Оптико-электронное автоколлимационное устройство для измерения профиля полированных поверхностей

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет устранения различия интенсивности источников излучения и упрощение устройства за счет уменьшения количества источников излучения Устройство состоит из оптического датчика, выполненного в виде автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. Автоколлиматор 17 и фоторегистрирующий блок выполнены с компенсационными каналами, позволяющими компенсировать дрейф нуля фотоприемников. 1 п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 В 21/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,.:;,;::: ", -

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4753401/28 (22) 23.10,89 (46) 23.10.91. Бюл. М 39 (72) Е.А.Шишлов, Э,Д,Панков, Э.А.Антонов и В.И.Бутяйкин

S (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hk 1311361, кл. G 01 В 11/24, 1984. (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОЛИРОВАННЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для контроля формы поверхности оптических деталей.

Цель изобретения — повышение точности за счет устранения влияния различия интенсивности источников излучения и упрощение устройства за счет уменьшения количества источников излучения, На фиг. 1 и редставлена кинематическая схема устройства; на фиг. 2 — оптическая схема устройства; на фиг. 3 — схема электрической части устройства; на фиг. 4 — схема определения нормалей и поверхности.

Устройство состоит из узла 1 базирования контролируемой детали (см. фиг. 1),платформы 2, на которой установлен узел 1, выполненный в виде координатного столика, барабанов 3, 4, 5, обеспечивающих при помощи винтовых механизмов (на чертеже не показаны) перемещение узла 1 относительно платформы 2 вдоль оптической оси детали и по двум взаимно перпендикуляр„„. Ы,, 1686305 А1 (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности за счет устранения различия интенсивности источников излучения и упрощение устройства за счет уменьшения количества источников излучения.

Устройство состоит из оптического датчика, выполненного в виде автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. Автоколлиматор 17 и фоторегистрирующий блок выполнены с компенсационными каналами, позволяющими компенсировать дрейф нуля фотоприемников. 1 и. ф-лы, 4 ил. ным направлениям, нормальным к этой оси, и шкалы 6, конструкция узла 1 предусматривает разворот детали вокруг ее оптической мч оси, при этом о величине угла поворота судят по шкале 6, вала 7, подшипников 8, платформы 9, ходового винта 10, гайки 11, а электропривода 12, датчика 13, электропри- (, вода 14, датчика 15.

Платформа 2 жестко связана с валом 7, цапфы которого установлены в подшипниках 8, закрепленных на платформе 9, имею- 4 щей воэможность линейного перемещения параллельно плоскости горизонта при по- (Л мощи ходового винта 10, гайки 11 и электропривода 12. Датчик 13 механически связан с винтом 10, вал 7 механически связан с электроприводом 14 и датчиком 15. Платформа 16 расположена над узлом 1 оптического датчика, установленного на платформе

16 и состоящего из фотоэлектрического автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19, расположенных так, что их оптические оси лежат в т

1686305

20

30

40

50 одной плоскости, пересекаются в одной точке, причем оптическая ось автоколлиматора

17 является биссектрисой угла между осями коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19, плоскость осей оптического датчика перпендикулярна валу 7, механизма линейного перемещения платформы 16, содержащего хоцовой винт 20, гайку 21, электропривод 22, датчик 23 линейного перемещения, вычислительного блока 24, счетчиков 25, 26, 27. Датчики 13, 15, 23 подключены на первых три входа вычислительного блока 24 через соответствующие им счетчики 25, 26, 27, с выходами вычислительного блока 24 связаны электроприводы

12, 14, 22, Схемы селекции, регистрации и обработки сигнала вклгсчены между выходами автоколлиматора 17, блока 19 и третьим, четвертым входами блока 24 соответственно.

