СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ ДЕТАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/02 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для допускового контроля за положением границы деталей (объектов) по принципу годен/негоден, которое необходимо при контроле размеров деталей, аттестации концевых мер, определении износа резцов на станке, определении износа измерительных головок на координатно-измерительных машинах.

Известен бесконтактный способ определения положения кромки предмета /1/ (аналог), заключающийся в получении теневой проекции предмета на расположенном в плоскости изображения объектива сканирующем фотопреобразователе, например на приборе с зарядовой связью, преобразовании теневой проекции в видеоимпульс и определении измеряемого размера по положению фронта видеоимпульса, видеоимпульсы интегрируют, по крайней мере, в пределах его фронта, измеряют амплитуду видеоимпульса, определяют положение фронта относительно конца интервала по отношению величины полученного интеграла к амплитуде видеоимпульса, измеряемый размер определяют как сумму положения фронта относительно конца интервала и оставшейся части видеоимпульса.

Устройство, реализующее этот способ, содержит объектив, проецирующий предмет в плоскость изображения, где расположен сканирующий фотопреобразователь, генератор тактовых импульсов, блок видеоимпульса с подключенным к нему и связанными друг с другом блоком определения амплитуды видеоимпульса, блоком формирования интервала интегрирования и вычислительным блоком, состоящим из интегратора, запоминающего устройства, счетчика, делителя и сумматора.

Недостатком этого способа и устройства является ограничение точности измерений, обусловленное большими размерами фоточувствительных элементов, отсутствием в процессе измерения учета дифракции света на кромке объекта и ограничением функциональнальных возможностей, вызванных необходимостью осуществления дополнительной операции допускового контроля за положением границы детали.

Известен интерференционный способ определения положения границы объекта /2/ (аналог), согласно которому сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал, после сканирования каждый пучок делят на два равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.

Устройство для реализации этого способа-аналога содержит щелевую диафрагму, три светоделительных элемента, четыре плоских зеркала, призму Дове, ограничительную диафрагму и фотоприемник.

Недостатком этого способа и устройства является ограничение точности измерений из-за реализации гомодинной интерференционной схемы, в которой погрешность определяется наличием различных внешних засветок, изменений чувствительности фотоприемника, низкой помехоустойчивостью и необходимостью задания (формирования) допуска на положение границы детали.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения границы объекта /3/ (прототип), который заключается в том, что формируют световой луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению распространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференции дифракционных порядков, расположенную вблизи их фокальной плоскости, об изменении положения границы объекта Δl судят по изменению фазы электрического сигнала Δϕ(Δl).
Установлено /4/, что при дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающем в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, за счет частичного перекрытия дифракционных порядков E(+1)-E(0) и E(-1)-E(0) образуются две пространственные интерференционные картины с периодом Λ = λ/sinα, где α - угол дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе. Эта интерференционная картина, освещая через диафрагму фотоприемник, приводит к формированию частотного электрического сигнала.

Введение контролируемого объекта с функцией пропускания Т=1(1-1о), где - 1(1 - lo) - функция Хэвисайда, lо - координаты границы объекта, на величину Δl в любой из крайних дифракционных порядков (E(+1) или E(-1)) приводят к дифракции этого порядка на границе объекта, смещению интерференционной картины и дополнительному фазовому набегу Δϕ(Δl) частотного электрического сигнала.

Устройство, реализующее способ-прототип, состоит из оптически связанных между собой источника монохроматического излучения, оптической системы, акустооптического модулятора, диафрагмы, фотоприемника, генератора импульсов.

Недостатком этого способа и устройства является ограничение функциональных возможностей как при формировании поля допуска при контроле положением границы детали, так и управлением его шириной.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе формируют световой луч, световой луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференции дифракционных порядков, выделяют часть этой области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объекта, и преобразуют ее в электрический сигнал, по значению фазы которого судят о положении границы объекта, выделяют вторую часть области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объекта, пространственно смещенную относительно первой, и преобразуют ее во второй электрический сигнал, для обоих электрических сигналов регистрируют знак отношения изменения фазы к смещению границы объекта Δϕ/Δl, при нулевом значении этого отношения Δϕ/Δl = 0 изменяют уровни электрических сигналов.

