Способ и устройство для определения положения удлиненного объекта относительно поверхности загораживающего тела посредством электромагнитного излучения
Способ определения положения удлиненного относительно поверхности загораживающего дискообразного тела, расположенного перед объектом и ориентированного под углом к нему, посредством электромагнитного излучения для управления перемещением связанного с ним обрабатывающего оборудования. Со стороны тела, удаленной от объекта, направляют под углом к объекту коллимированный пучок излучения, при этом источник излучения перемещается в продольном направлении по отношению к объекту и одновременно совершает колебательное или сканирующее движение под прямыми углами к объекту. Излучение, обратно отраженное от объекта, собирают с той же стороны тела и выводят для формирования сигнала, который сравнивают с сигналами, хранящимися в памяти, для правильного позиционирования объекта относительно тела для направления перемещения пучка излучения, вдоль объекта, а также и перемещения связанного с ним оборудования. Изобретение также предлагает устройство для осуществления способа. Технический результат - повышение точности и скорости при изготовлении слоистых элементов с конической поверхностью. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения положения удлиненного относительно узкого объекта, относительно поверхности загораживающего преимущественно дискообразного тела, расположенного перед упомянутым объектом и ориентированного под углом к нему, посредством электромагнитного излучения, в частности ионизирующего излучения, для управления перемещением связанного с ним обрабатывающего оборудования, в частности для лазерной сварки.
Раньше электромагнитное излучение использовалось для нахождения спрятанных материалов, например, наркотиков, взрывчатых веществ и другой контрабанды и пр. Одним примером является патент Великобритании GB-A-2055198. Другими примерами являются патенты США US-A-5600700 и US-A-5648619.
В патентной заявке WO 95/00725 было описано изготовление так называемого слоистого элемента, т.е. двухстенного листового металлического элемента, в частности для использования в производстве кораблей. Как это производство, включающее в себя сварку разделительных стенок, должно осуществляться, не является, однако, очевидным. Все же в этом случае имеют дело со стенками из плоского листового металла стандартной и преимущественно прямоугольной формы, что делает эту проблему более простой.
Другая и более трудная проблема возникает, когда должны быть изготовлены слоистые элементы, которые имеют конусную или двоякоизогнутую поверхность, такую, как в соплах ракет или в подобных изделиях. В этом случае к ним предъявляются очень высокие требования в отношении точности, когда доходит дело до сварки через загораживающую листовую стенку около узкой стороны или края разделительного средства, ширина которого меньше 1 мм.
Поэтому основной задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы, и это достигается посредством способа в соответствии с изобретением, который по существу отличается тем, что со стороны тела, удаленной от объекта, источником излучения направляется, по меньшей мере, один точно коллимированный пучок излучения, при этом источник излучения перемещается в продольном направлении по отношению к объекту и одновременно совершает колебательное или сканирующее движение под прямыми углами к объекту, и тем, что излучение, обратно отраженное от объекта, собирается с той же стороны тела и выводится для формирования из него сигнала, который сравнивается с хранящимися в памяти сигналами для требуемого правильного позиционирования объекта относительно тела для направления перемещения источника излучения вдоль объекта и, следовательно, также и перемещений связанного с ним оборудования. Для получения наибольшей возможной точности в способе предпочтительно, чтобы было коллимировано также обратно отраженное излучение, как указано в зависимом пункте 2 формулы изобретения.
Для осуществления этого способа одновременно было предложено устройство, включающее в себя детекторное устройство для определения положения удлиненного объекта относительно поверхности загораживающего тела, расположенного перед упомянутым объектом и ориентированного под углом к нему и имеющего предпочтительно дискообразную форму, посредством электромагнитного и предпочтительно ионизирующего излучения для управления перемещением связанного с ним обрабатывающего оборудования, в частности для лазерной сварки. Отличием устройства по существу является то, что детекторное устройство, которое расположено с той же стороны дискообразного тела, что и источник излучения, выполнено с возможностью приема излучения, испускаемого источником излучения в направлении объекта и обратно отраженного от объекта, и формирования из него сигнала, и то, что в нем расположен компаратор для сравнения упомянутого сигнала с хранящимися в памяти заданными предпочтительными сигналами для требуемого правильного позиционирования объекта относительно тела и направления движения источника излучения вдоль объекта и, следовательно, также перемещения связанного с ним оборудования.
