Струйный способ контроля линейных размеров изделий



Струйный способ контроля линейных размеров изделий
Струйный способ контроля линейных размеров изделий
Струйный способ контроля линейных размеров изделий
Струйный способ контроля линейных размеров изделий
Струйный способ контроля линейных размеров изделий

 


Владельцы патента RU 2612349:

Общество с ограниченной ответственностью "Измираль" (RU)

Изобретение относится к машино-, станко- и приборостроению и предназначено для контроля линейных размеров изделий на этапах межоперационного, послеоперационного контроля или автоматического контроля и в т.ч. операциях шлифования на различных металлообрабатывающих станках. Предлагаемое изобретение основано на создании и использовании струи жидкости, направленной на контролируемое изделие, используемой в качестве жидкого световода и образующей вместе с используемым волоконно-оптическим преобразователем (ВОП) измерительный канал измерителя. В заявленном способе контроля линейных размеров изделий, в котором используется измеритель и оптически прозрачные измерительный стержень и наконечник с возможностью механического контакта наконечника с изделием, создающий посредством оптического излучения входной световой поток, формирующий в зоне этого механического контакта отраженный световой поток, направляющий отраженный световой поток в измеритель для преобразования в электрический сигнал, измерения его параметров и расчета текущей координаты поверхности изделия и линейного размера изделия. При этом для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков измерительный стержень и наконечник выполняют в виде потока струи жидкости, направленного к изделию, кроме того, отраженный световой поток формируют поверхностью изделия, причем для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков, распространяющихся по струе, между ней и измерителем вводят волоконно-оптический преобразователь, направляя входной световой поток в струю жидкости, а также выделяя и передавая часть отраженного светового потока, распространяющегося по струе, для преобразования в электрический сигнал. Технический результат – повышение точности измерений, снижение требований к оптической схеме и упрощение ее конструкции. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к машино-, станко- и приборостроению и предназначено для контроля линейных размеров изделий на этапах межоперационного, послеоперационного контроля или автоматического контроля и в т.ч. операциях шлифования на различных металлообрабатывающих станках.

Известен способ контроля линейных размеров изделий, реализованный на основе устройства для линейных измерений (способ-аналог, А.с. СССР №1328157, МПК B23Q 15/00, опубл. 07.08.1987 ), используют подвижный измерительный стержень с закрепленным на нем наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе пьезопривода, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством этого пьезопривода управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к вращающейся (или перемещающейся) поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью неподвижного магнитопровода с катушками индуктивности и подвижного сердечника, установленного на измерительном стержне, преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.

Недостатками данного способа-аналога являются:

- сложная схема его реализации: при сборке, настойке и юстировке и при управлении высоковольтным (напряжение сигнала управления ~1000-2000 B) пьезоприводом;

- ограничения точности измерений, обусловленные большой погрешностью, свойственной неподвижному магнитопроводу с катушками индуктивности и подвижному сердечнику, а также вызванной влиянием наводок и помех от высокочастотного высоковольтного сигнала управления пьезопривода, формируемого для управления движением измерительного стержня с наконечником, на выходной измерительный сигнал магнитопровода.

Известен способ контроля линейных размеров изделий (способ-аналог), реализованный на основе устройства для активного контроля линейных размеров изделий (патент RU 2447984, МПК В24В 49/00, G01B 7/12, опубл. 20.04.2012), который заключается в том, что используют подвижный измерительный стержень со сквозным отверстием с закрепленным на его торце наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют наконечник с лицевой, боковой и тыльной поверхностями, к последней из которых крепят измерительный стержень, используют привод, связанный через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством первого управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении к перемещающейся поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и лицевой поверхностью наконечника и образуют по площади механического контакта на лицевой поверхности наконечника рабочую зону, формируют электрический сигнал, связанный с текущей координатой наконечника, используют этот сигнал для расчета линейного размера изделия, индицируют значение линейного размера изделия.

Недостатками этого способа-аналога является низкая точность измерений по следующим причинам:

- текущая координата точки контакта наконечника с изделием не совпадает с фактической измеряемой координатой средства измерений, что приводит к появлению дополнительных передаточных элементов и, как следствие, появлению дополнительных механических составляющих погрешности от люфтов, смещений, гистерезисов, износа наконечника и др.,

- ограничение точности измерений.

