УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01B21/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к контролю непрямолинейности и неплоскосности протяженных поверхностей, например, направляющих высокоточных круп ногабаритных станков и может быть использовано также при контроле непрямолинейности координатных перемещений узлов станков, сооосности отверстий и валопроводов, проверке высотных отметок при монтаже оборудования.

Известно фотоэлектрическое устройство для измерения отклонения от прямолинейности поверхности (авт.св. N 427230, G 01 B 11/30, 1974), которое содержит последовательно расположенные источник света (лазер с гауссовым пучком), размещенный на измеряемой поверхности, и регистратор. Это устройство принято в качестве аналога.

Отличительной особенностью устройства-аналога является то, что в целью повышения точности измерения, линзы расположены друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, т.е. представляют собой телескопическую систему, которая расширяет лазерный пучек, уменьшая тем самым, угловые вибрации его осевой линии и обусловленную вибрациями погрешность.

Недостатком устройства-аналога является то, что оно не позволяет исключить погрешность от турбулентности воздушных потоков на трассе распределения лазерного пучка.

Этого недостатка лишино устройство для измерения отклонения от прямолинейности (авт.св. N 1564492, G 01 B 21/30, 1990.), которое содержит последовательно расположенные лазер, установленный с возможностью выставления лазерного пучка параллельно средней прямой контролируемого профиля, телескопического систему, отражатель в виде призмы БкР 180^o, выполненный с возможностью установки на контролируемой поверхности по ходу лазерного пучка, датчик линейных смещений, установленный по ходу отраженного лазерного пучка и регистратор. Это устройство принято в качестве прототипа.

Отличительной особенностью устройства-прототипа является то, что с целью повышения точности при турбулентности воздушных потоков по трассе распространения лазерного пучка, оно снабжено датчиком угловых смещений, установленным по ходу отраженного лазерного пучка, дискриминатором нулевого уровня, вход которого соединен с выходом датчика углового смещения, блоком выборки, сигнальный вход которого соединен с выходом датчика линейных смещений, а управляющий вход соединен с выходом дискриминатора нулевого уровня и блоком усреднения, вход которого соединен с выходом блока выборки, а выход - с входом регистратора.

Повышение точности измерения в устройстве-прототипе достигается за счет выборки сигналов с датчика линейных смещений только в моменты времени, которые соответствуют нулевым угловым смещениям оси отраженного лазерного пучка и усреднения результатов заранее заданного количества измерений.

Недостатком устройства-прототипа является наличие значительной погрешности преобразования датчика линейных смещений, роль которого играет позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ), состоящий из квадрантного фотоприемника и преобразователя аналоговых сигналов. Лазер имеет гауссово распределение амплитуды основной моды от координат x и y его поперечного сечения. Телескопическая система расширяет лазерный пучок, уменьшая степень изменения освещенности в окрестности его оси и тем самым, увеличивает погрешность преобразования датчика линейных смещений.

Техническим результатом является повышение точности измерения отклонения от прямолинейности контролируемого профиля при турбелентности потоков на трассе распространения лазерного пучка за счет уменьшения диаметра информационного пучка.

Указанные выше недостатки устраняются тем, что предлагаемое устройство снабжен аксиконом, установленным по ходу лазерного пучка за телескопической системой, а светоделитель установлен по ходу пучка за отражателем. Причем, аксикон имеет центральное отверстие и несколько отверстий по его периферийной окружности, а светоделитель имеет отверстие или зеркало в центре.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства для измерения отклонения от прямолинейности; на фиг. 2 сечение аксикона с центральным отверстием; на фиг. 3 аксикон с четырьмя периферийными отверстиями; на фиг. 4 распределение интенсивности информационного пучка вдоль координаты у его поперечного сечения.

Устройство для измерения отклонения от прямолинейности содержит лазер 1, телескопическую систему 2, аксикон 3, отражатель 4, светоделитель 5, датчик 6 линейных смещений, датчик 7 угловых смещений, состоящий из объектива 8 и датчика линейных смещений 9, дискриминатор 10 нулевого уровня, блок выборки 11, блок усреднения 12, состоящий из аналого-цифрового преобразователя 13 и вычислителя 14 и регистратор 15.

