, подключенным к блоку обработки данных 29, Устройство работает следующим образом.

1796901 руется четвертым объективам 5 на зеркало

6, которое спомощью вибрэтора 7,,подключенного к генератору электрических сигналов 8, колеблется симметрично относительно фокальнай плоскости четвертого объектива 5. Отраженный от зеркала 6 луч проходит через объектив 5 и разделяется четвертым делителем 4. Отраженный от четвертого делителя 4 луч попадает на пятый делитель 9 и затем в два оптико-электронных канала, каждый из которых образован объективом 10 (11), диафрагмой

12 (13) и фотоприемником 14 (15). Различие между каналами заключается в том, что в одном из них диафрагма расположена перед, а в другом за фокальной плоскостью объектива. Часть прошедшего через четвертый делитель 4 луча отражается от третьего делителя 3, проходит первый делитель 16 и фокусируется первым объективом 17 на поверхность детали 18, которую можно перемещать в трех направлениях Х, Y; Z c возможностью измерения этих перемещений. Отраженный от детали 18 луч вторично проходит объектив 17 и, отражаясь от первого делителя 16, разделяется вторым делителем 20 на два луча, идущих по идентичным . оптико-электронным каналам, каждый из которых образован объективом 21 (22), диафрагмой 23 (24) и фотоприемником 25 (26}.

При неподвижном зеркале 6 находящемся в фокальной плоскости объектива 5, при перемещении детали 18 вдоль луча (по аси 2) график зависимости разности сигналов с фотоприемников 25 и 26 имеет вид,.представленный на фиг,За, Аналогичный вид будет иметь график зависимости разности сигналов с фотоприемников 14, 15 при перемещении зеркала 6, При его колебаниях относительно факэльной плоскости объектива 5 график зависимости разности сигналов с фотоприемников 14, 15 будет иметь вид; представленный на фиг,Зб. После прохождения этого сигнала через усилитель— ограничитель 27 (28) он будет иметь вид трапецеидальных импульсов (фиг.Зв), Точно такой же вид будет иметь график зависимости сигнала от времени с фотоприемников

25, 26 в том случае, если поверхность детали совпадает с фокальной плоскостью первого объектива 17. Если поверхность детали 18 не совпадает с факальной плоскостью первого объектива 17, то длительность отрицательного и положительного палупериодов будет различна, Зная параметры оптической схемы и частоту колебаний зеркала 6и измерив разность длительности отрицательного и положительного полупериадов, можно рассчитать расстояние между поверхностью детали 18 и канальной плоскостью первого объектива 17, Таким образом, определяется координата детали 2. Если задавать различные координаты Х и Y u измерять координату Z, то можно опреде5 лить форму детали 18, 8 случае ухода среднего положения зеркала 6 из фокальной плоскости объектива 5 длительности положительнага и отрицательного полупериодов сигнала с усилителя-ограничителя 27 не бу10 дут совпадать, и блок обработки данных 29 будет вводить в расчет поправку. Кроме того, вибратор 7 можно выполнить в виде пьезокерамической пластины 30, нэ которую кроме переменного напряжения можно по 15 давать постоянную составляющую с генератора электрических сигналов 8, соединив его с блоком обработки данных 29, при этом вибратор 7 закреплен неподвижно и сигналы на него не подаются. Или эту же пластину

20 30 можно установить между вибратором 7 и зеркалом 6 и подавать на ее постоянное напряжение с генератора 8 при смещении среднего положения зеркала 6 относительно фокальной плоскости второго объектива

25 5. Противоположная по отношению к объективу 5 сторона зеркала 6 может составлять адно из плеч интерферометра Майкельсона.

Зная с помощью интерфераметра положения зеркала 6, при котором разность сигна30 лав с усилителя-ограничителя 28 образуется в ноль, и зная параметры оптической схемы, можно рассчитать координату Z поверхнасти детали 18, Зависимость уровня электрического

35 сигнала в прототипе не только от величины отклонения измеряемой детали от фокальной плоскости, на и от коэффициента атраженил и угла наклона детали к оптической оси объектива, не позволяет измерить по

40 уровню сигнала величину этого отклонения, Поэтому необходимо для определения координаты добиваться совмещения поверхности детали с фокальной плоскостью.

Использование дополнительных оптикоэлектранных каналов и сканирование изображения источника вблизи фокальнай плоскости обеспечивает возможность определения величины отклонения поверхности от факальной:плоскости объектива с высокой точностью тем, самым уменьшается время измерения профиля детали.

Формула изобретения

1, Устройства для бесконтактного измерения профиля деталей, содержащее источник света, коллиматор, первый светоделитель, первый обьектив; блок перемещения детали, второй делитель и два оптика-электронных канала, подключенных к блоку обработки данных, первый канал состоит из последовательно установленных

1796901 второго обьектива, первой диафрагмы и первого фотоприемника, второй канал состоит из последовательно установленных третьего объектива, второй диафрагмы и второго фотоприемника, в первом канале диафрагма установлена перед, а во втором — за фокальной плоскостью объектива. о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия; оно снабжено установленными последовательно после коллиматора третьим светоделителем, четвертым светоделителем, четвертым обьективом и зеркалом, закрепленным на вибраторе в фокальной плоскости четвертого объектива, установленным по ходу отделенного четвертым . светоделителем светового потока,.пятым светоделителем и установленными по ходу каждого из разделенных пятым светоделителем, световых потоков соответственно третьим оптикоэлектронным каналом, идентичным первому, и четвертым оптико-электронным каналом, идентичныМ второму, генератором, подключенным к вибратору, двумя усилителями-ограничителями, включенными соответственно между выходами первого и второго канала и блоком обработки данных и между третьим и четвертым каналами и блоком обработки данных, первый объектив связан с четвер5 тым объективом через первый, третий и четвертый светоделители.

2. Устройство по пЛ, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что вибратор выполнен в виде ньезокерамической пластины, а генератор

10 электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжения.

15 3. Устройство поп.1,отл ича ющеес я тем, что между вибратором и зеркалом расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератбру электрических сигналов, соединенному с блоком обработ20 ки данных, 4, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ.е ес я тем, что оно снабжено интерферометром Майкельсона, а противоположная по отношению к объективу поверхность зерка25 ла является зеркалом в одном из плеч интерфе ром етра.

1796901

Фиг. 2.

Составитель Е. Глазкова

Техред M.ÌîðãåHòàë Корректор С. Лисина

Редактор Y. Иванова

Заказ 643 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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