Интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий

 

Изобретение относится к. контрольноизмерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для создания измерительных головок, используемых для контроля геометрических параметров изделий на координатно-измерительных машинах (КИМ) и в бесконтактных интерференционных профилографах в метрологии, приборостроении и точном машиностроении. Цель изобретения - расширение области использования за счет также и разбраковки объектов контроля по форме, повышение быстродействия контроля за счет исключения перемещения преобразователя по траектории, подобной форме поверхности объекта. Предлагаемый способ заключается в том, что в измерительный канал интерференционной схемы включен волоконно-оптический преобразователь (ВОЛ), выполненный в виде подводящего и отводящего световодов. Между торцом ВОП и объектом контроля создают зазор, значение которого включает пространственный интервал, соответствующий двум частотным перескокам в интерференционной схеме. Участок, ограниченный двумя частотными перескоками, образует поле допуска L, который задает максимальное смещение объекта контроля. Управлением параметрами интерференционной схемы Кп добиваются регулировки величины поля допуска и производят его смещение . Выход, смешение объекта контроля за границу поля допуска приводит к формированию соответствующих логических сигналов , которые означают, что объект контроля вышел за границу поля допуска в ту или иную сторону. 1 з.п.ф-лы.Зил., 1 табл. (Л ы Х| ы

((9) (! () СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s()s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4888198/28 (22) 14.11.90 (46) 23.03.93, Бюл. М 11 (71) Московский GTBHKocTpoHTellbHblA инстиТУТ (72) В;И.Телешевский и Е.В.Леун (56) Авторское свидетельство СССР

М 1467396, кл. 6 01 В 21/02; 1989.

Приборы для научных. исследований.—

М.: Мир, 1987, N. 11, с. 153-158 (Перевод на русский язык ежемесячного журнала американского института физики Revew of

Scitntiflc Instruments, vol. 58 (1987), No 11, 2161-2164).

Авторское свидетельство СССР

N 1762117, кл. G 01 В 9/02, 1990. (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ

КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к. контрольноизмерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для создания измерительных головок, используемых для контроля геометрических параметров иэделий на координатно-измерительных машинах (КИМ) и в бесконтактных интерференционных профилографах в метрологии, приборостроении и точном машиностроении. Цель изобретеИзобретениеотносится к контрольноизмерительной технике, а именно, к лазерной интерферометрии и может быть использовано для контроля геометрических параметров изделий.

Целью изобретения является расширение области использования за счет также и ния — расширение области использования эа счет также и разбраковки объектов контроля по форме, повышение быстродействия контроля за счет исключения перемещения преобразователя по траектории, подобной форме поверхности объекта. Предлагаемый способ заключается в том, что в измерительный канал интерференционной схемы включен волоконно-оптический преобразователь (ВОП), выполненный в виде подводящего и отводящего световодов.

Между торцом ВОП и объектом контроля создают зазор, значение которого включает пространственный интервал, соответствующий двум частотным перескокам в интерференционной схеме, Участок, ограниченный двумя частотными перескоками, образует поле допуска L, который задает максимальное смещение обьекта контроля, Управлением параметрами интерференционной схемы h p и Кп добиваются регулировки ве- . личины поля допуска и производят его сме-: 2 щение. Выход, смешение обьекта контроля за границу поля допуска приводит к формированию соответствующих логических сигналов, которые означают; что объект контроля вышел за границу поля допуска в ту или иную сторону. I з.и. ф-лы, 3 ил., 1 табл. Ы Д (д раэбраковки объектов контроля llo форме, повышение быстродействия контроля.

Способ пояснется графическим материалом, На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации данного способа на основе лазерного акустооптического интерферо1803734 метра с волоконно-оптическим преобразователем; на фиг. 2 представлены функции преобразования измерительной схемы на основе акустооптоэлектронной положительной обратной связи (ПОС) совместно со схемой управляемой фазовой автоматической подстройки частоты (УФАПЧ) для различных значений Кл.

Фиг. 3 поясняет способ образования поля допуска и возможность его смещения.

