Устройство измерения положения и поперечного размера детали

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для точного бесконтактного измерения поперечного размера и координат оси деталей. Цель изобретения повышение информативности за счет измерения положения детали в направлении оптической оси устройства. Цель достигается за счет того, что устройство содержит блок сканирования, который состоит из оптически связанных источника направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы, приемного блока, включающего коллимирующий объектив и установленный в его фокальной плоскости фотоприемник, блок выделения импульса затенения и блок измерения длительности импульса затенения, а также блок измерения координаты, содержащий последовательно соединенные блок вычитания, блок выборки и хранения и блок измерения напряжения. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного бесконтактного измерения поперечного размера и координат оси деталей, изготовленных из металла, стекла, полимерных и других материалов, например, проката, стеклянных труб, кабеля с целью управления процессом их изготовления.

Известно устройство для измерения поперечного размера детали, содержащее источник направленного пучка излучения лазер и расположенные по ходу его лучей узел сканирования, выполненный в виде вращающегося зеркала, установленного в фокальной плоскости объектива, и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник и устройство обработки сигнала. Устройство обработки сигнала регистрирует начало и конец импульса затенения, соответствующие падению амплитуды сигнала в два раза, измеряет соответствующие падению амплитуды сигнала в два раза, измеряет его длительность по числу импульсов кварцевого генератора и по длительности импульса вычисляют размер детали [1] Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство измерения поперечного размера детали, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей грани призмы, и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник, схему выделения импульса затенения и схему измерения длительности импульса затенения. Постоянная скорость сканирования обеспечивает применение кварцевого генератора, стабилизирующего частоту вращения синхронного электродвигателя, приводящего в движение многогранную зеркальную призму. Схема выделения импульса затенения обеспечивает точное определение краев импульса затенения по переходу через ноль сигнала второй производной и точное измерение поперечного размера детали и ее положения в направлении, перпендикулярном оптической оси устройства [2] Недостатком прототипа является отсутствие возможности определения положения детали по второй координате, а именно в направлении оптической оси устройства.

Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности за счет измерения положения детали также и в направлении оптической оси устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источников направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей границы призмы, и приемный блок, включающий коллимирующий объектив, фотоприемник, блок выделения импульса затенения и блок измерения длительности импульса затенения, дополнительно снабжено узлом измерения координаты, содержащим последовательно соединенные блок вычитания, блок выборки и хранения, управляющим выходом связанный с выходом блока выделения длительности импульса затенения, и блок измерения напряжения, выход которого является выходом узла измерения координаты, фотоприемник выполнен двухплощадочным и расположен в фокальной плоскости коллимирующего объектива, а выходы фотоприемника связаны со входами блока вычитания.

С целью повышения точности измерения координаты оси детали объектив блока сканирования и коллимирующий объектив приемного блока выполнены с одинаковыми полевыми аберрациями.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг.2 показан ход лучей в оптической схеме устройства при разных положениях детали относительно перетяжки сканирующего пучка; на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу узла измерения координаты; на фиг.4 изображена принципиальная электрическая схема узла измерения координаты; на фиг.5 показан график экспериментальной зависимости постоянного напряжения U на выходе узла измерения координаты от координаты Z оси детали.

Устройство (см. фиг. 1) содержит блок 1 сканирования, включающий в себя источник 2 направленного пучка излучения, многогранную зеркальную призму 3 и объектив 4; приемный блок 5, состоящий из коллимирующего объектива 6, двухплощадочного фотоприемника 7, двух фотоусилителей 8 и 9, сумматора 10, блока 11 выделения импульса затенения и блока 12 измерения длительности импульса затенения; узла 13 измерения координаты, содержащего блок 14 вычитания, блок 15 выборки и хранения и блок 16 измерения напряжения. Фотоприемник 7 установлен таким образом, что граница раздела его фоточувствительных площадок расположена в фокусе коллимирующего объектива 6 параллельно оси вращения призмы 3. Выходы чувствительных площадок фотоприемника подключены через фотоусилители 8 и 9 ко входам сумматора 10. Выход сумматора подключен к входу блока 11 выделения импульса затенения, выход которого соединен со входом блока 12 измерения длительности импульса затенения. Кроме того, входы фотоусилителей 8, 9 подключены ко входам блока 14 вычитания, выход которого соединен со входом блока 15 выборки и хранения. Управляющий вход блока 15 выборки и хранения подключен к выходу блока 11 выделения импульса затенения, а выход подключен ко входу блока 16 измерения напряжения. Контролируемая деталь 17 устанавливается в плоскости перетяжки сканирующего пучка 1 8(см.фиг. 1, 2). Световое пятно 19 формируется пучком света, ограниченным лучами 20, 21 на площадках 22, 23 фотоприемника 7 (см.фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

