УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА ДЕТАЛИ Российский патент 1995 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного бесконтактного измерения поперечного размера детали, а также ширины зазоров между двумя непрозрачными кромками.

Известно устройство для измерения поперечного размера детали, содержащее источник направленного пучка излучения лазер, расположенные по ходу его лучей 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 регистрирует начало и конец импульса затенения, соответствующее падению амплитуды сигнала в 2 раза, измеряют его длительность по числу импульсов кварцевого генератора и по его длительности импульса вычисляют размер детали [патент Франции N 2305711, кл G 01 B 11/040 1976 г. [1]
Наиболее близким техническим решением прототипом является устройство для дискретного бесконтактного измерения наружных размеров предметов, содержащее источник узкого светового пучка, направленного на поворотный отражатель, создающий плоское сканирование пучка, два фотоэлемента, которые ограничивают размеры плоскости измерения, оптическую систему, между линзами которой находится измеряемая деталь, в фокусе оптической системы расположен фотоприемник, кроме того, устройство содержит схему формирования импульса "створ", схему выделения импульса затенения, а также блок обработки данных [патент ЧССР N 240266 от 27.01.83 г. кл. G 01 B 7.02] [2]
Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения, вызванная большой длительностью фронтов импульса "створ".

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения, поворотного зеркального отражателя, объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражателя, фотоэлектрического датчика, расположенного по краям объектива на линии сканирования, и схемы формирования импульса "створ", соединенной с выходом фотоэлектрического датчика, приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник и схему выделения импульса затенения, а также блок обработки данных, входы которого соединены с выходом приемного блока и выходом схемы формирования импульса "створ", фотоэлектрический датчик выполнен в виде отражающего и полупрозрачного зеркал с поперечным размером меньшим светового диаметра объектива, линзы, диафрагмы и фотоприемника, зеркала располагаются по ходу прошедших через объектив лучей по краям светового диаметра объектива параллельно друг другу под углом 45^о к оси объектива так, что полупрозрачное зеркало расположено по ходу отраженного луча между отражающим зеркалом и линзой, а линза, диафрагма и фотоприемник расположены последовательно по ходу лучей, отраженных от зеркал, диафрагма расположена в фокальной плоскости оптической системы, образованной объективом и линзой. Зеркала могут быть выполнены в виде боковых граней призмы. Для измерения ширины зазоров устройство снабжено автоматическим коммутатором, включенным между выходом приемного блока и входом блока обработки данных. Коммутатор состоит из L-триггера и элемента "исключающее ИЛИ", причем С-вход триггера подключен к выходу схемы формирования импульса "створ" и является управляющим входом коммутатора, Д-вход триггера соединен с выходом схемы выделения импульса затенения и одним из входов схемы "исключающее ИЛИ" и является входом коммутатора, а выход триггера подключен ко второму входу элемента "исключающее ИЛИ", выход которого подключен ко входу блока обработки данных и является выходом коммутатора.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 показан вариант устройства с зеркалами, выполненными в виде боковых граней призмы; на фиг.3 приведена схема устройства с автоматическим коммутатором; на фиг.4 показаны временные диаграммы, поясняющие работу автоматического коммутатора; на фиг.5 представлена схема формирования импульса "створ" и временные диаграммы, поясняющие ее работу.

Устройство (см.фиг.1) содержит блок 1 сканирования, состоящий из оптически связанных источника 2 направленного пучка излучения, поворотного зеркального отражателя 3, объектива 4, установленного на фокусном расстоянии от отражателя, фотоэлектрического датчика 5, включающего в себя отражающее зеркало 6, полупрозрачное зеркало 7, линзу 8, диафрагму 9 и фотоприемник 10, и схему 11 формирования импульса "створ"; приемный блок 12, включающий в себя коллимирующий объектив 13, фотоприемник 14 и схему 15 выделения импульса затенения, а также блок 16 обработки данных. В зоне измерения между блоком сканирования 1 и приемным блоком 12 располагается контролируемая деталь 17. Зеркала 6 и 7 фотоэлектрического датчика 5 расположены по ходу лучей за объективом 4 по краям его светового диаметра под углом 45^о к оптической оси объектива и могут быть выполнены на гранях призмы 18. Зеркала 6,7, линза 8, диафрагма 9 и фотоприемник 10 оптического датчика распложены на одной оптической оси, перпендикулярной оси объектива 4, причем диафрагма 9 расположена в эквивалентной фокальной плоскости оптической системы, образованной объективом 4 и линзой 8 (см.фиг.2), где лучи 19, 20 формируют перетяжку 21 сканирующего пучка малого диаметра (около 10 мкм).

Для повышения температурной стабильности зеркала 6, 7 выполнены в виде скошенных под углом 45^о боковых граней призмы 18, изготовленной из материала с низким коэффициентом линейного теплового расширения, например, из кварцевого оптического стекла.

