Устройство для контроля шероховатости поверхности изделия

 

Изобретение относится к измерительной технике, к технике оптических измерений и может быть использовано для контроля шероховатости поверхности изделия. Цель изобретения - повышение точности контроля. Устройство содержит осветитель 1 в виде источника неполяризованного и/или поляризованного по кругу излучения, состоящий из амплитудно-модулированного излучателя 2 с ответвителем 3 части модулированного излучения, фотопреобразователя 4 и 5, источники 6 и 7 опорного напряжения, блоки 8 и 9 сравнения, коммутатор 10, регистратор 11 и управляемый ключ 12. Фотопреобразователь 5 оптически связан с ответвителем 3 и соединен с входом блока 9 сравнения, второй вход которого соединен с источником 7, а выход блока 9 сравнения - с управляемым входом коммутатора 10. Выход фотопреобразователя 4 соединен с сигнальным входом коммутатора 10, выход которого соединен с регистратором 11 и блоком 8 сравнения, соединенным с источником 7 и управляемым ключом 12. В устройстве устраняется влияние нестабильности мощности излучения осветителя на результат измерения величины шероховатости поверхности контролируемого изделия. 12 ил.

Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано для контроля шероховатости поверхности изделия.

Известно устройство для коррекции дрейфа интенсивности света, содержащее осветитель с ответвителем части излучения осветителя, фотопреобразователь отраженного объектом оптического излучения, регистратор, подключенный к выходу фотопреобразователя, и оптически связанный с ответвителем второй фотопреобразователь, выход которого подключен к одному из входов компаратора, а другой вход компаратора подключен к источнику эталонных сигналов, при этом выход компаратора подключен к первому фотопреобразователию.

При отклонении мощности излучения осветителя от заданного уровня на выходе компаратора формируется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход первого фотопреобразователя и корректирует его коэффициент усиления, например в случае превышения заданного уровня коэффициент усиления первого фотопреобразователя уменьшается.

Недостатки известного устройства: точность контроля шероховатости поверхности изделия зависит от ориентации азимута поляризации излучения осветителя относительно направления шероховатости, совпадающего с направлением шлифования или полирования; устройство не позволяет осуществлять автоматическую отбраковку изделий, не удовлетворяющих заданному уровню качества по величине шероховатости; для осуществления контроля шероховатости с высокой точностью необходимо, чтобы характеристики первого и второго фотопреобразователей были абсолютно идентичны. Обеспечить выполнение этого условия практически невозможно, так как мощность отраженного излучения при контроле шероховатостей от 6 до 13 класса изменяется в очень широких пределах: в несколько десятков раз.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для контроля шероховатости поверхности изделия, содержащее осветитель, выполненный в виде источника неполяризованного и/или поляризованного по кругу излучения, фотопреобразователь, соединенный с регистратором, управляемый ключ, блок сравнения и источник опорного напряжения, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом фотопреобразователя, выход блока сравнения подключен к управляемому ключу.

Недостаток прототипа состоит в том, что точность контроля шероховатости поверхности изделия зависит от величины флуктуаций мощности излучения осветителя. Так, например, в серийно выпускаемых лазерах, которые находят широкое применение в устройствах для контроля шероховатости поверхности изделий, флуктуации мощности cоcтавляют не менее одного процента. Такие флуктуации мощноcти излучения приводят к увеличению погрешности контроля шероховатости поверхности изделия. Так, например, для шероховатостей 11 класса при флуктуациях мощности излучения осветителя в 1% погрешность контроля повышается более чем на 5% . Если к тому же учесть, что в процессе эксплуатации лазеров происходит постепенная разгерметизация активных элементов и вследствие этого снижение мощности излучения, то погрешности контроля будет еще больше.

Изобретение направлено на повышение точности бесконтактного контроля шероховатости поверхности изделия. При этом технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в устранении влияния нестабильности мощности излучения осветителя на результат измерения величины шероховатости поверхности контролируемого изделия.