Кроме того, на ней изображены. диаграммы выходных логических сигналов измерительной схемы, которые соответствуют положению поверхности объекта, Устройство (фиг.1) реализующее способ содержит источник монохроматического излучения 1, коллиматор 2, акустооптический преобразователь 3, схему ввода-вывода излучения для оптического волокна 4, волоконно-оптический преобразователь (ВОП)

5, контролируемый. объект 6, элементы оптической схемы интерферометра 7, фотоприемное устройство (ФПУ) 8, управляемый фазовый детектор (УФД) 9, усилитель (У) 10, генератор управляемый напряжением (ГУН) 11, импульсный формирователь (ИФ) 12, устройство управления (YY) 13, Способ осуществляют следующим образом.

Излучение лазера 1 направляется коллиматором 2 на акустооптический преобразо. ватель 3, где оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. После преобразователя 3 нулевой порядок дифракции Е (О) оптической схемой

4 вводятся в излучательное одномодовое волокно BOfl 5 и направляется на контро-. лируемый объект 6. Между ВОП 5 и контролируемой деталью имеется воздушный зазор(свободное пространство), являющийся составной частью световодной структуры. Отраженное излучение попадает в приемное одномодовое волокно ВОП 5, коллимируется схемой вывода 4 и направляется в оптическую схему интерферометра 7.

Первый порядок дифракции Е (+1), проходя . через оптическую схему интерферометра 7, пространственно совмещается и интерферируется с измерительным оптическим потоком Е (О) на входе ФПУ 8, Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе ФПУ 8 электрического измерительного сигнала, который поступает на измерительный вход УФД 9. Совместная электрическая схема УФД 9, У 10, ГУН 11 образуют систему УФАПЧ. Выходной частотный сигнал этой системы поступает на кварцевый излучатель акустооптического преобразователя 3 и на опорный вход

УФД 9.

При достижении разности фаз между частотными сигналами после ГУН 11 и ФПУ

5 8 значения 2 она выходе УФД 9 формируется перескок напряжения, который поступает на вход У 10 и ИФ 12. На выходе ИФ 12 формируется три логических сигнала а, Ь, с, которые индицируют, положение поверхности объекта (фиг.3). Сигнал в соответствует тому, что поверхность объекта находится л пределах поля допуска — 11 < ix < lz. Появгение сигналов а и с означает то, что поверхность объекта вышла эа границу поля

15 допуска в ту йли иную сторону, соответственно: а — 1х <.11, с — Ix < tz. Сигналы. после

ИФ 12 поступают на вход УУ 13..С помощью

УУ 13, в зависимости от комбинации логических состояний на входе, в У 10 устанавли20 вается соответствующий коэффициент усиления. Соответствие между комбинацией логических состояний после ИФ 12 и коэффициентами усиления У 10 приведено. в таблице. Абсолютные значения Ку«и Куа

25 соотносятся следующм образом: Ку«< Кус2.

С помощью УУ 13 также осуществляется перестройка УФД 9 путем введения допол45 .нительного фазового рассогласования между измерительным и опорным частотными сигналами для реализации функции смещения поля допуска, а также для введения необходимой коррекции при изменении

50 условий окружающей среды.

Сущность способа заключается в сочетании трех физических эффектов, реализованных в данной измерительной схеме, 1. Известно, что в функции преобразова55 ния цепи акустооптоэлектронной ПОС имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига оптического потока и изменением выходной частоты определяется в соответствии со следующим выражением

1803734 .

hf K Ap, 10

30 ходимого значения

40 где K„— коэффициент пропорциональности, М Гц/ рад.

Наличие линейного участка определяется смещением объекта на величину пространственного периода, который соответствует фазовому сдвигу оптического излученйя, равному 2 zt: При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство акустооптоэлектронной ПОС, заключающееся в резком, почти мгновенном скачкообразном изменении частоты сигнала (частотный перескок) к своему первоначальному значению, при котором фазовый сдвиг был равен

О. Событие, означающее то, что частотный перескок произошел, несет информацию об определенном значении фазового сдвига входного оптического потока (Л р =- 2 л) и используется в данной схеме для фиксирования момента перехода поверхности детали через границу поля допуска.