Для расширения функциональных возможностей устройства за счет измерения ширины зазоров и щелей оно снабжено автоматическим коммутатором 12 (см.фиг. 3), включенным между выходом приемного блока 12 и входом блока 16 обработки данных. Автоматический коммутатора 22 состоит из Д-триггера 23 и элемента 24 "исключающее ИЛИ", соединенных таким образом, что С-вход триггера подключен к выходу схемы 11 формирования импульса "створ" и является управляющим входом коммутатора, Д-вход триггера соединен с выходом схемы 15 выделения импульса затенения и одним из входов элемента 24 "исключающее ИЛИ", выход триггера подключен ко второму входу элемента 24 "исключающее ИЛИ", выход которого является выходом коммутатора 22 и подключен к входу блока 16 обработки данных.

Схема 11 (см.фиг.4) формирования импульса "створ" состоит из последовательно соединенных первого дифференцирующего звена 25, второго дифференцирующего звена 26, стробируемого компаратора 27 нуля сигнала второй производной и делителя на два 28, а также компаратора 29 уровня сигнала первой производной, вход которого подключен к выходу первого дифференцирующего звена, а выход подключен к стробирующему входу компаратора 27 нуля сигнала второй производной. Входом схемы 11 формиpования импульса "створ" является вход первого дифференцирующего звена 25, а выходом схемы 11 является выход делителя на два 28.

Устройство работает следующим образом.

Источник 2 направленного пучка излучения освещает параллельным пучком света поворотный зеркальный отражатель 3. Отраженный от отражателя 3 параллельный пучок света проходит через объектив 4, выходит из него в виде сходящегося пучка, образующего перетяжку в задней фокальной плоскости объектива 4, где располагается контролируемая деталь 17. При вращении поворотного зеркального отражателя 3 ось выходящего из объектива 4 пучка света перемещается параллельно самой себе в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива 4. Световой пучок 19 (см.фиг.2), проходящий через один край светового диаметра объектива 4,отражается от зеркала 6, проходит через полупрозрачное зеркало 7, падает на линзу 8 и образует узкую перетяжку 21 в плоскости диафрагмы 9. При вращении зеркального отражателя 3 световой пучок 19 перемещается по зеркалу 6 и линзе 8, а узкая перетяжка 21 этого пучка сканирует диафрагму 9. Прошедший через диафрагму 9 свет освещает фотоприемник 10, на выходе которого формируется первый импульс фототока с крутыми фронтами (см. временную диаграмму U 10 на фиг.5). При достижении сканирующим световым пучком диаметрально противоположного края объектива 4 прошедший через объектив световой пучок 20 отражается от полупрозрачного зеркала 7, проходит через линзу 8 и так же, как пучок 19, образует узкую перетяжку 21 в плоскости диафрагмы 9. Прошедший через диафрагму 9 свет вновь попадает на фотоприемник 10 и формирует на его выходе второй импульс фототока с крутыми фронтами (см. временную диаграмму U 10 на фиг.5). Подключенная к выходу фотоприемника 10 схема 11 формирования импульса "створ" формирует по фронту первого импульса фототока U 10 передний фронт импульса "створ", а по фронту второго импульса фототока U 10 задний фронт импульса "створ" (см.временную диаграмму U 11 на фиг. 5). При этом длительность t_s импульса "створ" прямо пропорциональна расстоянию меду зеркалами 6 и 7 и обратно пропорциональна линейной скорости сканирования пучка по объективу 4. Пучок света, прошедший через центральную часть объектива 4 (фиг.1), проходит через зону измерения с контролируемой деталью 17 и собирается коллимирующим объективом 13 на фотоприемник 14. При вращении зеркального отражателя 3 сканирующий пучок пересекает контролируемую деталь 17 и на выходе подключенной к фотоприемнику 14 схемы 15 выделения импульса затенения формируется прямоугольный импульс (см.временную диаграмму U 12, U 15 на фиг.4), длительность t_d которого пропорциональна поперечному размеру детали 17.

Импульс затенения U 12 и импульс "створ" U 11 (фиг.5) поступают на входы микропроцессорного блока 16 обработки данных. Блок 16 обработки данных измеряет их длительности t_d и t_c и рассчитывает поперечный размер детали по формуле:
D ·K, (1) где D поперечный размер детали;
t_d длительность импульса затенения детали;
t_s длительность импульса "створ";
К коэффициент пропорциональности, учитывающий фокусное расстояние и полевые аберрации объектива.

