Устройство для контроля углов поворота объекта

 

о-со -с,д,т ф. ь у

" - - ч с,;; >""" к. i< Ä /

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕ Н И Я

К АВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

> 7693I6

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву—

1 (22) Заявлено 04.01.77 (21) 2438113/25-28

2512495/25-28,51) М.Кл.- 601 В 1 l(26 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень ¹ 37. (45) Дата опубликования описания 10.11.80

Государственный комитет по делам изобретений и открытий

,53) УДК 531.743 (088.8) (72) Авторы изобретения

Э. Д. Панков и И. А. Коняхин (71) Заявитель Ленинградский институт точной механики и оптики (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ

УГЛОВ ПОВОРОТА ОБЪЕКТА — и,; -}- 2 t" 1 1,-+

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике а именно к оптическим и оптико-электронным угломерным приборам, предназначенным для определения углового положения одного объекта относительно другого.

Известны оптические,и оптико-электронные угломерные устройства, которые включают визуальный или оптико-электронный автоколлиматор и специальный отражатель.

При этом визуальные автоколлиматоры снабжаются окулярными измерительными приспособлениями, позволяющими измерять смещения изображений марки автоколлиматора, пропорциональные величинам измеряемых углов, либо фотоэлектрическими

1 регистрирующими системами, выходные сигналы которых пропорциональны величинам .измеряемых углов 11).

Недостатком этих устройств является невысокая точность измерений углов, обусловленная тем, что смещение изображения марки зависит от одного,из коллимационных углов .поворота отражателя

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для контроля углов поворота объекта, содержащее формирователь излучения, скрепляемый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугранных углов которого имеет отступление от 90, и регистрирующее устройство, установленное по ходу излучения от отражателя (2).

Недостаток устройства — невысокая точтость измерений углов .поворота, связанная с тем, что уголковый отражатель не обеспечивает точного измерения угла скручива, ния.

Целью изобретения является повышение точ ности из м ер ен и й.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для контроля углов поворота объекта двугранные углы отражателя выполнены с заведомо заданными отступлениями от 90 .

Кроме того, заведомо заданные отступления от 90 имеют равные величины и одинаковые знаки или равные величины и разные знаки.

Заведомо заданное отступление от 90 третьего двугранного угла в случае использования в качестве уголкового отражателя триппель-призмы определяется из условия:

25 где n — показатель преломления триппель30 призмы, равный

769316 — 1 l1

К вЂ” 1 з lç apc— тз где 4, kç, l1, lç, m1, m — элементы реальных матриц (1гз! = 11, k

А = 0 ) орт отраженного луча в общем

20 0 (2) 1К(= miI =0

1k3 = I ll I = 0 (4) 6 — заданное отступление от 90 двугранных углов, имеющих равные абсолютные величины;

А -- единичный орт падающего луча;

N — единичный орт,нормали 1передней грани триппель-призмы;

n — показатель преломления материала отражателя.

Заведомо заданные отступления от 90 третьего двугранного угла в случае выполнения уголкового отражателя в виде тройного зеркала определяются из условия: D(6,=

= — )Г 26, На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого. устройства; на фиг. 2 и 3 — характер изображения автоколлимационных марок в плоскости анализа (плоскости размещения измерительного устройства или фоторегистрирующей системы); на фиг. 4 — ориентация уголкового отражателя относительно системы координат при наличии погрешностей двух прямых двугранных углов; на фиг. 5 — характер изображения марок, отраженных от отражающих

3 гранеи уголкового отражателя с двумя погрешностями в плоскости анализа.

Устройство содержит формирователь из лучения, выполненный из автоколлиматора, включающего объектив 1, фоторегистрирующие системы 2 и 8, установленные в фокальной плоскости объектива 1. Между объективом,и фоторегистрирующей системой установлен светоделительный элемент 4, образующий боковой-канал, в котором в фокальной плоскости объектива расположена светящаяся марка 5, выполненная, например, в виде светодиода. На фиг 1 вершина уголкового отражателя 6 расположена в начале базовой системы координат XYZ.

Устройство работает следующим образом.

Лучистый поток от. марки 5 с помощью светоделительного элемента 4 и объектива

1 направляется на уголковый от1 ажатель 6.

Особенностью уголкового отражателя является то, что все три прямых двугранных угла выполнены с отступлениями от 90, отражатель ориентирован определенным образом относительно оптической оси автоколлиматора. Вследствие наличия ошибок прямых двугранных углов уголковый отражатель при отражении разделяет падающий на него параллельный пучок на шесть пучков, которые расположены попарно в трех плоскостях, не совпадающих друг с другом.

