УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений линейных размеров различных деталей (объектов).

Процесс определения размеров деталей состоит из двух операций:
1) определение границ контролируемой детали;
2) измерение линейного расстояния в интервале между этими границами.

Соответственно суммарная погрешность измерения состоит из двух составляющих: Δ_гр - погрешность фиксации границы детали и Δ_лр - погрешность измерения линейного расстояния между границами детали.

В настоящее время в различных отраслях машиностроения определение геометрических размеров изделий в основном производится на координатных измерительных машинах. Для фиксации границы детали широко используются контактные измерительные головки (ИГ), а для определения расстояния в интервале между границами применяются растровые, индуктосинные и магнитные шкалы. Однако наиболее часто используются лазерные измерительные системы (ЛИС), обеспечивающие наивысшую точность. Погрешность таких ЛИС Δ_лр не превышает (0,1-0,5) мкм/м.

В связи с тем, что у комнатных ИГ погрешность Δ_гр намного превышает погрешность Δ_лр и находится на уровне 1-2 мкм, то переходят к использованию оптических устройств определения границы детали, среди которых самыми распространенными являются амплитудные устройства определения границы деталей.

Известно устройство для контроля зазоров /1/ (аналог), состоящее из лазера, светоделителя, линзы, интерферометра, образованного светоделителем, двумя зеркалами, двух фотоприемников, счетчика импульсов.

При работе этого устройства контролируемую деталь перемещают поперечно световому лучу, который представляет тонкий оптический пучок, и определяют интенсивность отраженного оптического пучка. Резкое изменение интенсивности свидетельствует о прохождении лучом границы детали.

Недостатками такого устройства измерения является невысокая точность измерения, обусловленная различными внешними засветками и флуктуациями оптических и электрически параметров фотоприемной части устройства.

Также известно устройство /2/ (аналог), состоящее из блока фиксации границы детали, измерителя линейных перемещений подвижного стола и блока обработки информации. Первый блок представляет собой оптически соединенные источник монохроматического излучения, коллиматор, собирающую линзу, диафрагму, фотодетектор. Второй блок состоит из оптически соединенных источника монохроматического излучения, гомодинного интерферометра Маха-Цендера с перемещающейся, закрепленной на подвижном столе триппель-призмой и фотодетектора.

Блок обработки информации состоит из формирователя импульсов, фильтра, делителя частоты, системы фазовой автоподстройки частоты и счетчика импульсов.

Недостатком этого устройства является общая невысокая точность измерений, обусловленная как невысокой точностью определения границы детали при использовании амплитудного метода, так и невысокой точностью измерения линейных перемещений при использовании интерферометра на постоянном токе.

Повышение точности измерений получается при переходе к использованию гетеродинного интерферометра (например, с акустооптическим модулятором). Поэтому наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство /3/ (прототип), состоящее из трех основных блоков: блока фиксации границы детали, передвижного предметного столика и интерферометра перемещений.

Блок фиксации границы детали состоит из оптически соединенных источника монохроматического излучения, коллиматора, зеркала, двух линз, зеркала, линзы, диафрагмы и фотоприемного устройства.

С помощью передвижного предметного столика устанавливаемая деталь перемещается относительно сформированного оптического луча.

Интерферометр перемещений реализован по схеме Маха-Цендера с триппель-призмой, прикрепленной к подвижному предметному столику, и пространственным совмещением двух разночастотных оптических потоков.

Несмотря на уменьшение погрешности измерения линейного расстояния между границами детали Δ_лр за счет использования гетеродинного интерферометра, повышение точности всего устройства в значительной степени ограничивается точностью измерений, обусловленной большим значением погрешности фиксации границы детали Δ_гр из-за фиксации границы детали амплитудным способом - по изменению амплитуды сигнала.

Изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности измерений.

Указанный результат достигается тем, что предлагаемое устройство состоит из блока фиксации границы детали, включающее источник монохроматического излучения и последовательно установленные по ходу оптического луча коллиматор, две линзы, фотоприемное устройство с одним оптическими входом и электрическим выходом, являющийся электрическим выходом блока фиксации границы детали; подвижного предметного столика, на который устанавливается деталь, с возможностью перемещения перпендикулярно оптическому лучу; интерферометра перемещений, реализованного по схеме Маха-Цендера с триппель-призмой, прикрепленной к подвижному предметному столику, и пространственным совмещением двух разночастотных оптических потоков на оптическом входе фотоприемного устройства, выход которого является электрическим выходом интерферометра перемещений, в блок фиксации границы детали введены акустооптический модулятор с одним электрическим и оптическими входами и возможностью формирования трех пространственно разнесенных разночастотных выходных оптических потоков, генератор, светоделитель, дифракционная решетка и второе фотоприемное устройство с одним электрическим выходом, при этом в обоих фотоприемных устройствах сформирован второй оптический вход, причем на оптических входах первого фотоприемного устройства пространственно совмещены часть среднего и крайний разночастотные оптические потоки, а на оптических входах второго фотоприемного устройства - другие, часть среднего и крайний разночастотные оптические потоки, при этом в качестве линз используются цилиндрические линзы, причем акустооптический модулятор установлен между коллиматором и первой цилиндрической линзой, а светоделитель размещается между первой и второй цилиндрическими линзами, причем дифракционная решетка размещена между второй цилиндрической линзой и оптическими входами фотоприемных устройств, при этом выход генератора подключен к электрическому входу акустооптического модулятора и является первым электрическим выходом блока фиксации границы детали, а его вторым и третьим выходами являются выходы фотоприемных устройств, причем подвижный предметный столик имеет возможность перемещаться между светоделителем и второй цилиндрической линзой.