Известен способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности (способ-прототип, патент RU 2557381, МПК В24В 49/00, G01B 7/12, опубл. 20.07.2015), включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника с заданной скоростью в направлении к поверхности изделия до возникновения механического контакта между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, используют наконечник из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, посредством лазерного излучения создают входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня и освещают им под заданным углом падения внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника, при этом в зоне контакта наконечника с изделием формируют отраженный световой поток и тепловой поток, интенсивность которого связана с температурой наконечника, направляют упомянутые потоки через упомянутое отверстие измерительного стержня для измерения их параметров, отделяют отраженный световой поток от теплового, преобразуют измеряемый параметр отраженного светового потока в электрический сигнал для расчета текущей координаты наконечника, измеряют интенсивность теплового потока и формируют второй электрический сигнал, связанный с текущей температурой наконечника, с учетом которого корректируют значение линейного размера обрабатываемого изделия.

В этом способе-прототипе входной световой поток радиально смещают от оси измерительного стержня, на внутренней стороне боковой поверхности наконечника выделяют две противоположные рабочие площадки с заданными углами наклона и используют их в качестве первой и второй зон отражения, освещают входным световым потоком первую зону отражения, передают входной световой поток внутри наконечника ко второй зоне отражения для создания отраженного светового потока.

Кроме того, в способе-прототипе число зон отражения устанавливают больше двух и включают в это число зон рабочую зону отражения.

Также в способе-прототипе входной световой поток радиально смещают от продольной оси измерительного стержня, перед тыльной поверхностью наконечника устанавливают оптическую систему, с помощью которой отклоняют распространяющийся входной световой поток для освещения рабочей зоны отражения в наконечнике и формируют отраженный световой поток, отклоняющийся оптической системой.

Помимо этого в этом способе-прототипе задают значение угла падения входного светового потока на рабочую зону отражения в наконечнике.

Дополнительно в этом способе-прототипе в качестве измеряемого параметра отраженного светового потока используют фазовый набег.

Недостатками этого способа-прототипа являются:

- низкая точность измерений при использовании твердых измерительного стержня и наконечника, контактирующих с поверхностью контролируемого объекта;

- сложные методы снижения нагрузок и составляющей погрешности от механического контакта с поверхностью контролируемого объекта;

- ограничение функциональных возможностей из-за невозможности изменения точки (зоны) контакта наконечника с поверхностью изделия.

Технические задачи, решаемые предлагаемым способом, заключаются в исключении указанных ранее недостатков, расширении арсенала средств измерений и функциональных возможностей, снижении требований к оптической схеме и упрощении ее конструкции.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что струйный способ контроля линейных размеров изделий, включающий измеритель и оптически прозрачные измерительный стержень и наконечник с возможностью механического контакта наконечника с изделием, создающий посредством оптического излучения входной световой поток, формирующий в зоне этого механического контакта отраженный световой поток, направляющий отраженный световой поток в измеритель для преобразования в электрический сигнал, измерения его параметров и расчета текущей координаты поверхности изделия и линейного размера изделия, для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков измерительный стержень и наконечник выполняют в виде потока струи жидкости, направленного к изделию, при этом отраженный световой поток формируют поверхностью изделия, причем для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков, распространяющихся по струе, между ней и измерителем вводят волоконно-оптический преобразователь, направляя входной световой поток в струю жидкости, а также выделяя и передавая часть отраженного светового потока, распространяющегося по струе, для преобразования в электрический сигнал.

Отличием способа является то, что волоконно-оптический преобразователь создают на основе одномодового, или маломодового, или многомодового волокна с возможностями соответственно одномодового, или маломодового, или многомодового режимов передачи оптического излучения, формируют ламинарный или турбулентный режим движения жидкости в струе и используют первый соответственно с одномодовым или маломодовым режимами передачи оптического излучения и волоконно-оптическим преобразователем на основе одномодового волокна, а второй с маломодовым или многомодовым режимами передачи оптического излучения и волоконно-оптическим преобразователем на основе маломодового или многомодового волокна.

Другим отличием способа является то, что формируют закручивающуюся траекторию движения входного светового потока закручиванием маломодового или многомодового волокна волоконно-оптического преобразователя.

Еще одним отличием способа является то, что перед изделием вблизи потока струи жидкости вводят отклоняющую систему с возможностью управления от электрического сигнала и, изменяя этот электрический сигнал, бесконтактно воздействуют отклоняющей системой на этот поток струи жидкости и меняют её траекторию движения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 упрощенно представляет устройство с волоконно-оптическим преобразователем (ВОП) на основе одномодового волокна (световода), ламинарным потоком струи жидкости и измерителем на основе высококогерентного интерферометра перемещений (в дальнейшем по тексту - устройство 1).

На фиг. 2 упрощенно изображено устройство с ВОП на основе маломодового или многомодового волокна с турбулентным потоком струи жидкости и измерителем на основе низкокогерентного интерферометра перемещений (в дальнейшем по тексту - устройство 2).