Отраженные пучки в каждой паре составляют равные углы с падающими. Уголковый отражатель с тремя дефектными углами описывается шестью матрицами вида (каждая матрица описывает один отраженный случае определяется матрицей:

1

3,1„— 1 з + kçß вЂ” mai ° !

133. 132Ч1 l31! 1

t 1 где вторая и третья строки матрицы определяют отклонения орта овражен1ного пучка от плоскостей ZOX u Х01 соответственно.

Как следует из анализа формулы, для того, чтобы по отклонению пучка можно было измерить угол скручивания ср независимо от коллимационных углов х и ф, необходимо выполнение условия:

=, ., ==0 (3) С другой стороны, для того, чтобы по отклонению пучка можно было определить

4 коллимационные углы к и ф независимо от угла скручивания 1р, необходимо, чтобы выполнялись условия:

Выбирая величины и знаки погрешностей углов уголкового отражателя, а также его о риент1иров1ку, можно добиться, чтобы равенство (3) выполнялось для .матриц, описывающих одну пару отраженных пучков, а система, уравнений (4) — для матриц, описывающих другую пару отраженных пучков.

Переходя к реальным выражениям элемен55 тов матриц отраженных пучков, можно зап1исать следующие уравнения:

1) Для пары пучков с- последовательностями отражений с, а, b (первый;пучок пары, фиг.1), b, а, с (второй пучок пары);

Лз. СОЗфз+ з 5!П фз — — 0 (Йз =О) т cos xp + sin xpf — Лз sin фо + — 73 COS ф11) — 0; ((k3(= О) ?69316 и -+ 2

1О ° 0 — Ц,/2

2пз+ 1

1 5., 2(n — . 1) -«- 2««(и — 1)

15 P P/ 9 д;(и 1) + (, э (6) 2

n=-,— (и — I j, 3 где А — орт падающего на отражатель пучка;

N — орт нормали к передней грани отражателя; п "— показатель преломления материала отражателя.

Решая вышеуказанную систему уравнений, определяют знаки 6«, бз и бз, соотношения между ними и угол хо.

Зададимся « о — — — 45, при этом отражатель расположен симметрично относительно плоскости ZOX (положение, показанное на фиг. 1). При этом условии система уравне2). Для пары пучков с последовательностями отражений а, b, с (пврвый лучок), с, b, а (второй пучок):

m« - sin xp + cos xo(— Л« ° sin фц +

+ g, . c0s «ро1 = 0 ° (Imz.= 11з««=0) (ориентация пучка не зависит от х и g)

В вышеприведенных уравнениях

m> = 2бз(и+ 1)+ n(6« — 62) л л

m« — — 26з(п + 1) — n(6« — 62);

Л л

Лз = 26 (n+ 1)+ п(бз — 6«); л л

Л, = — 26 (n+ 1) — п(бз+ 6«);

А Л

Q 3 — — 26«(п + 1) + и(бз + бз); л л

«7« = 26«(п + 1) + и(бз — 62);

«ьо, хо — углы, определяющие ориентацию уголкового отражателя относительно системы координат XYZ (фиг. 1);

xo — угол между ребром двугранного угла, имеющего ошибку бз и осью OZ; угол ко считается положительным, если ось OZ совмещается с ребром вращением относительно оси ОУ против часовой стрелки (на фиг, 1 хр положителен);

go — угол между проекцией ребра двугранного угла, имеющего ошибку бз, и осью

ОУ; угол фо считается положительным, если

OY совмещается с проекцией ребра вращением относительно оси OZ против часовой стрелки (на ф«иг. 1 при,изображенном положении YO угол фо отрицателен).

В вышеприведенных выражениях: прп этом и описывается выражением ний упрощается. Решая первое уравнение системы, получаем: бз+6« = 0 (5)

Примем- бз = — б, б« =б. Преобразовав оставшиеся два уравнения лолучаем:

Так,как параметр и неявно зависит от к««, система уравнений не решается алгебраическими. методами и может быть решена с помощью ЭВМ. Так, например, для отражателя, изготовленного из стекла К8 (n = 1,5163), решение системы уравнений дает бз = — 1,23686; xp — — 43 36 . (7)

Таким образом, при выполнении условий (5«и (7), используя первую пару отраженных пучков, можно измерять углы х и «Р, а используя вторую пару пучком, — угол «р, независимо друг от друга. Необходимо отметить, что в случае, изготовления уголкового отражателя в виде тройного зеркала, для которого п = и = 1, система (6) решается алгебраически:

35 бз « э

tg xp —— 1 (х« — — 45 ) .

Аналогично можно показать, что если бг — — б, б« = — б, то,для п = 1,5163, 40 бз,= 1,2368 6.