Лазер 1 установлен с возможностью выставления осей информационного пучка 16 и опорного пучка 17 параллельно средней прямой контролируемого профиля 18. Телескопическая система 2 расширяет гауссов пучок 21 лазера, формируя расширенный параллельны гауссов пучок 22. Аксикон 3 установлен на подвижке 20, аксикон имеет центральное (отверстие 25 на фиг. 2) и периферийные (отверстия 28 на фиг. 3), отверстия, которые предназначены для формирования широкого параллельного пучка 17, а также нанесенный на прозрачную подложку 26 интегральный дифрагирующий слой 27 (фиг. 2), который предназначен для формирования информационного пучка 16 с тонкой перетяжкой на его оси. Отражатель 4 выполнен в виде призмы БкР 180^o. Светоделитель 5 выполнен в виде зеркала с центральным отверстием и предназначен для направления информационного пучка 16 и датчик 6 линейных смещений, а опорного пучка 17 на датчик 7 угловых смещений, Датчик 6 линейных смещений содержит позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ) и дифференциальный преобразователь аналоговых сигналов, выход которого подключен к информационному входу 23 блока выборки 11. Датчик 7 угловых смещений содержит объектив 8 и датчик 9 линейных смещений (выполненный аналогично датчику 6), ПЧФ которого установлен в фокальной плоскости объектива. Вход дискриминатора 10 нулевого уровня соединен с выходом датчика 7 угловых смещений. Выход дискриминатора 10 нулевого уровня соединен с управляющим входом 24 блока выборки 11, выход которого соединен со входом блока усреднения 12. Блок усреднения 12 содержит последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь 13 и вычислитель 14. Выход блока усреднения 12 подключен ко входу регистратора 15.

Устройство работает следующим образом.

Сначала устанавливают лазер 1, телескопическую систему 2 и аксикон 3 на подвижке 20 так, чтобы оси информационного пучка 16 и опорного пучка 17 совпадали и были направлены параллельно контролируемому профилю 18. Телескопическая система 2 расширяет гауссов пучок 21 лазера и формирует расширенный параллельный пучок 22, который попадает на аксикон 3 с центральный и периферийными отверстиями. Часть расширенного параллельного пучка 22, проходя через центральное и периферийные отверстия аксикона 3, формирует широкий параллельный опорный пучок 17. Остальная часть пучка 22, проходя через дифрагирующий слой аксикона 3, формирует информационный пучок 16 с тонкой перетяжкой на его оси. Оба пучка проходят через отражатель 4, выполненный в виде призмы БкР 180^o, и направляются в обратную сторону параллельно средней линии контролируемого профиля 18. Информационный пучок 16, проходя через отверстие светоделителя 5, попадает на датчик 6 линейных смещений. Опорный пучок 17, отразившись от светоделителя 5, попадает на датчик 7 угловых смещений. Отражатель 4 устанавливается на контролируемый профиль 18 последовательно в выбранных точках контролируемой поверхности.

Датчик 6 линейных смещений, содержащий ПЧФ и дифференциальный преобразователь аналоговых сигналов, вырабатывает выходные аналоговые сигнала U_x, U_y, пропорциональные отклонениям контролируемого профиля от прямолинейности по осям x, y соответственно. Напряжения U_x, U_y поступают на сигнальные входы 23 блока выборки 11. Датчик 7 угловых смещений содержит объектив 8 и датчик линейных смещений 9, который может быть выполнен аналогично датчику 6, при этом ПЧФ датчика 8 устанавливается в фокальной плоскости объектива 8. Выходной сигнал датчика 7 угловых смещений поступает на вход дискриминатора 10 нулевого уровня. Дискриминатор 10 вырабатывает управляющие импульсы в моменты времени, когда отсутствует угловое отклонение опорного пучка 17 и сигнал на выходе датчика 7 равен нулю. Под действием управляющих импульсов блок 11 выборки открывается и пропускает сигналы U_x, U_y на свои выходы. Аналого-цифровой преобразователь 13, содержащий двухканальный аналоговый переключатель, поочередно подключается к выходам блока выборки 11 и преобразует входные аналоговые сигналы в цифровые значения, которые затем накапливаются в оперативной памяти вычислителя 14. После поступления на вычислитель 14 заранее заданного количества цифровых значений блок 12 производит их усреднение отдельно по каждой из координат отклонения информационного пучка. Усреднение цифровые значения отклонений регистрируются регистратором 15. Затем отражатель 4 переставляется в следующую точку контролируемого профиля 18 и процесс измерения повторяется.