Способ отличается также тем, что изменяют расстояние между выделяемыми частями области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объекта.

Соответственно предложенное устройство, реализующее данный способ, состоит из оптически связанных между собой источника монохроматического излучения, оптической системы, акустооптического модулятора, имеющего по одному оптическому и электрическому входам и возможность формирования на выходе набора световых волн дифракционного порядка; фотоприемное устройство с оптическим входом и электрическим выходом, генератор импульсов, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, введено второе фотоприемное устройство с оптическим входом и электрическим выходом, введен фазовый преобразователь с тремя электрическими входами и двумя выходами, причем выходы фотоприемных устройств соединены с первыми входами фазового преобразователя, а выход генератора импульсов подключен к его третьему входу.

Другим отличием устройства является то, что фотоприемное устройство представляет собой последовательное соединение оптического волокна и фотоприемника, причем сердцевина волокна является оптическим входом фотоприемного устройства, а выход фотоприемника является электрическим выходом фотоприемного устройства.

Другим отличием устройства является то, что фазовый преобразователь состоит из двух цепей, каждая из которых представляет собой последовательное соединение фазового детектора, дифференцирующего устройства, компаратора, причем выходы компараторов являются выходами фазового преобразователя, первые входы фазовых детекторов подключены соответственно к первым входам фазового преобразователя, а вторые входы фазовых детекторов подсоединены к третьему входу фазового преобразователя.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только с помощью данного способа и устройства.

Представленное изобретение поясняется графическим материалом.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Фиг.2 иллюстрирует пространственные диаграммы, поясняющие работу способа и устройства.

Устройство для реализации способа (фиг.1) содержит следующие элементы: источник монохроматического излучения (лазер) 1, оптическую схему (коллиматор) 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор импульсов 4, первое и второе фотоприемные устройства 5 и 8, состоящие из волокон 6, 9 и фотоприемников 7, 10; фазовый преобразователь 11, состоящий из фазовых детекторов 12, 15; дифференциаторов 13,16; компараторов 14,17.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на АОМ 3. Генератор 4 формирует электрический сигнал стабилизированной частоты U₃= U_3msin(2πf_ot+ϕ_o), поступающий как на электрический вход АОМ 3, так и на третий вход фазового преобразователя 11. В АОМ 3 формируются бегущие ультразвуковые волны, что приводит к дифракции света и появлению пространственно разнесенных разночастотных дифракционных порядков E(+1), E(0) и E(-1).

Оптический вход (сердцевина) волокна 6 выполняет роль диафрагмы для фотоприемного устройства 5, выделяет часть области перекрытия (области интерференции) дифракционных порядков E(-1) и E(0) и направляет на вход фотоприемника 7. Оптическое гетеродирование этих разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе фотоприемника 7 электрического сигнала U₁= U_1msin(2πf_ot+ϕ₁(1)). Фаза этого сигнала ϕ₁(1) зависит от положения сердцевины волокна 6 вдоль оси 1 (фиг.2б)
В фотоприемном устройстве 8 выделяется другая часть области интерференции дифракционных порядков E(-1) и E(0), смещенная относительно фотоприемного устройства 5, и, в конечном итоге, на его выходе формируется электрический сигнал U₂= U_2msin(2πf_ot+ϕ₂(1)). Фаза этого сигнала ϕ₂(1) зависит от положения сердцевины волокна 9 вдоль оси 1 (фиг. 2а).