В предложенной схеме устройства фотоэлектрический датчик 5, состоящий из двух зеркал 6, 7, линзы 8, диафрагмы 9, фотоприемника 10 обеспечивает, по сравнению с прототипом, меньший диаметр сканирующего пятна, а значит, и более крутые фронты импульса "створ". Расчеты показывают, что при диаметре освещающего пучка 19 d 19= 1 мм и фокусных расстояниях объектива 4 и линзы 8 равных соответственно F₄ 250 мм, F₈ 50 мм, диаметр перетяжки 21 составляет 0,01 мм. Поскольку, как известно, погрешность измерения длительности электрического импульса пропорциональна длительности этого импульса, то предложенное устройство, по сравнению с прототипом, позволяет значительно увеличить крутизну фронтов и тем самым повысить точность измерения длительности импульса "створ", а следовательно, и точность измерения поперечного размера детали. Например, при указанных выше параметрах оптической схемы крутизна фронтов импульса "створ" возрастает в десять раз.

Для того, чтобы расстояние между зеркалами 6 и 7, а значит, и длительность t_s импульса "створ" не изменялась в широком диапазоне температур, зеркала 6 и 7 выполнены в виде боковых граней призмы, изготовленной из материала с низким коэффициентом линейного теплового расширения, например, из оптического кварцевого стекла, коэффициент расширения которого составляет α ₁ 0,6˙10^-6 град^-1 (для сравнения коэффициент расширения алюминиевого основания, на котором обычно монтируется оптическая схема аналогичных устройств, равен α ₂= 20 ˙ 10^-6 град^-1). Например, в диапазоне температур от 5^оС до 45^оС расстояние между зеркалами 6 и 7 (около 70 мм), смонтированными на алюминиевом основании, изменяется на 56 мкм, в то время как расстояние между зеркалами, выполненными на кварцевой призме, изменяется не более чем на 1,5 мкм, что значительно меньше линейного расширения самой контролируемой детали (например, размер стальной детали диаметром 40 мм изменяется при этом на 16 мкм).

Работа автоматического коммутатора 22 (см.фиг.3) поясняется временными диаграммами, изображенными на фиг.4.

В том случае, когда контролируемая деталь 17 представляет собой непрозрачный предмет, например, стальной вал, на выходе приемного блока 12 формируется в уровнях ТТЛ импульс затенения U 12а, имеющий форму перепада из состояния логической "1", в состояние логического "0", который поступает на Д-вход триггера 23. По времени импульс затенения U 12 всегда расположен между фронтом и спадом импульса "створ" U 11, поступающего на С-вход триггера 23. По переднему фронту импульса "створ" U 11 срабатывает триггер 23 и на его выходе устанавливается логический уровень Д-входа триггера, т.е. уровень логической "1" (см.временную диаграмму U 23), который поступает на один из входов элемента "исключающее ИЛИ" 24. При наличии на одном из входов элемента 24 уровня логической "1" он без инверсии пропускает импульс затенения U 12а, поступающий на его второй вход с выхода приемного блока 12. В результате этого на выходе автоматического коммутатора формируется импульс затенения U 24а, повторяющий форму импульса затенения U 12а на его входе.

В случае, когда контролируется деталь представляет собой зазор между двумя непрозрачными кромками, импульс затенения U 12б на выходе приемного блока 12 имеет противоположную полярность, т.е. представлен перепадом из состояния логического "0" в состояние логической "1". В этом случае с приходом переднего фронта импульса "створ" U 11 триггер 23 устанавливается по выходу в противоположное состояние состояние логического "0" U 23б, которое передается на вход элемента 24. При наличии на одном из входов элемента 24 потенциала логического "0", он инвертирует поступающий на его второй вход импульс затенения U 12б, в результате чего на выходе автоматического коммутатора 22 формируется импульс затенения U 24б, противоположный по форме входному импульсу затенения U 12б, и совпадающий с формой импульса затенения от непрозрачной детали типа вала. Таким образом, при наличии автоматического коммутатора, форма импульса затенения на входе блока 16 обработки данных не зависит от типа контролируемой детали (вал или зазор), что расширяет функциональные возможности устройства.