Фиг. 3-5 представляют в упрощенном виде ВОП на основе маломодового или многомодового волокна: без закрутки (фиг. 3), с витковой частью при закрутке не более 1 витка (фиг. 4) и 4-х витков (фиг. 5).

На фиг. 6 изображен вариант отклоняющей системы (вид сверху, в сечении) при смещении струи жидкости на основе магнитной жидкости, ΔLстр - общее смещение струи жидкости от изменений сигнала U2(t), Lстр(t1) и Lстр(t) - положения струи для значений сигнала U2(t1) и U2(t2) в момент времени t2 и t1.

Устройство 1 (фиг. 1) включает камеру 1, заполненную жидкостью, вытекающей струей диаметром Dстр1 через сопло 2, с давлением P1, создаваемым насосом 3, измеритель 4, ВОП 5 на основе одномодового волокна, отклоняющую систему 6.

Устройство 2 (фиг. 2) включает камеру 7, заполненную жидкостью, вытекающей струей диаметром Dстр2 через сопло 8, с давлением P2, создаваемым насосом 3, измеритель 9, ВОП 10 на основе маломодового или многомодового волокна, двигатель 11 с валом 12, фиксатор 13 (фиг. 3-4), отклоняющую систему 6.

В качестве измерителя 4 используется высококогерентный лазерный интерферометр перемещений с высокой разрешающей способностью на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), устойчиво работающий при низком соотношении сигнал/шум входного сигнала (оптического и электрического). В качестве измерителя 6 используется низкокогерентный интерферометр перемещений, т.н. интерферометр «белого света».

Поверхность изделия 14 является отражателем для оптического излучения 15 этих измерителей 4 и 9, а измерения смещений Ly отражателя от заданной координаты (точки отсчета) позволяю определить отклонения его геометрических размеров. Распространение оптического излучения 15 по ВОП 5 и 10 и струях 16 до поверхности изделий 14 и обратно формирует измерительный канал каждого из измерителей 4 и 9 с переменной длиной Ц.

Сопло 2 используется для формирования вытекающей струи 16 диаметра Dстр1 из камеры 1 в виде ламинарного потока для передачи оптического излучения 15 в одно- или маломодовом режиме. Сопло 8 используется для формирования вытекающей струи 16 диаметра Dстр2 из камеры 7, требования обеспечения ламинарного потока к нему не предъявляются.

ВОП 5 реализован на основе одномодового волокна, первый конец которого оптически соединен с измерителем 4, а второй конец введен в камеру 1, расположен перед соплом 2 или внутри него (может быть снабжен линзой/ами) ля ввода/вывода оптического излучения 15, распространяющегося по струе16, до поверхности изделия 14 и обратно.

ВОП 10 представляет собой многомодовое волокно, первый конец которого оптически соединен с измерителем 9, а второй конец введен в камеру 7 и расположен перед соплом 2 или внутри него (может быть снабжен линзой/ами) для ввода/вывода оптического излучения 15, распространяющегося по струе 16 до поверхности изделия 14 и обратно.

С помощью фиксатора 13 (фиг. 3-4) вал 12, который может быть коническим или цилиндрическим, диаметром не более 2-10 мм, крепится к ВОП 10 рядом с торцом его второго конца. И при вращении вала 12 появляется возможность образования двух частей ВОП 10:

- прямой (выходной) части 17: от торца, контактирующего со струей 16, до фиксатора 13;

- витковой части 18: от фиксатора 13, вдоль волокна ВОП 10 в направлении к измерителю 9 с возможностью накручивания на вал 12.

Для создания постоянного натяжения световода ВОП 10 при разной закрутке в устройстве 2 может использоваться подпружиненный натяжитель (на фиг. 2 не показан).

На внешнюю боковую поверхность световода ВОП 10, погруженного в камеру 1, может быть нанесено непрозрачное покрытие, например, на основе A1 толщиной 15-50 мкм, предотвращающее выход наружу распространяющегося по нему оптического излучения 15.

Отклоняющая система 6 используется для отклонения струи 16 по сигналу U2(t) и упрощенно может состоять из двух пар электромагнитов: 6.1, 6.3 и 6.2, 6.4, расположенных друг напротив друга (фиг. 6).

Для обеспечения нужных диаметров струй Dстр1, Dстр2 в устройствах 1 и 2 выбирается жидкость в зависимости от плотности и/или вязкости, нужного окна прозрачности [λ1, λ2] и др. параметров. Как вариант, в качестве такой жидкости могут использоваться вода, магнитные жидкости, смазочно-охлаждающая жидкость и другие.