Оба выходных сигнала U₁ и U₂ поступают на первые входы фазового преобразователя 11, а затем на первые входы соответствующих фазовых детекторов 12 и 15. На вторые входы фазовых детекторов 12 и 15 поступает сигнал U₃ с выхода генератора импульсов 4. В зависимости от входных фазовых рассогласований Δϕ₁(1) = ϕ₁(1)-ϕ_o и Δϕ₂(1) = ϕ₂(1)-ϕ_o фазовые детекторы 12 и 15 формируют выходные сигналы:
U₄= K_фд1(ϕ₁(1)-ϕ_o) = K_фд1Δϕ₁(1), (1)
U₅= K_фд2(ϕ₂(1)-ϕ_o) = K_фд2Δϕ₂(1), (2)
где К_фд1 и К_фд2 - соответствующие коэффициенты преобразования фазовых детекторов 12 и 15; Δϕ₂(1) и Δϕ₁(1) - входные фазовые рассогласования для фазовых детекторов 12 и 15.

Так как каждая фазовая характеристика фотоприемных устройств 5 и 8 имеет нелинейный вид с максимумом в пределах всего диапазона, то и сигналы U₄ и U₅ также являются нелинейными - в виде колокола. Дифференцирущие устройства 13 и 16 на своих выходах формируют сигналы, соответствующие производной от входного (фиг. 2 в, г):
U₆= K_ду1ΔU₄/Δl (3)
U₇= K_ду2ΔU₅/Δl (4)
где К_ду1, К_ду2 - коэффициенты преобразования дифференцирующих устройств 13 и 16.

При переходе через максимум сигналов U₄ и U₅ их производные U₆ и U₇ меняют свой знак с положительного на отрицательный и принимают нулевые значения U₆= U₇= 0. В этот момент времени компараторы 14 и 17 фазового преобразователя 11 формируют импульсные перепады логических выходных напряжений U₈ и U₉ (фиг.2 д,е). Эти выходные напряжения являются выходными для всего устройства и позволяют определить участок в соответствии с таблицей, в пределах которого находится граница объекта 18. Это дает возможность, задавая ширину участка определенного значения, осуществлять допусковый контроль по принципу годен/негоден за положением границы объекта 18.

Изменяя (увеличивая или уменьшая) расстояние между волокнами 6 и 9 фотоприемных устройств 5 и 8, можно изменять (увеличивать или уменьшать) ширину участка контроля (поля допуска).

В данном описании используется область интерференции, образованная E(-1) и E(0) дифракционными порядками. Однако, функционирование способа и устройства будет аналогичным при использовании любой другой области интерференции, образованной любой парой дифракционных порядков, например: E(+1) - E(0).

Сущность способа заключается в следующем.

1. В /5/ проанализировано, что при определенных соотношениях параметров оптической схемы устройства фазовая характеристика Δϕ(1) имеет нелинейный вид с одним максимумом, расположенным на координате l₁. Фиксация момента перехода через этот максимум фазовой характеристики означает пересечение (прохождение) границы детали через координату l₁. Поэтому координата максимума фазовой характеристики Δϕ(1) является пространственно чувствительной координатой.

2. Использование второго фотоприемного устройства позволяет сформировать вторую фазовую характеристику Δϕ(1), максимум которой лежит на другой координате l₂. Совместное использование двух фазовых характеристик (с помощью двух фотоприемных устройств) со смещенными друг относительно друга максимумами l₁ и l₂ дает возможность образовывать участок контроля или поля допуска для осуществления допускового контроля при определении положения границы объекта.

Изменение расстояния между максимумами обоих фазовых характеристик l₁ и l₂ за счет смещения одного волокна относительно другого позволяет изменять ширину участка контроля, поля допуска.

3. Входные оптические волокна фотоприемников одновременно выполняют роль диафрагм и каналов для передачи входного оптического интерференционного сигнала на вход фотоприемников. Малые размеры сердцевин волокон (от 10 мкм до 1 мм) позволяют получить малое пространственное расстояние между максимумами двух фазовых характеристик Δϕ₁(Δl) и Δϕ₂(Δl) и значительный диапазон изменения ширины поля допуска. Кроме этого, использование оптических волокон позволяет смещать только входящие концы волокон, закрепленных в фотоприемных устройствах.

Таким образом, использование двух нелинейных фазовых характеристик ϕ₁(1) и ϕ₂(1) позволяет, в конечном итоге, осуществлять допусковый контроль по принципу годен/негоден с высокой (не хуже 0,1 мкм) точностью и в широком диапазоне (от 50 мкм до 2 мкм).