Автоколлиматор 17 (см. фиг, 2) состоит иэ рабочего и компенсационного оптических каналов. Рабочий оптический канал состоит из оптически связанных источников

28 модулированного излучения (светодиода), конденсатора 29, точечной диафрагмы

ЗО, светоделительного кубика 31, обьектива

32, в фокусе которого помещена диафрагма

30 и позиционно-чувствительный фотоприемник 33, приемная площадка которого также помещена з фокусе объектива 32.

Компенсационный опти еский канал сосТОит из оптических связанных источника 34 излучения (светодиода), конденсатора 35, точечной диафрагмы 36, объектива 37, позиционно-чувствительного фотоприемника

33. Параметры оптических схем рабочего и компенсационного каналов выбираются такими, чтобы размеры пятен засветки на фотоприемнике 33 от обоих каналов были одинаковыми, т.е, тобы были одинаковы размеры иэображений диафрагм 30 и 36.

Коллиматор t8 состоит из оптически связанных источника 38 модулированного излучения (светодиода), конденсатора 39, точечной диафрагмы 40 и объектива 41.

Фоторегистрирующий блок 19 состоит из рабочего оптическогс канала, компенсационного оптического канала. Рабочий оптический канал включает оптически связанные объектив 42 и позиционно-чувствительный фотоприемник 43. Компенсационный оптический канал состоит из оптически связанных источника 44 модулированного излучения (светодиода), конденсора 45, точечной диафрагмы 46, объектива

47, светоделительнога элемента 48, позиционно чувствительного фотоприемника 43.

Первая схема селекции, регистрации и обработки сигнала состоит из двух цепей, каждая из которых состоит иэ последовательно соединенных усилителя 49, избирательного усилителя 50, синхронного детектора 51, синхронного детектора 52, вход которого подключен к выходу усилителя 50, схемы 53 вычитания, входы которой подключены к выходам детекторов 51 и 52, и индикатора 54, подключенного к выходу схемы 53. Входы 55 элемента И подключены к выходам детекторов 53, усилители 53 подключены каждый к своей паре выходов фотоприемника 33, а выход элемента 55 подключен к третьему входу блока 24, Вторая схема селекции, регистрации и обработки сигнала состоит из двух цепей, каждая из которых состоит из усилителя 56, избирательного усилителя 57, синхронных детекторов 58 и 59, схемы 60 вычитания и индикатора 61, соединенных аналогично цепи первой схемы селекции, регистрации и обработки сигнала, Усилители 56 подключены каждый к своей паре выходов фотоприемника 43, а выход первой схемы 60 подключен к четвертому входу ЭВМ.

Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения профиля полированной поверхности сводится к определению полярных координат точек поверхности относительно ее вершины и оптической оси. Для этого производится зондирование поверхности световыми пучками автоколлиматора 17 и коллиматора 18 с целью определения положения нормалей к поверхности в ряде ее точек и фиксирование этих точек посредством отслеживания пространственного положения отраженных от поверхности зондирующих пучков, При помощи автоколлиматора 17 определяется положение нормалей к контролируемой поверхности в ряде ее точек путем совмещения оптической оси автоколлиматора 17 с осью отраженного зондирующего пучка, о чем судят по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции, регистрации и обработки сигнала, Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование ряда точек контролируемой поверхности путем совмещения точки пересечения оптических осей оптического датчика вдоль нормали к поверхности, а следовательно, совмещения оптической оси зондирующего пучка коллиматора 18 с оптической осью фоторегистрирующего блока 19, о чем судят по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции и обработки сигнала.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование ряда точек контролируемой поверхности путем

1686305 совмещения точки пересечения оптических предварительные усилители 49 и далее в осей оптического датчика вдоль нормали к избирательные усилители 50, настроенные поверхности, а следовательно, совмещения на частоту модуляции светодиодов 28, 34. оптической оси зондирующего пучка колли- После каждого избирательного усилителя матора18соптическойосьюфоторегистри- 5 сигнал поступает на пару синхронных дерующего блока 19, о чем судят по нулевому текторов 51,52; В результате после детектосигналу с выхода соответствующей схемы ров 51 выделяется часть сигнала, селекции и обработки сигнала. соответствующая положению на приемной