Источник 2 направленного пучка излучения освещает параллельным пучком света одну из граней призмы 3. Отраженный от призмы 3 параллельный пучок света падает на объектив 4 и выходит из него в виде сходящегося пучка, образующего перетяжку 18 в задней фокальной плоскости объектива 4, где располагается контролируемая деталь 17. При вращении призмы ось выходящего из объектива 4 пучка света перемещается параллельно самой себе в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива. Пучок света проходит через зону измерения с контролируемой деталью 17 и собирается в фокусе коллимирующего объектива 6 на двухплощадочный фотоприемник 7. Принцип измерения положения детали основан на следующем оптическом явлении. При пересечении сканирующим пучком края контролируемой детали 17 (фиг. 2) уменьшается интенсивность светового пятна 19 в плоскости фотоприемника 7. Изменение интенсивности происходит по-разному в зависимости от положения детали относительно перетяжки 18 сканирующего пучка. В том случае, когда деталь располагается в плоскости перетяжки 18 (фиг. 2, а), в момент пересечения пучком края детали интенсивность светового пятна 19 на фотоприемнике 7 уменьшается одновременно и равномерно по всей площади пятна, левая половина которого освещает левую площадку 22, а правая правую площадку 23 фотоприемника 7. В том случае, когда деталь 17 смещена от перетяжки 18 в сторону приемного блока 5 (фиг.2,б), при пересечении пучком края детали 17 в первую очередь перекрывается луч 20, при этом в плоскости фотоприемника 7 в первую очередь уменьшается интенсивность в правой части светового пятна 19, то есть на правой площадке 23 фотоприемника 7, а затем, после того как ось сканирующего пучка пересечет край детали 17, в его левой части, то есть на левой площадке 22 фотоприемника 7. Зарегистрированная фотоприемником 7 разность световых потоков на левой 22 и правой 23 площадках зависит от расстояния между деталью 17 и плоскостью перетяжки 18. Если деталь смещена в сторону сканирующего блока 1 (фиг.2,в), то первым при пересечении края детали перекрывается луч 21, при этом в плоскости фотоприемника 7 сначала уменьшается интенсивность света на его левой площадке 22, а затем на правой 23. Электрический сигнал с левой площадки 22 фотоприемника 7 поступает на фотоусилитель 9 (см.фиг.1), с правой площадки 23 на фотоусилитель 8. При пересечении сканирующим пучком контролируемой детали 17 на выходах фотоусилителей 8 и 9 формируются два импульса затенения U ₈, U ₉ (см.фиг.3), имеющие одинаковую форму, но сдвинутые относительно друг друга по времени на величину Δ t, пропорциональную расстоянию от детали 17 до плоскости перетяжки 19. Напряжения с выходов фотоусилителей 8, 9 (см.фиг.1) поступают на сумматор 10, формирующий суммарный импульс затенения U 10 (см.фиг.3).