Для достижения этого технического результата в устройство для контроля шероховатости поверхности изделия, содержащее осветитель, выполненный в виде источника неполяризованного и/или поляризованного по кругу излучения, фотопреобразователь, управляемый ключ, блок сравнения и источник опорного напряжения, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, а выход блока сравнения соединен с управляемым ключом, дополнительно введены второй фотопреобразователь, второй источник опорного напряжения, второй блок сравнения и коммутатор. При этом источник излучения выполнен в виде амплитудно-модулированного излучателя с ответвителем части модулированного излучения, оптически связанным с входом второго фотопреобразователя, соединенного с одним из входов второго блока сравнения, другой вход которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход блока сравнения соединен с управляющим входом коммутатора, сигнальный вход которого соединен с выходом первого фотопреобразователя, а выход - с регистратором и вторым входом первого блока сравнения.

Такое исполнение устройства для контроля шероховатости поверхности изделия позволяет устранить зависимость точности контроля от флуктуаций мощности излучения осветителя.

На фиг. 1 - 4 изображены графики, поясняющие особенности работы прототипа в условиях нестабильности мощности источника излучения; на фиг. 5 - 9 - то же, работа предлагаемого устройства; на фиг. 10-12 блок-схемы предлагаемого устройства; На фиг. 1 иллюстрируется уменьшение мощности излучения осветителя из-за нестабильности источника излучения на интервале времени (O, Т). Вследствие этого на выходе фотопреобразователя происходит аналогичное изменение напряжения сигнала (фиг. 2), величина которого с момента времени t_м cтановится меньше величины напряжения U_оп опорного источника. Регистратор индицирует в произвольно выбранные моменты времени t₁ и t₂ разные величины шероховатости поверхности изделия, так как величины зарегистрированных сигналов отличаются друг от друга (фиг. 3), а блок сравнения в момент времени t₂ выдает сигнал (фиг. 4) на отбраковку изделия, так как зарегистрированное сигнальное напряжение оказывается меньше опорного. Из приведенных пояснений видно, что точность контроля шероховатости поверхности изделий при использовании прототипа зависит от нестабильности мощности излучения осветителя.

На фиг. 5 иллюстрируется уменьшение оптической мощности из-за нестабильности источника излучения на временном интервале (0, Т). На фиг. 6 приведен график характерной зависимости мощностей излучений, направляемых на контролируемое изделие и на второй фотопреобразователь. (Периодические изменения мощности излучения создаются специальным модулятором, входящим в состав источника излучения). Соответствующая зависимость напряжения на выходе второго фотопреобразователя приведена на фиг. 7. На этой же фигуре показана постоянная величина напряжения U_оп^II второго опорного источника. В момент совпадения величин напряжений на выходе второго фотопреобразователя и второго источника опорного напряжения второй блок сравнения формирует сигналы (фиг. 8), которые открывают коммутатор, подключающий первый фотопреобразователь к регистратору и второму входу первого блока сравнения. Таким образом контроль шероховатости поверхности изделия происходит всегда при одной и той же величине мощности излучения осветителя. В этом случае сигналы на входах регистратора и первого блока сравнения имеют постоянную величину. Регистратор фиксирует постоянное значение фиг. 9 шероховатости поверхности, а первый блок сравнения не выдает сигнал на отбраковку изделия.

Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет устранить зависимость точности контроля от флуктуаций мощности осветителя.

Предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом снизить составляющую погрешности контроля шероховатости, связанную с нестабильностью мощности излучения осветителя более чем в 5 раз. Например, для шероховатостей поверхности 11 класса величина составляющей погрешности контроля шероховатости, связанная с нестабильностью мощности излучения осветителя, снижается до 0,8% , в то время как у прототипа эта величина составляет не менее 5% .