Работа узлов оптического датчика авто= площадке фотоэлемента 33 пятна засветки, коллиматора 17, коллиматора 18 и фоторе.- 10 создаваемого рабочим каналом, à после дегистрирующего блока 19 основана на текторов 52 — часть сигнала, создаваемая принципе формирования зондирующих па- компенсационным каналом, пропооииораллельных или сфокусированных в точке . нальная дрейфу нуля фотоприемника ЗЗ. пересечения оптических осей пучков света Таким образом, синхронные детекторы и последующего отслеживания пространст- 15 51 и 52 разделяют сигналы от рабочего и венного положения этих пучков после отра- компенсационного каналов, После раздележения от поверхности контролируемой ния сигналы от синхронных детекторов 51, детали. 52 поступают соответственно в схемы 53

Автоколлиматор 17 работает следую- вычитания, где происходит их вычитание и щим образом. 20 выделение сигналов, соответствующих веСвет, излучаемый светодиодам 28, со- личинам истинного смещения отраженного бирается конденсором 29 в плоскости то- зондирующего пучка относительно центра чечной диафрагмы 30. Заполненное светом фотоприемника 33 вдоль двух взаимно перотверстиедиафрагмы 30 находится в фокусе пендикулярнйх координат. Величины сигобъектива 32, что обеспечивает формирова- 25, налав фиксируются индикаторами 54. После ниепараллельногозондирующегопучка,ко-. схем 53 вычитания сигналы поступают на торый после отражения от контролируемой элемент И 55, выход которого подключен к поверхности направляется объективом 32., блоку 24. Сигнал с выхода элемента 55 пона отражающую грань светоделительного следует лишь в случае равенства "0" сигнаэлемента 31 и далее на приемную площадку ЗО лов с обоих схем 53 вычитания, что возможно фотоприемника 33. Одновременно на пло-; лишь в случае совпадения оси отраженного or щадку фотоприемника 33 направляется при контролируемой поверхности пучка с оптичепомощи конденсора 35, диафрагмы 36, объ-. ской оСью автоколлиматора 17, а следовательектива37излучениеотсветодиода34, кото- но, с центром позиционно-чувствительного рый излучает на той же частоте, что и 35 фотоприемника33. светодиод28, но в противофазе. Благодаря . Коллиматор 18 и фоторегистрирующий тому, что элементы компенсационного ка- блок 19 работают следующим образом. нала соосны с фотоприемником 33 и непод- . Коллиматор 18 при помощи светодиода

:.вижиы относительна него, пятно засветки, 38, конденсора 39, щелевой диафрагмы 40 создаваемое этим каналом на приемной 4D иобъектива41 формируетзондирующий пуплощадке неподвижно и выполняет рефе- чок и направляет его в сторону контролиру, рентную роль, позволяя исключать ошибку . емой поверхности, отразившись or которой в определении положения пятна, создавае- он попадает в объектив 42 фоторегистрирумого рабочим каналом, из-за возможного ющего блока 19 и далее на фотоприемник дрейфа нуля — ошибке, свойственной всем 45,43. Одновременно на фотоприемник 43 потипам позиционно-чувствительных фото- падает излучение от компенсационного приемников. канала. Сигналы с каждой пары координатПроцесс исключения этой ошибки реа- ных разнополярных выводов поступают в лизувтся схемой селекции, регистрации и - .соответствующую схему селекции,. регистобработки сигналов и происходит следую- 50 рации и обработки сигнала, в которой по щим образом (см. фиг. 3).. аналогии с описанной схемой, обеспечимСигналы от двух светодиодов 28, 34 сни- ющей работу автоколлиматора 17, произвомаются с двух пар взаимно перпендикуляр- дится последовательное усиление сигналов ных координатных разнополярных выводов в усилителях 56, 57, разделение синхронныфотоприемника 33, обеспечивающих 55 мидетекторами58,59,ивычитаниевсхемах фиксирование отклонения от оси авто- 60 вычитания. с выходов которых снимаютколлиматора 17 поступившего в него после ся сигналы, свободные от ошибки, обусловотраженияотконтролируемой поверхности ленной дрейфом нуля и соответствующие зондирующего пучка в двух взаимно пер- истинному положению пятна засветки рабопендикулярных плоскостях, и поступают t чего канала на приемной площадке фото1686305 приемника 43. 8еличины сигналов регистрируются индикаторами 61. По нулевому сигналу, регистрируемому индикаторами