Импульс U 10 преобразуется блоком 11 выделения импульса затенения (см. фиг. 1) в сигнал прямоугольной формы U 11 (см.фиг.3). Его длительность, пропорциональная поперечному размеру контролируемой детали, регистрируется блоком измерения
длительности импульса затенения 12 (см.фиг.1), а результат выводится на выход Д приемного блока 5. Одновременно импульсы затенения U 10 поступают с фотоусилителей 8, 9 на блок 14 вычитания, на выходе которого выделяется разностный сигнал U 14 (см.фиг.3). Разностный сигнал U 14 имеет форму двух колоколообразных импульсов, амплитуда U которых пропорциональна расстоянию от детали 17 до плоскости перетяжки 18 сканирующего
пучка, а полярность зависит от направления смещения детали 17 (вправо или влево от плоскости перетяжки 18). При этом координаты t₅ и t₆ вершин импульсов соответствуют фронтам сигнала U 11. Разностный сигнал U 14 поступает на вход блока 15 (фиг.1) выборки и хранения. Блок 15 выборки и хранения в момент t₆ спада сигнала U 11 (фиг.3) запоминает напряжение U разностного сигнала (см.U 15 на фиг.3). Напряжение U, пропорциональное расстоянию от
детали 17 до плоскости перетяжки 18 сканирующего пучка, регистрируется схемой 16 (фиг.1) измерения напряжения, а результат измерения выводится на выход узла 13 измерения
координаты. При смещении детали 17 вдоль оси сканирующего пучка, параллельной осям объективов 4 и 6, изменяется напряжение U на выходе схемы 15 выборки и хранения и результат измерения на выходе Z блока 16 измерения напряжения, т. е. на выходе узла 17 измерения координаты, причем при переходе через перетяжку пучка происходит изменение полярности напряжения U.

Расчет оптической схемы и экспериментальное исследование устройства показало, что разностный сигнал U 14 имеет правильную форму (т.е. представляет собой два колоколообразных импульса, основания которых лежат на оси абсцисс) только в том случае,
если в процессе сканирования световое пятно 19 (см.фиг.2) в плоскости фотоприемника 7 остается неподвижным. В противном случае сигнал U 14 искажается низкочастотной помехой (фиг.3 см.пунктир U 14), что вносит дополнительную ошибку в результате измерения положения детали 17. Для исключения этого явления фотоприемник 7 должен располагаться в фокальной плоскости
объектива 6 (см.фиг.2), а оба объектива 4, 6 должны быть безаберрационными. Такого же эффекта (неподвижности светового пятна) можно достичь при использовании симметричной оптической схемы из двух одинаковых объективов 4 и 6. В этом случае схема осуществляет перенос изображения неподвижного светового пятна из
плоскости освещенной грани призмы 3 в плоскость фотоприемника 7 с увеличением 1*, при этом полевые аберрации объектива 4 компенсируются равными по величине и обратными по знаку полевыми аберрациями коллимирующего объектива 6, в результате чего при перемещении сканирующего пучка световое пятно 19 остается неподвижным и разностный сигнал U 14 сохраняет правильную форму.

Электрическая схема узла 13 измерения координаты может быть реализована, например, так, как это показано на фиг.4. Здесь блок 14 вычитания выполнен на операционном усилителе КР574УД2 (D А1.1), блок 15 выборки и хранения реализован на полевом ключе КР590КН2 (D А2), нагруженном на емкость С2. Напряжение с емкости С2 поступает через буферный каскад D A1.2 на вход АЦП К1113ПВI (D
A3). Запуск АЦП осуществляется по управляющему входу "Г.пр" низким потенциалом сигнала U 11 (см.фиг.3), который устанавливается после срабатывания блока 15 выборки и хранения. Экспериментальное исследование схемы узла 13 измерения координаты с использованием объективов И-37 с фокусным расстоянием F 300 мм показало, что нелинейность характеристики U(Z) не превышает 10% при смещении оси детали на ±10 мм от центра зоны измерения (см.фиг.5).

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА ДЕТАЛИ, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения, многогранной зеркальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей границы призмы и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник, блок выделения импульса затенения и блок измерения длительности импульса затенения, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности за счет измерения положения детали также и в направлении оптической оси устройства, оно снабжено узлом измерения координаты, содержащим последовательно соединенные блок вычитания, блок выборки и хранения, управляющим выходом связанный с выходом блока выделения длительности импульса затенения, и блок измерения напряжения, выход которого является выходом узла измерения координаты, фотоприемник выполнен двухплощадочным и расположен в фокальной плоскости коллимирующего объектива, выходы фотоприемника связаны с входами блока вычитания.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения координаты оси детали, объектив блока сканирования и коллимирующий объектив приемного блока выполнены с одинаковыми полевыми аберрациями.

РИСУНКИ

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