Принимается, что длина непрерывной части струи 16 жидкости, т.е. расстояние от сопла 2 или 8 до раздробленной ее части с отрывом капель, больше, чем расстояние от сопла 2 или 8 до поверхности изделия 14, которое может быть не менее 0,5 мм. В пределах этой компактной (монолитной) части струя 16 сохраняет свой средний диаметр неизменным и/или его изменениями можно пренебречь.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

С помощью устройства 1 (фиг. 1), без пространственного отклонения струи 16 жидкости (отклоняющая система 6 отключена, U2(t)=0).

Итак, в камере 1 создают насосом 3 давление Рж1 жидкости, заставляя вытекать её струей 16 из сопла 2 ламинарным потоком длиной Lстр1 и диаметром Dстр1 к изделию 14 и стекать по нему. Измерителем 4 с помощью ВОП 5 освещают оптическим излучением 15 эту струю 16, осуществляющую его двунаправленную передачу к поверхности изделия 14 и обратно. Отраженное оптическое излучение 15 отражается и следует обратно: через эту струю 16, ВОП 5 и возвращается в измеритель 4 для измерения.

Путь оптического излучения: ВОП 5→изделие 14→ВОП 5 является переменной частью оптического измерительного канала измерителя 4, связан с текущей координатой Ly поверхности изделия 14, локализованным струей 16, и соответственно с отклонением его размера от заданного в выбранной системе координат. Значение Ly определяется измерителем 4 и выдается цифровым сигналом N(Ly) как результат измерений (с учетом двойного хода оптического излучения 15): N(Ly)~k⋅2⋅Ly/λ, где λ - длина волны света, k - коэффициент пропорциональности, учитывающий в т.ч. показатель преломления жидкости струи 16.

Струя 16 жидкости своим телом выполняет роль измерительных стержня и наконечника.

Обеспечение возможности одно- и/или маломодового режима передачи оптического излучения 15 струей 16 жидкости может быть подтверждено следующими оценочными расчетами.

Показатель преломления большинства жидкостей nж, как правило, колеблется от 1 до 2, например: вода дистиллированная - 1,333, глицерин - 1,4730, масло анисовое - 1,56, масло подсолнечное - 1,47, масло оливковое - 1,467. Внешней средой для струи 16 жидкости является воздух (nвозд≈1), толщиной существенно превышающей её. Выполнение условия nж>nвозд для струи 16 жидкости и воздуха позволяет осуществить направленную передачу света на основе эффекта полного внутреннего отражения подобно сердцевине и оболочке в волоконных световодах.

Известно (Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э. Удда, Москва, Техносфера, 2008. - 520 с.), что число мод (лучей), передаваемых волоконным световодом, определяется длиной волны отсечки λc по формуле

где d - диаметр сердцевины, n1 и n2 - показатели преломления сердцевины и оболочки, V - нормализованная частота. Исходя из условия L>λc по этой формуле можно рассчитать значения длин волн Vод и Vмл, начиная с которых будет выполняться одно- и маломодовый режимы передачи оптического излучения 15.

Итак, если сердцевиной является струя 16 дистиллированной воды диаметром Dстр с n1=1,33, а оболочкой - окружающий воздух с n2=1,0, то для Vод=2,405 и Vмл≈7, соответствующих одно- и маломодовому режимам передачи оптического излучения 15, формула (1) записывается следующими выражениями:

По выражениям (2) и (3) рассчитаны значения длин волны отсечки λc для этих двух режимов передачи оптического излучения 15, представленные далее в таблице для двух значений диаметров Dстр струи 16 дистиллированной воды:

- 9 мкм как в струйной печатающей головке CanonFine (http://www.publish.ru/articles/201306_20013073);

- 30 мкм как сопле для резки материалов (патент RU 2171718, МПК В05В 1/02, опубл. 10.08.2001).

Как видно из этой таблицы, к настоящему уровню развития источников лазерного излучения выполнение условия и одно- и, тем более, маломодового режима передачи света при λ>λc реально и не является существенным препятствием. Так, при одномодовом режиме и диаметре струи 30 мкм должно выполняться условие λc>34,5 мкм, которое легко достижимо и подтверждается успешной разработкой лазеров в дальнем ИК-диапазоне с λ≈200-300 мкм еще с 90-х годов прошлого века (патент RU 2022431, МПК H01S 3/085, опубл. 30.10.1994).

Если принять, что по струе 16 жидкости распространяется несколько световых мод в маломодовом режиме, то оптическое соединение струя 16 жидкости → одномодовое волокно можно уподобить оптическому соединению маломодовое волокно - одномодовое волокно.