Диаметр d (фиг. 4) перетяжки информационного пучка 16 в предлагаемом устройстве составляет около 10 мкм, т.е. в 5000 раз меньше диаметра гауссова информационного пучка в устройстве-прототипе, который попадает на датчик линейных смешений. Примерно во столько же раз повышается чувствительность предлагаемого устройства к линейным смещениям оси информационного пучка. Это позволяет исключить погрешность преобразования датчика линейных смещений обусловленную малым изменением освещенности в окрестности оси расширенного гауссова информационного пучка при небольших размера фоточувствительной площадки ПЧФ, которая обычно имеет размеры от 1 х 1 мм² до 0,1 х 0,1 мм².

Центральное отверстие аксикона на 0,5 1,0 м сужает диапазон длин контролируемых профилей. Поэтому с целью расширения диапазона измерения, целесообразно применять аксикон только с периферийными отверстиями (фиг. 3), которые, не сужая диапазона измерения, позволяют выровнять количество световой энергии, сосредоточенной в поперечном сечении перетяжки на удаленных от аксикона 3 участках информационного пучка 16. В идеале форма периферийных отверстий должна быть близка к форме равнобедренного треугольника с вершиной вблизи центра аксикона 3 и биссектрисой, направленной вдоль его радиуса.

Вместе светоделителя 5 с центральным отверстием целесообразно использовать светоделитель с центральным зеркалом, нанесенным на прозрачную подложку. Такой светоделитель проще и дешевле изготовить. При этом функциональная схема и работа устройства останутся неизменными за исключением того, что датчик 6 линейных смещений и датчик 7 угловых смещений с подключенным к его выходу дискриминатором 11 поменяются местами и соответственно, поменяются местами информационный 23 и управляющий 24 входы блока выборки 11.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контролю непрямолинейности и неплоскостности протяженных поверхностей, например направляющих высокоточных крупногабаритных станков, и может быть использовано также при контроле прямолинейности координатных перемещения узлов станков соосности отверстий и валопроводов проверке высотных отметок при монтаже оборудования. Технический результат - повышение точности измерения отклонения от прямолинейности контролируемого профиля при турбулентности потоков на трассе распространения лазерного пучка за счет уменьшения диаметра перетяжки информационного пучка. Результат достигается тем, что устройство снабжено аксиконом с отверстиями, установленным по ходу лазерного пучка за телескопической системой и светоделителем с отверстием или зеркалом в центре, установленным по ходу пучка за отражателем. 4 ил.

Устройство для измерения отклонения от прямолинейности, содержащее лазер с телескопической системой, отражатель в виде призмы Бк Р 180^o, устанавливаемый на контролируемой поверхности по ходу лазерного излучения, светоделитель, установленный по ходу отраженного лазерного излучения и предназначенный для деления его на два пучка, датчик линейных смещений и датчик угловых смещений, установленные после светоделителя по ходу соответствующих пучков, регистратор, дискриминатор нулевого уровня, вход которого соединен с выходом датчика угловых смещений, блок выборки, сигнальный вход которого соединен с выходом датчика линейных смещений, а управляющий вход соединен с выходом дискриминатора нулевого уровня, и блок усреднения, вход которого соединен с выходом блока выборки, а выход с входом регистратора, отличающееся тем, что оно снабжено аксиконом с отверстиями, установленным по ходу лазерного излучения за телескопической системой, светоделитель выполнен в виде зеркала с центральным отверстием или прозрачной пластины с центральным зеркалом.