Как показали расчеты, пара отраженных пучком с последовательностями отражений а, b, с и с, b, а соответственно (пучки 9, 10 на фиг. 1) при выполнении условий (5) и

45 (6) лежит в плоскости ХОУ, и пучки откло-нены от падающего пучка на угол Л« = 46n.

Данные пучки чувствительны лишь к углу скручивания «р.

Пары отраженных пучков с последова. тельностью отражений с, а, b и Ь, а, с соответственно отражаются уголковым отражателем в направлении, обратном падающему. лучу (пучки 7 и 8). Данные пучки чувстви55

Пара пучков с последовательностями отражений b, а, с и с, а, b не,используется и прн построении угломера не препятствует регистрации отклонения двух пар рабочих

@> пучков, так,как не лежит в плоскости ХОУ.

При этом каждый из пучков отклонен от падающего пучка на угол 5> — — 21 3 В и, Таким образом, в фокальной плоскости автоколлиматора образуются шесть изобра55 жений марки (фиг. 2). При этом изобра769316 жения 9 и 10 отклонены от центра на величины 46nf i, где / — фокусное расстояние объектива автоколлиматора, изображения 7 и 8 совпадают друг с другом и с оптической осью автоколлиматора, изображения 11 и 12 отклонены от центра на величину " V3 Ьп f и не совпадают с 9 и 10 .

В случае разворота контролируемого объекта, а следовательно, и связанного с ним отражателя на малые углы ср, х, g относительно осей ОХ, OY, OZ, соответственно, как показывают расчеты, пучки 9 и 10 синхронно повернутся на угол р относительно оптической оси автоколлиматора, что вызовет линейное, смещение изображений 9 и

10 (в разумные стороны);на.величину 4бв/ ) - <р (фант. 3) . Регистращия этого линейного смещения пучка 9 при помощи позиционночувствительной регистрирующей системы (ПЧРС) позволяет измерить угол ф.

Аналогично можно показать, что изображения 7 и 8 сместятея относительно начального положения (в разные стороны), причем величина смещения относительно плоскости ХОУ составляет 46f > - ф, а относительно ZOX — 46f Iõ.

Регистрация этих линейных смещений при помощи двухкоординатной ПЧРС 3, позволяет измерить углы х и ф.

Таким образом, реализуя соотношения между величинами и знаками ошибок .прямых двугранных углов и параметрами ориентации УО, найденными при решении уравнений (5) и (6), можно добиться независимого измерения всех трех углов разворота ср, х,ф

Необходимо также отметить, что подобный отражатель позволяет реализовать одинаковые IID порядку величины коэффициентов передачи между величиной поворота отражателя и величиной поворота отраженного луча по B(BM трем измеряемым углам: по углу q коэффициент передачи равен 46п, I по углам х и ф — 46(n рави о =1,5 и не изменяет порядка иоэффициента передачи) .

Это обстоятельство позволяет выполнить устройство малогабаритным, работающим либо на больших дистанциях, либо при больших диапазонах измеряемых углов

Предлагаемое устройство может найти применение для решения широкого круга

Метрологических задач, связанных с измерением трех угловых координат объекта с высокой точностью.

Формула изобретения

Устройство для контроля углов поворота объекта, содержащее формирователь излучения, скрепляемый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугр а нных углов,которого . имеет отступление от 90, и регистрирующее устройство, установленное по ходу излучения от отражателя, отлич а ю щееся тем, что, с целью повышения точности измерений, остальные двугранные углы выполнены с заведомо заданными отступлениями от 90 .

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что заведомо заданные отступления от 90 имеют равные величины и одинаковые знаки.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что заведомо заданные отступления на 90 имеют равные величины н разные

gp 3HBKH.

4. Устройство по пп. 1 — 3, отл ич а ющ е е с я тем, что заведомо заданное отступление от 90 третьего двугранного угла оп- ределяется из условия:

/ и+2

6q = — 61"2 /

2n- + !

30 где n — показатель преломления триппель призмы, равный

35 зада нные отступления от 90 двугранных углов, имеющих равные абсолютные величины; единичный орт падающего луча; единичный орт нормали к передней грани триппель-призмы; показатель преломления материалаа отражателя.

45 бз = +24

55 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР № 511520 G 01 В 11/26 от 1974 r.

2 Авторское свидетельство СССР

5o № 557261 G 01 В 11/26 от 1976 r. (прототип).,5. Устройство по пп. 1 — 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что заведомо заданное отступление от 90 третьего двугранного угла оп5п ределяется из условия:

769316

Составитель В. Климова

Техред И. Пенчко

Корректор С. Файн

Редактор Ж. Рожкова с

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 1230/1340 Изд. № 475 - Тираж 810 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7Ê-35, Раушская наб., д. 4/5