При этом известно, что совместная работа одномодового волокна и измерителя 4 на основе высококогерентного лазерного интерферометра перемещений с системой ФАПЧ обладает уникальными свойствами из-за высоких фильтрующих свойств (Леун Е.В. Исследование адаптивной волоконной измерительной головки для бесконтактного измерения отклонений размеров деталей на основе управляемой акустооптоэлектронной обратной связи. Москва, Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. 1994, с. 204., Леун Е.В. Особенности схемотехники акустооптических лазерных систем для измерения перемещений с фазоцифровым преобразованием. Технология машиностроения, 2002, №5, с. 33-39):

- пространственной оптической фильтрации оптического излучения 15 одномодовым волокном;

- электрической фильтрации входного электрического сигнала после фотоэлектрического преобразования системой ФАПЧ, позволяющей лазерному интерферометру устойчиво работать даже при низком соотношении сигнал/шум.

Это позволяет при определенном подборе параметров устройства 1 и маломодовом режиме передачи оптического излучения 15 струей 16 жидкости добиться устойчивой работы измерителя 4 и измерять Ly с высокой точностью.

С помощью устройства 1 (фиг. 1) и отклонением струи жидкости (на отклоняющую систему 6 подается сигнал U2(t)≠0).

Функционирование устройства 1 при отклонении струи 16 жидкости почти полностью аналогично вышеописанному и основное отличие заключается в использовании отклоняющей системы 6, воздействующей на пространственную траекторию движения струи 16. Это отклонение может быть осуществлено несколькими способами.

Во-первых, возможно применение магнитной жидкости, а в качестве отклоняющей системы 6 на основе противоположно расположенных четырех электромагнитов 6.1-6.4 (фиг. 6), формирующих при подаче сигнала U2(t) электромагнитное поле, отклоняющее струю 16 по плоскости XOZ ΔLстр=Lстр(t2)-Lстр(t1). Такие свойства магнитных жидкостей на основе ферро- и ферримагнитных частиц сейчас уже достаточно хорошо изучены (Борисенко О.В. Эффекты взаимодействия капель и струй магнитной жидкости с магнитными и электрическими полями. Дисс. на соискание учен. степ. к. ф.-м.н. спец. 01.04.07, Ставрополь, 2015).

Размер магнитных частиц Dмч, как правило, не превышает 10 нм и для длин волн оптического излучения 15, рассчитанных по формуле 1 и приведенных в таблице, однозначно будет выполняться условие λ>>Dмч. Поэтому выбрав λ в пределах окна прозрачности магнитной жидкости, влиянием этих частиц на ослабление оптического сигнала и снижение его когерентности можно почти полностью пренебречь, считая, что использование магнитной жидкости на процесс измерения влиять не будет.

Другой способ отклонения струи 16 жидкости заключается в использовании диэлектрической жидкости и местном локальном электростатическом заряжании её, например, электрическом полем (подобно современным термоструйным печатающим головкам как в http://www.as-media.ru/encyc/spopechl6.html) или потоком ионизирующих частиц заряженных частиц (катионов или анионов). Последующее создание электромагнитного поля, как вариант, также на основе противоположно расположенных четырех электромагнитов 6.1-6.4 (фиг. 6) под действием управляющего сигнала U2(t) позволяет воздействовать на такую заряженную струю 16 и, оказывая физическое воздействие на неё, отклонять по плоскости XOZ в нужных направлениях на нужное значение.

С помощью устройства 2 (фиг. 2, 3) и возможностью закручивания волокна ВОП 10.

В камере 1 насосом 3 создают давление жидкости Pж2, заставляя её вытекать из сопла 2 к изделию 14 струей 16 диаметром Dстр2 турбулентным или ламинарным потоками. С помощью измерителя 9 и ВОП 10, прикрепленного с помощью фиксатора 13 к валу 12, освещают мало- или многомодовым оптическим излучением15 эту вытекающую струю 16.

В связи с тем, что, как показано ранее, для струи 16 жидкости и окружающего её воздуха выполняется условие nж>nвозд, поэтому возможна направленная передача света на основе эффекта полного внутреннего отражения подобно сердцевине и оболочки в волоконных световодах.

Итак, струя 15, подобно сердцевине световода, направляет к поверхности изделия 14 оптическое излучение 15, которое после отражения следует обратно: по этой струе 16 в ВОП 10 и далее - в измеритель 9. Как и в устройстве 1, путь ВОП 10→изделие 14→ВОП 10 является переменной частью оптического измерительного канала измерителя 6, зависимой от текущей координаты Ly поверхности изделия 14. И на выходе измерителя 9, как и во всех некогерентных интерферометрах перемещений, происходит определение Ly и выдача результат измерений в виде выходного цифрового сигнала N(Ly).