Устройство для контроля шероховатости поверхности изделия содержит осветитель 1 в виде источника неполяризованного и/или поляризованного по кругу излучения, состоящего из амплитудно-модулированного излучателя 2 с ответвителем 3 части модулированного излучения, фотопреобразователи 4 и 5, источники 6 и 7 опорного напряжения, блоки 8 и 9 сравнения, коммутатор 10, регистратор 11 и управляемый ключ 12. Фотопреобразователь 5, оптически связанный с ответвителем 3, соединен с одним из входов блока 9 сравнения. Второй вход блока 9 соединен с источником 7, а выход блока 9 - с управляющим входом коммутатора 10. Выход фотопреобразователя 4 соединен с сигнальным входом коммутатора 10, а выход коммутатора 10 - с входом регистратора 11 и одним из входов блока 8 сравнения. Другой вход блока 8 соединен с источником 6 опорного напряжения, а выход блока 8 - с входом управляемого ключа 12.

В схеме, изображенной на фиг. 11, амплитудно-модулированным излучателем 2 являются последовательно установленные и оптически связанные лазер 13 непрерывного излучения, вращающийся поляроид 14 и неподвижно установленный поляроид 15. Ответвитель 3 представляет собой последовательно установленные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 16 и четвертьволновую фазовую пластинку 17, ось обыкновенного луча которой ориентирована под углом 45^o к плоскости излучения на выходе полупрозрачного зеркала 16. Фотопреобразователь 5 посредством полупрозрачного зеркала 16 оптически связан с амплитудно-модулированным излучателем 2. Фотопреобразователи 4 и 5 содержат соответственно фотоприемники 18 и 19, подключенные к электронным усилителям 20 и 21. Источники 6 и 7 опорного напряжения выполнены в виде блоков стабилизированного напряжения с возможностью регулировки выходного напряжения. Блоки 8 и 9 сравнения выполнены в виде компаратора, коммутатор 10 - в виде управляемого вентиля, а управляемый ключ 12 - в виде реле. Регистратор 11 состоит из последовательно соединенных вычислителя 22 и индикатора 23 величины шероховатости поверхности изделия.

Другой пример конкретного выполнения, реализующего схему, приведенную на фиг. 10, представлен на фиг. 12. В отличие от устройства по фиг. 11 амплитудно-модулированным излучателем 2 является лампа 24 накаливания с рефлектором 25, подключенная к источнику 26 амплитудно-модулированного напряжения.

Предлагаемое устройство по фиг. 10 работает следующим образом.

Амплитудно-модулированное излучение излучателя 2, проходя через ответвитель 3, направляется на контролируемое изделие 27 и фотопреобразователь 5. Отраженное контролируемым изделием 27 излучение попадает на фотопреобразователь 4, с выхода которого сигнал поступает на коммутатор 10, закрытый в исходном состоянии. При этом сигнал на выходе коммутатора 10 равен нулю. Электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 5 поступает на вход блока 9 сравнения, где сравнивается с напряжением опорного источника 7. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 5 не равна напряжению опорного источника 7, блок 9 сравнения не выдает управляющий сигнал на включение коммутатора 10. При этом электрические сигналы с выхода фотопреобразователя 4 не проходят через коммутатор 10 на регистратор 11 и блок 8 сравнения. По достижении электрическим сигналом (вследствие амплитудной модуляции) на выходе фотопреобразователя 5 величины, равной величине напряжения опорного источника 7, блок 9 сравнения формирует управляющий сигнал, включающий коммутатор. В этом случае электрические сигналы с выхода фотопреобразователя 4 проходят через коммутатор 10 на регистратор 11 и блок 8 сравнения. В блоке 8 сравнения происходит сравнение зафиксированного значения электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 с величиной опорного напряжения источника 6, установленной на этапе калибровки по изделию с предельно допустимой величиной шероховатости. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 меньше величины опорного напряжения, то с выхода блока 8 сравнения подается сигнал для включения управляемого ключа 12. Регистратор 11 индицирует величину шероховатости поверхности изделия 27, а управляемый ключ 12 через систему отбраковки исключает контролируемое изделие 27 из технологического процесса, как изделие, величина шероховатости которого выше допустимого значения.

Устройство, блок-схема которого приведена на фиг. 11, работает следующим образом.