Источники информации, используемые при составлении описания:
1. А. с. N 1068702 (СССР), МКИ G 01 В 11/24. Бесконтактный способ определения положения кромки предмета. И.А. Аронов, Э.Ш. Зельман// Опубл. в Б.и. -1984, N 3) (аналог).

2. А. с. N 1089404 (СССР), МКИ G 01 В 9/02, 11/02. Интерференционный способ определения положения границы объекта. Е.К. Чехович, Ю.Г. Буров// Опубл. в Б.и. -1984, N 16 (аналог).

3. А.с. N 1714359 (СССР), МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.И.Телешевский, Н.Н.Абдикаримов // Опубл. в Б.И. -1992, N 7 (прототип).

4. Телешевский В. И., Абдикаримов Н.Н. Гетеродинный лазерный акустооптоэлектронный сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов. // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез.докл. 8 Всесоюзной научно-технической конференции. Москва, ноябрь 1990 г. -М., 1990. -с.242.

5. Леун Е. В., Абдикаримов Н.Н. Акустооптоэлектронный сенсор для измерения смещений границы объекта с фазовым выходом. //Тез. докл. 4 НТК "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, МГТУ, 1997. с.208.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля за положением границы деталей (объектов), которое необходимо при контроле размеров деталей, аттестации концевых мер, определении износа резцов на станке, определении износа измерительных головок на координатно-измерительных машинах. Способ заключается в том, что используется нелинейность фазовой характеристики (колоколообразность) Δϕ/Δl в виде единственного максимума в пределах всего рабочего диапазона. Эта нелинейность позволяет фиксировать положение границы детали. Совместное использование двух смещенных друг относительно друга фазовых характеристик ϕ(1) и ϕ(2) с максимумами l₁ и l₂ за счет применения двух фотоприемных устройств позволяет сформировать две границы и таким образом получить участок контроля (после допуска) при определении положения границ детали. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ контроля положения границы объекта, заключающийся в том, что формируют световой луч, световой луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференции дифракционных порядков, выделяют часть этой области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объема, преобразуют ее в электрический сигнал, отличающийся тем, что выделяют вторую часть области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объекта, пространственно смещенную относительно первой, и преобразуют ее во второй электрический сигнал, для обоих электрических сигналов регистрируют знак отношения изменения фазы к смещению границы объекта Δϕ/Δl, при нулевом значении этого отношения Δϕ/Δl = 0 изменяют знак выходных напряжений электрических сигналов, преобразовывают их в логические уровни, по которым судят о положении границы объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют расстояние между выделяемыми частями области интерференции дифракционных порядков, прошедших мимо границы объекта. 3. Устройство для контроля за положением границы объекта, состоящее из оптически связанных между собой источника монохроматического излучения, оптической системы, акустооптического модулятора, имеющего по одному оптическому и электрическому входам и возможность формирования на выходе набора световых волн дифракционного порядка, фотоприемного устройства с оптическим входом и электрическим выходом, генератора импульсов, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, отличающееся тем, что введено второе фотоприемное устройство с оптическим входом и электрическим выходом, введен фазовый преобразователь с тремя электрическими входами и двумя выходами, причем выходы фотоприемных устройств соединены с первыми входами фазового преобразователя, а выход генератора импульсов подключен к его третьему входу. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что фотоприемное устройство представляет собой последовательное соединение оптического волокна и фотоприемника, причем сердцевина волокна является оптическим входом фотоприемного устройства, а выход фотоприемника является электрическим выходом фотоприемного устройства. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фазовый преобразователь состоит из двух цепей, каждая из которых представляет собой последовательное соединение фазового детектора, дифференцирующего устройства, компаратора, причем выходы компараторов являются выходами фазового преобразователя, первые входы фазовых детекторов подключены соответственно к первым входам фазового преобразователя, а вторые входы фазовых детекторов подсоединены к третьему входу фазового преобразователя.