Описанная выше реализация предлагаемого способа устройством 2 предназначена для определения отклонений Ly размера изделий 14 при углах падения αпад света на поверхности изделия 14, близких к 90°, и соответственно большой части отраженного света. Это обусловлено, в основном тем, что на прямой части 17 волокна ВОП 10 к поверхности изделия 14 большая доля лучей (мод) движется по простой траектории, распределенной по поперечному сечению волокна вблизи его оси, являясь меридиональными (с большими углами падения на торец струи 16), и лишь малая часть не пересекает ось, двигаясь по сложной косой спиральной траектории, являясь сагиттальными лучами (с малыми углами падения на торец струи 16).

При больших углах падения αпад, близких к 90°, оптического излучения 15 на поверхность изделия 14 отраженный поток, состоящий в основном из меридиональных лучей, также имеет большие углы отражения и возвращается обратно в ВОП 10, сохраняя исходное соотношение между меридиональными и сагиттальными лучами. Под углом падения αпад понимается угол между осью прямой части 17 волокна ВОП 10 и его проекцией на поверхности изделия 14.

Но при уменьшении αпад углы отражения света также уменьшаются и большая часть меридиональных лучей уходит (отражается) вместе со стекающей отраженной струей, уменьшая уровень отраженного оптического излучения и меняя вышеуказанное соотношение в пользу сагиттальных лучей.

Для повышения уровня отраженной части оптического излучения при малых значений αпад по сигналу U3(t), подаваемому на двигатель 12, вращают вал 11, закручивая световод ВОП 10 и формируя его витковую часть 18. По мере прохождения лучами оптического излучения 15 этой витковой части 18 траектория движения всех лучей начинает меняться к винтообразной и доля меридиональных лучей уменьшается в пользу сагиттальных (положительное решение о выдаче патента по заявке №2014111062, подана 24.03.2014, МПК A43B 7/04).

Световой поток, выходящий из световода ВОП 10 в струю 16, в основном сохраняет заданные в нем соотношения между меридиональными и сагиттальными лучами, освещая наклоненную поверхность изделия 14. При малых углах αпад меридиональные лучи, составляющие уже лишь малую часть всего потока, отражаются и уходят вместе со стекающей отраженной струей жидкости. Для сагиттальных лучей, освещающих торец струи 16 с малыми углами падения (и большими углами к стенкам струи 16), малые углы αпад между струей 16 и поверхностью изделия 14 будут соответствовать существенно большим углам её освещения и оптическое излучение 15, отраженное обратно к ВОП 10, будет состоять преимущественно из сагиттальных лучей, доля которых существенно больше. Таким образом, за счет закрутки волокна ВОП 10 диапазон наклонов поверхности изделия 14 увеличивается, включая малые значений αпад.

Соотношение между меридиональными и сагиттальными лучами можно регулировать за счет изменения параметров витковой части 18 ВОП 10: её длины и числом витков закрутки, формой закрутки (цилиндрической, спирально-конической), соотношением между диаметрами витковой части 18 и диаметром световода и другими параметрами.

Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

1. В данном изобретении предлагается использовать особенности направленной передачи света (Световодные датчики / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с., Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э. Удда, Москва, Техносфера, 2008. - 520 с.), а именно:

a) возможность распространения оптического излучения 15 по струе 16 жидкости с окружающим её воздухом подобно световоду: струя жидкости как сердцевина, окружающий воздух как оболочка. Такая струя 16, вытекающая ламинарным или турбулентным потоком, направляет оптическое излучение 15 к изделию 14 и обратно и используется в составе оптического измерительного канала измерителей 4 и 9, реализованных соответственно на основе методов высоко- или низкокогерентной лазерной интерферометрии.

б) способность пространственной оптической фильтрации оптического излучения 15, распространяющегося по струе 16 от изделия 14, одномодовым волокном ВОП 5;

в) зависимость траектории движения оптических лучей от механических изгибов многомодового волокна ВОП 10. В частности, предлагается управлять закруткой многомодового волокна ВОП 10 вращением вала 12 двигателя 11 от электрического сигнала U3(t) и, тем самым, контролировать линейные размеры изделия 14 с сильно наклонной поверхностью.

2. Также предложено управлять электрическим сигналом U2(t) траекторией струи 16 и соответственно оптического излучения 15, например, для возможности изменения точки (зоны) контакта поверхности изделия 14.

Оценка реализуемости и достигнутого технического уровня.

Практическая реализуемость предлагаемого изобретения подтверждается практической реализуемостью его отдельных составляющих блоков.