Линейно-поляризованное непрерывное излучение лазера 13 последовательно проходит вращающийся поляроид 14 и неподвижный поляроид 15. На выходе излучателя 2 излучение является амплитудно-модулированным и линейно-поляризованным. Пройдя полупрозрачное зеркало 16 и четвертьволновую пластинку 17 ответвителя 3 линейно-поляризованное излучение преобразовывается в излучение с круговой поляризацией и направляется на контролируемое изделие 27. Другая часть амплитудно-модулированного излучения излучателя 2, отраженная полупрозрачным зеркалом 16, направляется на фотоприемник 19 фотопреобразователя 5. Отраженное контролируемым изделием 27 излучение попадает на фотоприемник 18 фотопреобразователя 4. Фотоэлектрический сигнал фотоприемника 18, пройдя электронный усилитель 20, поступает на управляемый вентиль 10, закрытый в исходном состоянии. При этом сигнал на выходе управляемого вентиля 10 равен нулю. Фотоэлектрический сигнал фотоприемника 19, пройдя электронный усилитель 21, поступает на вход компаратора 9, где сравнивается с напряжением опорного источника 7. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 5 не равна напряжению опорного источника 7, компаратор 9 не выдает управляющий сигнал на открытие управляемого вентиля 10. При этом электрические сигналы с выхода фотопреобразователя 4 не проходят через управляемый вентиль 10 на вычислитель 22 регистратора 11 и блок 8 сравнения. По достижении вследствие амплитудной модуляции электрическим сигналом на выходе электронного усилителя 21 величины, равной величине напряжения опорного источника 7, компаратор 9 формирует управляющий сигнал, открывающий управляющий вентиль 10. В этом случае электрические сигналы с выхода фотопреобразователя 4 проходят через вентиль 10 на вычислитель 22 регистратора 11 и компаратор 8. На другой вход компаратора 8 от источника 6 подается опорное напряжение, величина которого установлена до контроля на этапе калибровки по изделию с предельно допустимой величиной шероховатости. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 меньше величины опорного напряжения источника 6, то на выходе компаратора 8 формируется сигнал для включения управляемого ключа 12, который через систему отбраковки исключает контролируемое изделие 27 из технологического процесса, как изделие, величина шероховатости которого выше допустимого значения. Вычислитель 22 преобразовывает входной сигнал в сигнал управления индикатором 23, который индицирует величину шероховатости поверхности изделия 27.

В случае варианта устройства по фиг. 12 источник напряжения 26 модулирует мощность излучения лампы 24, неполяризованное амплитудно-модулированное излучение от лампы накаливания 24 и рефлектора 25 излучателя 2 направляется на ответвитель 3, где преобразовывается полупрозрачным зеркалом 16 и четвертьволновой фазовой пластинкой 17 в излучение, состоящее из компонент неполяризованного и поляризованного по кругу излучений, направляемых на контролируемое изделие 27. (56) Заявка Японии N 60-31250, кл. G 01 J 1/44, опублик. 1986.

Авторское свидетельство СССР N 1796897, кл. G 01 В 11/30, 1991.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ, содержащее осветитель, выполненный в виде источника неполяризованного и/или поляризованного по кругу излучения, первый фотопреобразователь, управляемый ключ, второй блок сравнения и источник опорного напряжения, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, а выход блока сравнения соединен с управляемым ключом, отличающееся тем, что оно снабжено вторым фотопреобразователем, вторым источником опорного напряжения, вторым блоком сравнения и коммутатором, источник излучения выполнен в виде амплитудно-модулированного излучателя с ответвителем части модулированного излучения, выход ответвителя оптически связан с входом второго фотопреобразователя, соединенного с одним из входов второго блока сравнения, другой вход которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход второго блока сравнения соединен с управляющим входом коммутатора, сигнальный вход которого соединен с выходом первого фотопреобразователя, а выход - с регистратором и вторым входом первого блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.03.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 19-2003

Извещение опубликовано: 10.07.2003        

---