Посредством способа и устройства согласно изобретению теперь можно очень эффективно и быстро выполнять с высокой точностью такую операцию, как лазерная сварка двоякоизогнутых и двустенных панелей. При выполнении этой операции скорость сварки может достигать 1000 мм/мин.
Ниже будет описано изобретение со ссылкой на приложенные чертежи, где фиг.1 схематично показывает первый вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением для осуществления способа; фиг.2 показывает примеры кривых сигналов, полученных из детекторного средства; фиг.3 показывает поперечное сечение нескольких разделительных стенок, которые должны быть сварены способом согласно изобретению с частью листового металла 3.
Как видно из чертежей, проблема, которую нужно решить посредством этого изобретения, состоит в том, что первая часть или стенка 1 из листового металла, которая несет на себе одну или больше параллельных вертикальных и тонких разделительных стенок 2, должна быть соединена сваркой с расположенной над ними стенкой или металлическим листом. Тем самым эта операция должна выполняться подходящим сварочным оборудованием, которое может производить сварку через покрывающую стенку 3 и точно следовать вдоль разделительной стенки 2. Это, однако, вызывает очень большие трудности, так как стенка 3 полностью загораживает обзор разделительной стенки 2 и ее положение, поэтому должно быть точно определено без визуальных средств.
В соответствии с изобретением предлагается, как решение этой проблемы, использовать детекторный блок 5, в котором расположен источник 6 электромагнитного излучения, в частности ионизирующего излучения. Предпочтительно этот блок монтируют в плоскости, расположенной под прямыми углами к разделительной стенке 2 и под углом 
/2 к стенке 3.
В комбинации с источником 6 излучения расположено детекторное средство 7, которое монтируется под углом к источнику 6 излучения, предпочтительно в противоположном углу /2 к разделительной стенке 2, так что положение интерференции между пучком излучения, испускаемым источником 6, и зоной слежения детекторного средства 7 будет расположено на расстоянии ниже стенки 3. Если детекторное устройство 5 затем подается к и от в направлении стрелки А над разделительной стенкой в сканирующем движении, излучение, испускаемое от источника 6, будет изменяться характерным образом при прохождении над разделительной стенкой 2 из-за изменений в обратном отражении излучения благодаря наличию заданного объема материала в нем, в данном случае - металла.
Это обстоятельство используется для формирования сигнала от детекторного средства 7, который подается в блок 10 электронной обработки, показанный только схематично, для сравнения в нем компараторным средством, которое не показано, с заданными предпочтительными сигналами, хранящимися в непоказанном запоминающем средстве, для требуемого правильного установления координат разделительной стенки 2 относительно тела 3. В зависимости от результата этого сравнения блок электронной обработки затем формирует управляющий сигнал, который подается на непоказанное обрабатывающее оборудование, управляемое упомянутым детекторным блоком, в частности на лазерное сварочное оборудование, соединенное с детекторным устройством 5. Таким образом, это оборудование заставляют точно следовать вдоль разделительной стенки 2 при перемещении детекторного устройства 5 вдоль разделительной стенки 5, а также при колебательном движении с малой амплитудой под прямыми углами к ней. Детекторный блок 5 можно сделать очень чувствительным и для очень точной работы с точностью ± 0,1 мм, так что возможны скорости перемещения и сварки вплоть до 1000 мм/мин.