Технологии создания и применения тонких отверстий хорошо проработаны для струйной печати. Известно, что минимальные размеры сопел могут быть не более 20-35 мкм (http://www.as-media.ru/encyc/spopech30.jpg). Также известно о создании струйных печатающих головок с отверстием диаметром 12 мкм (Способы печати. Сайт типографии AC Медиа http://www.as-media.ru/encyc/spopech16.html) и даже не более 9 мкм в головке Canon Fine (http://www.publish.ru/articles/201306_20013073).

Также известны технические решения, позволяющие создавать ламинарные потоки жидкости малых диаметров (30-60 мкм), например, для рабочих головок гидрорезных устройств для получения малорасходящихся тонких режущих сверхзвуковых струй жидкости высокого давления (патент RU 2171718, МПК В05В 1/02, опубл. 10.08.2001).

При реализации измерителя 4 на основе высококогерентного лазерного интерферометра перемещений с системой ФАПЧ разрешающая способность может достигать значений ≈ λ/3000 (Леун Е.В. Особенности схемотехники акустооптических лазерных систем для измерения перемещений с фазоцифровым преобразованием. Технология машиностроения, 2002, №5, с. 33-39). Тогда разрешающая способность для одномодового режима передачи оптического излучения 15 струей 16 дистиллированной воды диаметром Dстр=30 мкм с длиной волны отсечки λc=34,5 мкм, в соответствии с данными, приведенными в таблице, составит на уровне ≈0,01 мкм.

Для измерителя 9, реализованного на основе низкокогерентного интерферометра перемещений, разрешающая способность будет не хуже 0,5-1,0 мкм (Иванов В.В. Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии. Спец. 01.04.01, Дисс. на соиск. уч. степ. к. ф.-мат. наук, Н.Новгород, 2005). Реализуемость таких конструкций измерителей может быть подтверждена также исследованиями (Галкин С.Л., Игнатьев А.В., Бабаджан А.И. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений. Приборы и системы управления. 1992, №2, с. 24, Иванов В.В. Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии. Спец. 01.04.01, Дисс. на соиск. уч. степ. к. ф.-мат. наук, Н.Новгород, 2005, Волков П.В. Развитие интерференционных и поляризационных методов измерения физических параметров твердых тел. Спец. 01.04.01, Дисс. на соиск. уч. степ. к. ф.-мат. наук, Н.Новгород, 2008).

Уже имеются публикации, подтверждающие успешную работу интерферометров с жидкими средами (Кальянов А.Л., Лычагов В.В., Малинова Л.И. и др. Низкокогерентная полнопольная интерферометрия объемной структуры кристаллизовавшейся капли солевого раствора белка//Компьютерная оптика, 2010, т. 34, №1, с. 90-100, http://www.computeroptics/smr.ru/KO/PDF/KO34-1/34-1-08.pdf).

Реализуемость ВОП 10 на основе многомодового волокна с цилиндрической или спиральной закруткой и его основные свойства подтверждается техническим решением (Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2014111062. Способ измерения уровня жидкости и устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации, подана 24.03.2014, МПК A43B 7/04, Коренев М.С.).

В связи с вышеизложенным, практическая реализуемость различных вариантов предлагаемого изобретения не должна вызывать сомнений.

Как видно из описания предложенное изобретение расширяет арсенал средств измерений, обладает существенно более широкими функциональными возможностями, в нем снижены требования к оптической схеме и упрощена ее конструкция и поэтому оно успешно решает поставленные технические задачи.

Данное изобретение может быть практически реализовано несколько по-другому, чем конкретно описано, без отступления от сущности изобретения в объеме заявленной формулы.