61, судят о совпадении плоскости оптических осей оптического датчика с оптической осью контролируемой детали.

В процессе фиксирования точек контролируемой поверхности сигнал о положении оптического датчика относительно этой поверхности снимается с разнополярных выводов, которые совпадают с плоскостью оптических осей оптического датчика, Поэтому с целью обеспечения управления движением оптического датчика в нужном направлении относительно контролируемой поверхности вдоль нормали к ней выход первой схемы 60 вычитания связан с блоком

24, на который при несовпадении точки пересечения оптических осей датчика с поверхностью поступают сигналы, отличные от сигнала "0", знак которых соответствует положению точки пересечения оптических осей относительно поверхности.

Перед началом измерений устройство приводится в исходное положение, при котором ось вала 7 пересекает плоскость оптических осей оптического датчика в точке пересечения этих осей. Затем устанавливают в узел базирования- оптическую деталь и, перемещая ее по взаимно перпендикулярных плоскостях при помощи барабанов 3; 4, добиваются совпадения нормали к вершинной точке поверхности оптической детали с осью автоколлиматора 17, о чем судят по нулевым показаниям индикаторов 54 и по нулевому сигналу с элемента 55. Далее добиваются совмещения точки пересечения .оптических осей оптического датчика с вершинной точкой йоверхности, для чего перемещают деталь вдоль нормали к поверхности при помощи барабана 5 до появления нулевого отсчета на индикаторах

61.

Блок 24(см, фиг. 1) выдает управляющий сигнал на электропривод 12, который при помощи механизма линейного перемещения ходовых винта 10 и гайки 11 перемещает платформу 2 с установленным на ней узлом 1 базирования с контролируемой деталью вдоль оси ординат так, что вершинная точка 0 занимает положение 01, смещенное . относительно исходного на величину УО1, которая посредством датчика 13 поступает в 3ВМ и регистрируется счетчиком 25. Затем блок 24 выдает управляемый сигнал на электропривод 14, который разворачивает платформу 2 с деталью на угол а1 вокруг оси вала 7 до момента совпадения оптической оси автоколлиматора 17 с нормалью к поpg — х1 + уЦ а угла Од из выражения.

35 Од =у +P<. (2)

Или, учитывая, что у =90 — а Р) аrст9

Ха (4) о>

ОА =90 -а1+агстд о Хд (5)

Yoi

В соответствии с выражениями 1, 5, блок 24 рассчитывает координату точки А, Нулевой сигнал с выхода схемы вычитания 60 поступает в 3ВМ, которая продолжает выполнение программы и выдает необходимые управляющие команды на измерение координаты следующей точки В

50 контролируемой поверхности. Процесс измерения аналогичен описанному. Блок 24 выдает последовательно управляющие сигналы на электроприводы 12, 14, 22 (см. фиг.

1), которые обеспечивают перемещение де55 тали вдоль оси ординат в положение, при котором ее вершинная точка переместится в точку 02 с координатой Уо, разворот детали относительно точки Og в р положение, при котором оптическая ось автоколлиматора 17 совместится с нормалью к поверхно40 верхности детали с некоторой точке А. Величина угла а1 от датчика 15 поступает в счетчик 26 и блок 24, который выдает команду на электропривод 22. Последний при по5 мощи механизма линейного перемещения— ходовых винта 20 и гайки 21, перемещает оптический датчик вдоль нормали к поверхности до момента совпадения точки пересечения оптических осей датчика с некоторой

10 точкой А поверхности детали, о чем судят по нулевому сигналу на выходе схемы вычитания 60.