В вышеприведенном описании необходимым условием является, чтобы источник 6 излучения и детекторное средство 7 были расположены стационарно внутри блока 5 и чтобы этот блок 5 мог быть перемещен в двух направлениях х/у под прямым углом одно к другому в плоскости тела 3. Для специалиста, конечно, вполне очевидно, что если требуется, то источник 6 излучения может быть стационарным и детекторное средство 7 может перемещаться в направлении, параллельном направлению излучения. Также можно вместо этого обеспечить стационарность детекторного средства 7 и перемещение источника 6 излучения параллельно металлическому листу 3 или, более того, при стационарном источнике 6 использовать детекторное средство, состоящее из ряда детекторных элементов. Наконец, источник 6 излучения может быть образован большим числом источников, которые все испускают параллельные и слегка разделенные пучки излучения, при этом детекторное средство может также состоять из ряда детекторных элементов, расположенных один возле другого или, наконец, при источнике 6 излучения с одним пучком можно использовать два стационарных детекторных средства 7, расположенных под различными углами.
Для определения промежутка между телом или стенкой 3 и краевой поверхностью разделительной стенки 2, к которой должна быть произведена сварка, источник 6 излучения вместе с детекторным средством 7 приводят в движение вперед и назад в z-направлении, т.е. в направлении под прямым углом к плоскости стенки 3.
На фиг.2.1 а) является кривой изменения сигнала детектора, полученной при прохождении детекторным средством 7 разделительной стенки 2, когда она находится под прямым углом к стенке 3, а в) иллюстрирует форму того же самого сигнала в случае, когда разделительная стенка 2 не расположена под прямым углом. На фиг.2.2 кривые с1, с2 и с 3 иллюстрируют три операции сканирования, а именно, когда, во-первых, разделительная стенка 2 отсутствует ниже точки детектирования; затем, когда пучок излучения от источника 6 входит в разделительную стенку 2, и, наконец, когда пучок лежит полностью внутри упомянутой стенки.
На фиг.3 показаны примеры соответствующих измерительных данных для а-d согласно следующему:
0,4<а<1,2; 1,5<b<8; 2<с<8 и 0,4<d<1,2. Все измерения даются в миллиметрах.
Формула изобретения
1. Способ определения положения удлиненного объекта относительно поверхности загораживающего преимущественно дискообразного тела, расположенного перед объектом и ориентированного под углом к нему, посредством электромагнитного излучения, в частности ионизирующего излучения, для управления перемещением связанного с ним обрабатывающего оборудования, в частности для лазерной сварки, отличающийся тем, что со стороны тела, удаленной от объекта, направляют под углом к объекту, по меньшей мере, один точно коллимированный пучок излучения, при этом источник излучения перемещается в продольном направлении по отношению к объекту и одновременно совершает колебательное или сканирующее движение под прямыми углами к объекту, что излучение, обратно отраженное от объекта, собирают с той же стороны тела и выводят для формирования сигнала, который сравнивают с определенными предпочтительными сигналами, хранящимися в памяти, для требуемого правильного позиционирования объекта относительно тела для направления перемещения источника излучения вдоль объекта и тем самым также и перемещения связанного с ним оборудования.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что также коллимируют обратно отраженное излучение.
3. Устройство для осуществления способа по п.1 или 2, включающее в себя детекторное устройство (5) для определения положения удлиненного объекта (2) относительно поверхности загораживающего и преимущественно дискообразного тела, расположенного перед объектом и ориентированного под углом к последнему, посредством электромагнитного излучения, преимущественно ионизирующего излучения от источника (6) излучения для управления перемещением связанного с ним обрабатывающего оборудования, в частности, для лазерной сварки, отличающееся тем, что детекторное устройство (5), которое расположено с той же стороны дискообразного тела (3), что и источник (6) излучения, выполнено с возможностью приема излучения, испускаемого источником (6) излучения, направленного к объекту (2) и обратно отраженного от объекта (2) для формирования из него сигнала, и что компараторное средство выполнено с возможностью сравнения упомянутого сигнала с заданными предпочтительными сигналами для требуемого правильного позиционирования объекта относительно тела (3), хранящимися в запоминающем средстве, для направления перемещения источника (6) излучения вдоль объекта (2) и тем самым также перемещения связанного с ним оборудования.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит добавочный коллиматор также для обратно отраженного излучения.
РИСУНКИ