Схема 11 формирования импульса "створ" работает следующим образом. Импульсы фототока U 10 (фиг.5) с выхода фотоприемника 10 фотоэлектрического датчика (фиг.1) поступают на вход первого дифференцирующего звена 25 схемы 11 (фиг. 5). На ее выходе формируется инвертированное напряжение U 25, соответствующее первой производной входного сигнала U 10. Координаты максимумов положительной полярности в сигнале первой производной U 25 соответствуют фронтам импульса фототока во входном сигнале U 10. Напряжение U 25 первой производной поступает на вход второго дифференцирующего звена 26, где выделяется сигнал второй производной U 26. Точки перехода через ноль сигнала второй производной U 26 соответствуют переднему и заднему фронту импульсов фототока U 10. Компаратор 29 уровня сигнала первой производной служит для выделения моментов времени, соответствующих только передним фронтам импульса фототока. Для этого поступающее на неинвертирующий вход компаратора 29 напряжение первой производной U 25 сравнивается с пороговым уровнем U пор (пунктир на диаграмме U 25), поданным на инвертирующий вход компаратора 29. Результатом сравнения является импульс логической "1" U в моменты времени, соответствующие передним фронтам импульсов фототока. Импульсное напряжение U 29 поступает на стробирующий вход компаратора 27 нуля второй производной, который открывается и переходит в состояние логического "0" с приходом стробирующего импульса U 29, а затем возвращается в состояние логической "1" в момент перехода через ноль сигнала второй производной U 26. Благодаря этому на выходе компаратора 27 формируется два коротких импульса U 27, задние фронты которых соответствуют передним фронтам первого и второго импульсов фототока. По задним фронтам импульсов U 27 происходит срабатывание делителя на два 28, на выходе которого формируется прямоугольный импульс "створ" U 28, передний и задний фронты которого точно соответствуют передним фронтам первого и второго импульсов фототока U 10. Благодаря использованию предложенной схемы формирования импульса "створ" длительность последнего не зависит от таких влияющих факторов, как дрейф темнового тока фотоприемника 10, дрейф нуля операционных усилителей, а также от внешних засветок, пульсаций мощности лазерного излучения и других помех, спектр которых уже спектра импульса фототока U 10.

Схема 15 выделения импульса затенения может быть реализована, например, по схеме, описанной в статье Е.В.Алексеенко, Г.А.Филимоновой, Е.К.Шарцева "Формирование сигналов лазерных измерителей" Измерительная техника, 1988, N 8, с. 16-17 или по схеме, предложенной в патенте США N 3907439 от сентября 1975 г.

Блок 16 обработки данных, так же, как и в прототипе, представляет собой высокочастотный генератор тактовых импульсов и два счетчика, выходы которых подключены к шине данных микро-ЭВМ или микропроцессорного котроллера. На счетные входы счетчиков поступают импульсы тактового генератора, на вход разрешения одного счетчика поступает импульс "створ" со схемы 11 формирования импульса "створ", а на вход второго счетчика поступает импульс затенения с выхода схемы 15 выделения импульса затенения. Количества импульсов, накопленные первым и вторым счетчиками, пропорциональны, соответственно, длительностям импульса "створ" и импульса затенения. Микро+ЭВМ считывает содержимое счетчиков и выполняет заданные программой операции для вычисления размера контролируемой детали.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение точности измерений, а также расширение функциональных возможностей. Устройство содержит блок сканирования, состоящий из источника направленного пучка излучения, поворотного зеркального отражателя 3, объектива 4, фотоэлектрического датчика 5, расположенного по краям объектива, и схемы формирования импульса "створ", приемный блок 1, включающий в себя коллимирующий объектив 13, фотоприемник 14 схему выделения импульса затенения, а также блок обработки данных. Фотоэлектрический датчик 5 выполнен в виде двух зеркал отражающего 6, полупрозрачного 7, линзы 8, диаграммы 9, фотоприемника 10. Приведенная конструкция позволяет уменьшить погрешность от большой длительности импульса "створ". Кроме того, устройство снабжено автоматическим коммутатором, позволяющим измерять ширину зазоров. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА ДЕТАЛИ, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения, повторного зеркального отражателя, объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражателя, фотоэлектрического датчика, расположенного по краям объектива на линии сканирования, и схемы формирования импульса "Створ", соединенной с выходом фотоэлектрического датчика, приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник и схему выделения импульса затенения, а также блок обработки данных, входы которого соединены с выходами приемного блока и схемы формирования импульса "Створ", отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, фотоэлектрический датчик выполнен в виде отражающего и полупрозрачного зеркал с поперечным размером, меньшим светового диаметра объектива, линзы, диафрагмы и фотоприемника, зеркала располагаются по ходу прошедших через объектив лучей по краям светового диаметра объектива параллельно друг другу под углом 45^o к оси объектива так, что полупрозрачное зеркало расположено по ходу отраженного луча между отражающим зеркалом и линзой, а линза, диафрагма и фотоприемник расположены последовательно по ходу лучей, отраженных от зеркал, диафрагма расположена в фокальной плоскости оптической системы, образованной объективом и линзой. 2. Устройство по п. 1. отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет увеличения температурной стабильности, зеркала выполнены в виде боковых граней призмы, изготовленной из материала с низким коэффициентом линейного теплового расширения. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет измерения ширины зазоров, оно снабжено автоматическим коммутатором, включенным между выходом приемного блока и входом блока обработки данных, который состоит из D-триггера и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем C-вход триггера подключен к выходу схемы форммирования импульса "Створ" и является управляющим входом коммутатора, D-вход триггера соединен с выходом схемы выделения импульса затенения и одним из входов схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и является входом коммутатора, а выход триггера подключен к второму входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к входу блока обработки данных и является выходом коммутатора.