1. Струйный способ контроля линейных размеров изделий, включающий измеритель и оптически прозрачные измерительный стержень и наконечник с возможностью механического контакта наконечника с изделием, создающий посредством оптического излучения входной световой поток, формирующий в зоне этого механического контакта отраженный световой поток, направляющий отраженный световой поток в измеритель для преобразования в электрический сигнал, измерения его параметров и расчета текущей координаты поверхности изделия и линейного размера изделия, отличающийся тем, что для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков измерительный стержень и наконечник выполняют в виде потока струи жидкости, направленного к изделию, при этом отраженный световой поток формируют поверхностью изделия, причем для двунаправленной передачи входного и отраженного световых потоков, распространяющихся по струе, между ней и измерителем вводят волоконно-оптический преобразователь, направляя входной световой поток в струю жидкости, а также выделяя и передавая часть отраженного светового потока, распространяющегося по струе, для преобразования в электрический сигнал.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волоконно-оптический преобразователь создают на основе одномодового или маломодового или многомодового волокна с возможностями соответственно одномодового или маломодового или многомодового режимов передачи оптического излучения, формируют ламинарный или турбулентный режим движения жидкости в струе и используют первый соответственно с одномодовым или маломодовым режимами передачи оптического излучения и волоконно-оптическим преобразователем на основе одномодового волокна, а второй с маломодовым или многомодовым режимами передачи оптического излучения и волоконно-оптическим преобразователем на основе маломодового или многомодового волокна.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что формируют закручивающуюся траекторию движения входного светового потока закручиванием маломодового или многомодового волокна волоконно-оптического преобразователя.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что перед изделием вблизи потока струи жидкости вводят отклоняющую систему с возможностью управления от электрического сигнала и, изменяя этот электрический сигнал, бесконтактно воздействуют отклоняющей системой на этот поток струи жидкости и меняют ее траекторию движения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам контроля линейных смещений объектов оптико-электронными методами. Устройство для измерения линейного смещения объекта содержит точечный излучатель, фотоприемную систему, оптически сопряженную с излучателем, включающую оптический фильтр, объектив и фотоприемное устройство, установленное в плоскости изображения объектива и выполненное в виде матричного фотоприемника, соединенного с блоком обработки, а также блок управления излучателем, содержащий канал управления излучателем и микроконтроллер, выходы которого соединены с входом канала управления излучателем.

Изобретение относится к способу измерения длины электрического кабеля, содержащему: обеспечение электрического кабеля, имеющего длину и включающего в себя нейтральную ось кабеля и волоконный модуль, вытянутый в продольном направлении вдоль кабеля и включающий в себя оптоволокно, расположенное, по существу, вдоль нейтральной оси, причем оптоволокно механически соединено с кабелем; введение оптического сигнала в оптоволокно; детектирование светового излучения, обратно рассеянного из оптоволокна в ответ на упомянутый введенный оптический сигнал; анализ детектированного обратно рассеянного светового излучения как функции времени, чтобы определить длину оптоволокна, и выведение длины кабеля исходя из длины оптоволокна.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к калибровке лазерных толщиномеров, построенных по методу лазерной триангуляции, при котором пучки излучения направлены с двух сторон перпендикулярно к контролируемой поверхности, а принятый оптический сигнал фиксируется многоэлементным приемником.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению геометрических размеров объектов с помощью триангуляционных лазерных датчиков. Способ калибровки и настройки системы лазерных датчиков, а также устройство, реализующее данный способ, содержит настроечный образец, который ориентируют в трехмерном пространстве по отношению к блоку «камера-лазер» так, что свет, излучаемый лазером, виден камере, лазеры и камеры располагают на определенном расстоянии друг от друга так, что оптические оси лазеров и камер противолежат под определенным углом, определяют свойства лазера от света, записанного камерой, и расположение лазера относительно камеры.

Изобретение относится к способам измерения объектов с малыми размерами. Изображение объекта печатается на фотослайде с дальнейшим увеличением размеров изображения путем его проектирования с помощью диапроектора на экран.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям перемещений. .

Изобретение относится к измерительным приборам неразрушающего контроля технологического оборудования атомных электростанций в условиях затрудненного доступа, в сильных радиационных полях, в жидких и воздушных средах, а именно для дистанционного визуального контроля реакторного пространства, внутренней поверхности технологических каналов, элементов графитовой кладки, подводных металлоконструкций транспортно-технологических емкостей, трубопроводов, сосудов, емкостей, полостей и т.п.

Изобретение относится к технологии экспресс-анализа качества вяжущего материала (связки) на основе -оксида алюминия, применяемого для изготовления огнеупоров. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного оптического измерения физических параметров прозрачных объектов, как-то профиля, толщины стенки.

Дальномер // 2463553
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дальномерам. .

Изобретение относится к способу и устройству измерения расстояний рельсового транспортного средства до расположенных сбоку от рельсового транспортного средства предметов, прежде всего края платформы, во время движения рельсового транспортного средства. При реализации способа во время движения рельсового транспортного средства многократно измеряют посредством первой измерительной системы первую величину измерения бокового расстояния, во время движения многократно измеряют посредством второй измерительной системы вторую величину измерения бокового расстояния, точность первой измерительной системы больше, чем второй измерительной системы, однако частота измерения, то есть частота приема величин измерения, первой измерительной системы меньше, чем второй измерительной системы. Путем комбинирования первой и второй величин измерения вычисляют величины расстояния, которые отображают боковое расстояние рельсового транспортного средства в зависимости от момента времени во время движения и/или в зависимости от места на отрезке движения, причем первую и вторую величины измерения комбинируют с использованием соответствующих весовых коэффициентов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх