Оптико-электронное устройство для измерения диаметров тел вращения

 

Изобретение относится к технике контроля и может быть использовано для измерения диаметров тел вращения. Устройство состоит из измерительного блока, фотоприемника, оптической системы, измеряемого тела вращения, реперной линейки, прижимного ролика, привода вращения, опор измеряемого тела вращения, осветителя, датчика углового положения опор измеряемого тела вращения, аналого-цифрового преобразователя. Пучок света направляется на измеряемое тело вращения и реперную линейку. Часть пучка света направляется оптической системой на фотоприемник. Информация с фотоприемника для преобразования в цифровую форму поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, а затем в измерительный блок. Измерительный блок производит определение диаметра измеряемого тела вращения. Во время измерений тело вращения располагают на опорах. Опоры выполнены в виде цилиндров и свободно установлены на параллельных осях. Изобретение позволяет повысить производительность и достоверность контроля диаметров тел вращения. 5 ил.

Изобретение относится к технике контроля и может быть использовано для автоматизации операции контроля за диаметрами тел вращения.

Известно устройство для измерения диаметра объектов (см. авторское свидетельство СССР N 1226044, кл. G 01 В 11/08, 1986). Указанное устройство содержит оптически связанные источник света, конденсор, вращающееся зеркало, коллимирующий объектив, фокусирующий объектив, двухплощадный фотоприемник, блок управления, состоящий из усилителей, входы которых подключены к выходам двухплощадного фотоприемника, сумматора, входы которого подключены к выходам усилителей, узла дифференцирования, вход которого подключен к выходу сумматора, узла селекции полярности, вход которого подключен к выходу узла дифференцирования, формирователей, входы которых подключены к выходу узла селекции полярности, мультивибраторов, триггера, установочные входы которого подключены к выходам мультивибраторов, коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а информационные - к выходам двухплощадного фотоприемника, блока измерения длительности импульсов. В этом устройстве пучок света, сформированный источником света, конденсором, вращающимся зеркалом и коллимирующим объективом, частично диафрагмируется измеряемой деталью, фокусируется фокусирующим объективом, принимается двухплощадным фотоприемником и поступает в блок управления.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность оценки размеров измеряемого объекта и невысокая скорость измерения.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является фотометрическое измерительное устройство (см. авторское свидетельство СССР N 1357702, кл. G 01 В 11/08, 1987). Названное устройство состоит из осветителя, микрометрического винта, диафрагмы, фотоприемника, измерительного блока, индикатора перемещения. В устройстве с помощью осветителя формируется коллимированный пучок света, который направляется на диафрагму, выполненную с прямоугольным отверстием. Пучок, прошедший диафрагму, частично диафрагмируется контролируемой деталью, установленной на измерительной базе, и неподвижной диафрагмой, расположенной над деталью и выполненной в виде шторки. Часть пучка, прошедшего зазор между деталью и неподвижной диафрагмой, принимается фотоприемником. Полученный фотосигнал усиливается и поступает в блок обработки. Перемещая диафрагму, скрепленную с осветителем с помощью микрометрического винта, перпендикулярно оси детали, наблюдают за изменениями уровня фотосигнала. Максимальное его значение соответствует совмещению оптической оси осветителя с серединой зазора, образованного деталью и неподвижной диафрагмой. По величине перемещения, контролируемого по индикатору перемещения, и расстоянию между краем неподвижной диафрагмы и измерительной базы судят о размере контролируемой детали.

Одним из недостатков указанного фотометрического измерительного устройства является невысокая точность измерения размеров объекта. К другому недостатку прототипа следует отнести необходимость перемещения скрепленной с осветителем диафрагмы с помощью микрометрического винта и наблюдения за изменениями уровня фотосигнала, что существенно снижает скорость процесса измерения.

Задачей изобретения является повышение производительности и достоверности контроля за диаметрами тел вращения.

Задача изобретения достигается тем, что в систему, состоящую из осветителя, имеющего оптическую связь с реперной линейкой, измеряемым объектом круглой формы и через оптическую систему с фотоприемником, выходы которого связаны с измерительным блоком, введены две опоры измеряемого тела вращения, выполненные в виде цилиндров, свободно установленных на параллельных осях, имеющие кинематическую связь с датчиком углового положения опор измеряемого тела вращения и через измеряемое тело вращения и прижимной ролик с приводом вращения, датчик углового положения опор измеряемого тела вращения, выход которого подключен ко входу измерительного блока.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 показана конструкция опор измеряемого тела вращения (вид снизу); на фиг. 3 показан цикл работы устройства; на фиг. 4 показана циклограмма измерения; на фиг. 5 показана диаграмма работы прибора с зарядовой связью.

Оптико-электронное устройство для измерения диаметров тел вращения состоит из измерительного блока 1, фотоприемника 2, оптической системы 3, измеряемого тела 4 вращения, реперной линейки 5, прижимного ролика 6, привода 7 вращения, опор 8 и 9 измеряемого тела вращения, осветителя 10, датчика 11 углового положения опор измеряемого тела вращения, аналого-цифрового преобразователя 12. Датчик 11 углового положения опор измеряемого тела вращения связан со входом 13 измерительного блока 1. Фотоприемник 2 связан со входом 14 аналого-цифрового преобразователя 12. Фотоприемник 2 связан с выходом 15 измерительного блока 1.

Система работает следующим образом. Измеряемое тело 4 вращения помещают на опоры 8 и 9 измеряемого тела вращения. Для контроля за диаметром измеряемого тела 4 вращения необходимо перемещать измеряемое тело 4 вращения относительно фотоприемника 2. Для обеспечения вращения измеряемого тела 4 вращения используется прижимной ролик 6, передающий вращательное движение на измеряемое тело 4 вращения от привода вращения 7. Пучок света, сформированный осветителем 10, направляется на измеряемое тело 4 вращения и реперную линейку 5. Часть пучка света, прошедшая через зазор между измеряемым телом 4 вращения и реперной линейкой 5, направляется оптической системой 3 на фотоприемник 2, представляющий собой линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, состоящий из ряда фоточувствительных элементов, в каждом из которых под действием падающего на ячейку света возможно накопление электрического заряда, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока и времени накопления заряда. Под действием приложенных к фоточувствительному прибору с зарядовой связью управляющих напряжений формируемые заряды сдвигаются на выход фотоприемника 2. Информация с фотоприемника 2 для преобразования в цифровую форму поступает на вход 14 аналого-цифрового преобразователя 12, а затем в измерительный блок 1. Измерительный блок 1 представляет собой микропроцессор, вырабатывающий сигналы, управляющие считыванием информации с фотоприемника 2, и производящий оценку параметров измеряемого тела 4 вращения. Величину диаметра определяют по адресу ячейки фоточувствительного прибора с зарядовой связью (номеру такта), при котором произошло переключение сигнала с низкого уровня на высокий (с минимального кода аналого-цифрового преобразователя на максимальный).

Диаметр цилиндрической части измеряемого тела 4 вращения определяется по формуле , где D - диаметр цилиндрической части измеряемого тела 4 вращения; n - количество измерений диаметра цилиндрической части тела 4 вращения; D_i - результат оценки диаметра при i-м измерении.

Результат оценки диаметра при i-м измерении определяется по формуле D_i=X_p-AN(P_imax-P_imin), где X_p - координата реперной линейки, отсчитанная от теоретической осевой линии, совпадающей с осевой линией идеальной детали; А - размер элемента фоточувствительного прибора с зарядовой связью; N - коэффициент кратности объектива оптической системы; P_imax и P_imin - максимальный и минимальный номера пикселов, которые воспринимаются системой как светлые.

Циклограмма измерения приведена на фиг. 4: 16 - тень от тела вращения; 17 - тень от реперной линейки; 18 - фиксация адреса от края измеряемого тела вращения; 19 - фиксация адреса от края реперной линейки; 20 - измеряемая величина. Для контроля за диаметром измеряемого тела 4 вращения необходимо перемещать измеряемое тело 4 вращения относительно фотоприемника 2. В целях снижения трения предлагается использовать опоры 8 и 9 измеряемого тела вращения. Опоры 8 и 9 измеряемого тела вращения выполняются в виде опорных роликов. На опорные ролики устанавливаются определенные допуски, и радиусы опорных роликов имеют определенные отклонения от номинального размера. Так как опоры 8 и 9 измеряемого тела имеют кинематическую связь с измеряемым телом 4 вращения, то эти отклонения радиусов опорных роликов вызывают изменение положения центра измеряемого тела 4 вращения. В связи с этим возникает необходимость учета влияния отклонений радиусов опорных роликов на изменение положения центра измеряемого тела 4 вращения. Для этого до измерения диаметра измеряемого тела 4 вращения с помощью оптико-электронного прибора проводят измерение радиусов опорных роликов и заполнение таблицы зависимости отклонений радиусов опорных роликов от угла их поворота. Зависимость положения центра измеряемого тела 4 вращения от отклонений радиусов опорных роликов имеет вид
A=[L²(R_2K-R_1K)(R_2K-R_1K+2(R+R₀))]/(2L),
где A - зависимость положения центра измеряемого тела 4 вращения от отклонений радиусов опорных роликов;
L - расстояние по горизонтальной оси между центрами вращающихся направляющих;
R_1K, R_2K - отклонения радиусов опорных роликов;
R - номинальный радиус измеряемого тела;
R₀ - номинальный радиус опорных роликов.

Измерительный блок 1, получив с датчика 11 углового положения опор измеряемого тела вращения значение угла поворота опорных роликов и воспользовавшись таблицей зависимости отклонений радиусов опорных роликов от угла их поворота, по приведенной формуле вычисляет положение центра измеряемого тела 4 вращения и учитывает его в определении диаметра измеряемого тела 4 вращения. Для получения информации о вращении измеряемого тела 4 вращения используется датчик 11 углового положения опор измеряемого тела вращения, передающий информацию на вход 13 измерительного блока 1. Первый сигнал с датчика 11 углового положения опор измеряемого тела вращения является сигналом запуска измерительного процесса, а последующие сигналы передают информацию о положении измеряемого тела 4 вращения. В качестве датчика 11 углового положения опор измеряемого тела вращения может использоваться фотоимпульсный датчик. Типовой фотоимпульсный датчик состоит (на чертеже не показано) из диска, связанного с опорой измеряемого тела вращения, который моделирует световой поток. В диске выполнены отверстия или прорези. У края диска на краю фотоимпульсного датчика закреплена фотоголовка. Основными элементами фотоголовки являются осветитель и фотоиндикатор. При вращении опоры измеряемого тела вращения фотоиндикатор под действием моделированного светового потока вырабатывает импульсные сигналы с частотой
F=nN/60,
где n - частота вращения вращающейся направляющей, об/мин;
N - число прорезей или отверстий в диске.

Импульсные сигналы затем усиливаются, преобразуются и передаются в измерительный блок.

Функционирование линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью поясняется диаграммой, приведенной на фиг. 5, где представлены сигналы с разрешающего затвора 21; с первого регистра 22; со второго регистра 23; с затвора сброса первого регистра 24; с затвора сброса второго регистра 25; с затвора выборки-хранения первого регистра 26; с затвора выборки-хранения второго регистра 27; интервал времени передачи пакета 28; интервал времени накопления 29; интервал времени считывания 30.

Управляющие напряжения, сформированные на выходе 15 измерительного блока 1, представляют собой две группы напряжений, одна из которых управляет накоплением зарядов в фоточувствительном приборе с зарядовой связью, а другая управляет сдвигом зарядов на выход фотоприемника 2. При накоплении заряда в течение некоторого времени на определенную фазу подают смещение высокого уровня, под электродами этой фазы накапливаются зарядовые пакеты, формируемые светом. По истечении времени накопления включают тактирование фаз, и зарядовые пакеты направленно переносятся к выходному устройству. В том случае, если элемент фотоприемника не освещен, после переноса заряда с указанного фотоэлемента на выход устройства на нем формируется низкий уровень выходного сигнала и соответствующий ему код на выходе аналого-цифрового преобразователя. Освещенный фотоэлемент формирует высокий уровень выходного сигнала и соответствующий ему код на выходе аналого-цифрового преобразователя в соответствующем такте.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает повышение производительности и достоверности контроля за счет введения в устройство цилиндрических опорных роликов измеряемого тела вращения и учета влияния отклонений их радиусов на изменение положения центра измеряемого тела вращения.

Формула изобретения

1. Устройство измерения диаметров тел вращения, содержащее осветитель, имеющий оптическую связь с реперной линейкой, измеряемым телом вращения и через оптическую систему с измерительным входом фотоприемника, и измерительный блок, отличающееся тем, что в него введены две опоры измеряемого тела вращения, выполненные в виде цилиндров, свободно установленных на параллельных осях и снабженных датчиком их углового положения, прижимной ролик, кинематически связанный с приводом вращения, и аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход - с первым входом измерительного блока, второй вход которого соединен с выходом датчика углового положения опор измеряемого тела вращения, при этом первый выход измерительного блока соединен с управляющим входом фотоприемника, а второй выход измерительного блока соединен с управляющим входом привода вращения прижимного ролика.

2. Устройство по п.1 отличается тем, что в одной из опор в средней ее части выполнена кольцевая проточка, а вторая опора расположена с заходом ее в указанную кольцевую проточку.

РИСУНКИ

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