В результате описанных перемещений деталь займет положение, при котором вер15 шинная точка 0 поверхности сместится -по оси ординат в точку 0> на величину Уо1, оптическая ось 010 повернется на угол а1 по отношению к ее исходному положению. точка А поверхности, координаты кото20 рой измеряются, окажется на оси Х, совпадающей с оптической осыюавтоколли- матора, и приобретет координату Хд.

На фиг. 4 видно, что полярными координатами точки A относительно оси 010 и вер25 шины детали будут радиус-вектор р А = ОсА и угол ОА наклона радиуса-вектора р1 к оптической оси 010. При этом величина радиуса-вектора рд определяется из вы0 Р

1686305

27

Фиг. 1 сти к некоторой точке В, а оптическая ось фотоприемника, оптически связанного с детали окажется в положении ОгО, повер- светоделительным элементом, фоторегистнутом на угол сЕ от исходного положения рирующий блок состоит оптически связан0,0, перемещение оптического датчика до ных объектива, фотоприемника, о т л и ч а юмомента совпадения точки пересечения его S щ е е с я тем, что, с целью повышения осей с зондируемой точкой В на величину точности, оно снабжено двумя схемами сеХв. По величинам измеренных перемеще- лекции, регистрации и обработки сигналов, ний блок 24 рассчитывает полярные коорди- каждая из которых состоит из двух цепей, наты точки В относительно оптической оси каждая из которых выполнена в виде послеи вершиной точки поверхности детали в со- 10 довательно соединенных избирательного ответствии с выражениями усилителя, первого синхронного детектора, схемы вычитания и индикатора, и второго

Т,Г к (Е) синхронного детекторе, включенного межРв= - ду выходом избирательного усилителя и

Ов =90 — д +arctg . (7) 15 вторым входом схемы вычитания, фотоо Хв приемники выполнены позицмонно-чувстФ о р м у л а и э о б P е т е н и я вительными, избирательные усилители

Оптико-электронное автоколлимацион- первой схемы селекции, регистрации и обноеустройстводляизмеренияпрофиляпол- -работки сигналов подключены к выходам ированных поверхностей; содержащее 20 первого фотоприемника, избирательные установленные с воэможностью взаимного усилители второй схемы селекции, регистотносительного углового и линейного пере- рации и обработки сигналов подключены к мещения узел базирования измеряемой де . выходам второго фотоприемника, автоколтали и оптический датчик, состоящий из лиматор выполнен с компенсационным опавтоколлиматора и коллиматора с источни 2S тическим каналом, состоящим из ком излучения, фоторегистрирующего бло- установленных. между вторым источником ка, установленных так, что их оптические излучения и светоделительным элементом оси лежат в одной плоскости и пересекают- второго конденсатора, второй диафрагмы и ся в одной точке, а ось автоколлиматора второго объектива, фоторегистрирующий является биссектрисой угла, образованного:Щ блок выполнен с компенсационным оптичеосями коллиматора и фоторегистрирующего, ским каналом, состоящим из оптически свяблока. автоколлиматор состоит из двух ис- эанных источника излучения, конденсора, точников излучения, установленных по ходу диафрагмы, второго объектива и светоделилучей от первого источника излучения. кон . тельного элемента, оптически связанного с денсора, диафрагмы, светоделительного gS вторым фотоприемником. элемента и первого объектива, и из первого .

1686305

1686305

1в

Составитель М. Кузнецов

Техред М.Моргентал Корректор M. Максимишинец

Редактор А. Бер

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

Заказ 3592 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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