Il Исследования акустооптоэлектронной ПОС показывают, что коэффициент пропорциональности Кп в уравнении(1) зависит только от внутренних параметров акустооптического преобразователя. Введение же в цепь акустооптоэлек ронной ПОС схемы

" ., АПЧ позволяет управлять параметром

Кп через коэффициенты передачи звеньев

УФД, У, ГУН в соответствии с вы;.ажением

Кп = Кдет Кус Кгун, (2) где Кдет — i.oçôôèöèåíò преобразо ания управляемого фазового дет,:.ктора, Ву ргд, К,-; — коэффициент, силения усилителя, Кгун — коэффициент и еобразования генератора управляемого напряжением, МГц/В.

Г! . и изменении Кл возникает возможность управления величиной пространственного периода согласно формуле — А, (3)

4 LAQM Кдет Кус Кгун где Чее — скорость распространения звуковой волны в воде, м/ч, . LAoM — расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем, м.

Анализ данного функционального выражения показывает, что для различных значений Кп можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом, как показано на фиг, 2, Это дает возможность на основе лазерного интерферометра синтезировать функцию преобразования с пространственным периодом значительно превышающим длину волны источника излучениями, III. Установлено, что для BOll, состоящего из излучательного и"приемного Световодов, существует зона чувствительности— рабочий участок зазора между торцом п реобразователя и деталью, который соответствует диапазону максимальной передачи оптической мощности, превосходящей порог чувствительности ФПУ. Согласно конструкции, оптический поток распространяется по следующему пути: излучательное.волокно — поверхность детали — приемное волокно. . Способ реализуют в работе следующим образом;

Коэффициент передачи звеньев схемы

УФАПЧ выбираются такими, чтобы в рабочем участке зазора были сформированы два частотн ых перетока. П ои и рохожден и и поверхности детали всей зоны на координатах

It u Iz в измерительной схеме произойдут частотные перескоки. Они приведут к формированию соответствующих логических сигналов на выходах измерительной схемы.

Наличие двух прес ранственно-чувств tтельных координат lt u lz приводит к образованию единственного поля допуска L — (It;

Iz), с помощью которого задается максимальное смещение поверхности объекта

Лl a> = I - It, Изменением коэффициентов передачи звеньев УФАПЧ можно управлять шириной. поля допуска — задавать его необВозможность введения дополнительно35 ro фазового рассогласования Л р в УФД позволяет осуществлять смещение поля допуска в предела.. Bcel.0 рабочего участка зазора.

Таким образом, на основе предлагаемого способа можно проводить бесконтактное

"ощупывание" исследуемых поверхностей с целью разбраковки изделий при отклоне нии от заданных размеров, а также создавать различные измерительные алгоритмы, которые приведут к устранению необходимости движения измерительной головки по траектории, подобной форме поверхности детали, и эа счет этого к существенному повышению быстродействия контроля.

50 Формула изобретения

--1. Интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий, заключающийся в том, что когерентное. излучение направляют на объект и принима55 ют посредством волоконно-оптического ,преобразователя, между торцом которого и объектом создают зазор, опорное излучение совместно с выходным излучением волаконно-оптического преобразователя

1803734

Фиг. Е подают на фотоприемное устройство, сигнал с фотоприемного устройства подают на вход измерительной схемы, в которой регистриРуют . . фазовое рассогласование Ap, вызванное смещейием поверхности контро- 5 лируемого объекта, и при достижении зна.чения Ьу - 2л: формируют частотный перескок, подают его на акустооптический преобразователь и используют в качестве информативного логического сигнала, о т- . 10 л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области использования за счет также и раэбраковки обьектов контроля по форме. изменением зазора до достижения следующего значения h,p= 2л формируют второй частотный перескок, расстояние между частотными перескоками выбирают соответствующее полю допуска L, используют измерительную схему с переключаемым коэффициентом преобразования Кп, моменты переключения которой вы бира ют соответствующими частотным перескокам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что. с целью повышения быстродействия контроля, регулируют величину поля допуска изменением параметров hpи Ê .

1803734 л,ПКРт

Фвг.2 тань поле доп ска: l зона. ствнтельностн обоазоватеякФиг.3

Корректор 3. Салко

Редактор О. Стенина

Заказ 1048 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель Е. Леун

Техред М. Моргентал эначение пространственного периода а<8 2 рабочмЯ участок зазора