Другим отличием устройства является то, что каждое фотоприемное устройство блока фиксации границы детали состоит из двух оптических волокон, двух фотоприемников, фазового детектора и компаратора, при этом одними концами оптические волокна прикреплены к оптическим входам фотоприемников, а другие являются оптическими входами фотоприемных устройств и расположены со сдвигом друг относительно друга на линии перемещения подвижного предметного столика, причем электрические выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам фазового детектора, а его выход соединен с компаратором, при этом выход последнего является электрическим выходом фотоприемного устройства.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном устройстве.

Описание устройства поясняется фиг. 1 - 3.

Фиг. 1 представляет схему устройства для определения размеров деталей.

На фиг. 2 изображены пространственные диаграммы, поясняющие формирование выходных электрических сигналов.

На фиг. 3 показаны освещаемые оптические входы фотоприемных устройств при перемещении подвижного предметного столика с деталью.

Устройство (фиг. 1) состоит из трех основных блоков: блока фиксации границ (БФГ) 1, подвижного предметного столика 24 и интерферометра перемещений (ИП) 26.

Блок БФГ 1 содержит источник монохроматического излучения (лазер) 2, коллиматор 3, акустооптический модулятор (АОМ) 4, генератор 5, цилиндрические линзы 6 и 8, светоделитель 7, дифракционную решетку 9, первый фотоприемный канал 10, состоящий из оптических волокон 12 и 13, двух фотоприемников 14 и 15, фазового детектора 16 и компаратора 17; второй фотоприемный канал 11, состоящий из оптических волокон 18 и 19, двух фотоприемников 20 и 21, фазового детектора 22 и компаратора 23.

Блок ИП 26 состоит из диафрагмы 27, коллиматора 28, зеркал 29-31, триппель-призмы 33, светоделителя 32, фотоприемного устройства 34.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение лазера 2 преобразуется коллиматором 3 в коллимированный пучок, проходит сквозь АОМ 4, в котором создаются бегущие акустические волны с периодом Λ₁. Блок АОМ 4 возбуждается генератором 5, формирующим опорный электрический сигал U₁= U₀sin(ωt+ϕ₀), выход которого является первым выходом устройства.

Коллимированный пучок дифрагирует в АОМ 4 в режиме Рамана-Ната на три разночастотных пространственно разнесенных дифракционных порядка E(+1), E(0) и E(-1). Эти дифракционные порядки после цилиндрической линзы 6 следуют в виде трех параллельных оптических потоков.

Светоделителем 7 дифракционные порядки E(+1), E(0) и E(-1) делятся каждый на два пучка, причем первый пучок каждого потока не меняет своего направления, а второй выводится из блока БФГ 1 и вводится в блок ИП 26.

Блок ИП 26 представляет собой интерферометр, собранный по схеме Маха-Цендера, с помощью диафрагмы 27 из общего оптического потока выделяются дифракционные порядки E(-1) и E(0).

Дифракционный порядок E(-1) с помощью зеркала 29 направляется на светоделитель 32. Для повышения эффективности пространственного совмещения дифракционный порядок E(0) коллиматором 28 преобразуется в более тонкий пучок и направляется зеркалами 30 и 31 на триппель-призму 33, после которой он следует на светоделитель 32, на котором пространственно совмещается с дифракционным порядком E(-1), следующим после зеркала 29.

Пространственное совмещение этих дифракционных порядков на входе фотоприемника 34 приводит к формированию на его выходе и, соответственно, блока ИП 26 электрического сигнала U₁₀(Δl) = U₀sin[ωt+ϕ₅(Δl)]. Регистрация перемещения подвижного предметного столика 24 осуществляется путем определения фазового набега между сигналами U₁ и U₁₀(Δl), который при учете двойного хода лазерного луча определяется:
Δϕ(Δl) = ϕ₅(Δl)-ϕ₀= 4πΔl/λ, (1)
где λ - длина света.

Процесс фиксации верхней и нижней границ детали 25 происходит следующим образом.

До пересечения детали 25 с оптическим потоком происходит пространственное совмещение пучков пар разночастотных дифракционных порядков E(+1) - E(0) и Е(-1) - E(0) после цилиндрической линзы 8 под равными углами β, приводящее к образованию двух бегущих интерференционных картин с периодом Λ₂= λ/sinβ. Эти бегущие интерференционные картины освещают дифракционную решетку 9 и оптические входы обоих фотоприемных устройств 10 и 11. Пространственное совмещение бегущих интерференционных картин с периодом Λ₂ и дифракционной решетки с шагом Λ₃, приводит к формированию бегущих комбинационных полос, период которых Λ₄ определяется выражением
(2)
При выполнении условия Λ₂≈ Λ₃ происходит резкое увеличение периода бегущих комбинационных полос, что позволяет обеспечить выполнение условия помехоустойчивого фотоэлектрического преобразования:
d_в≤1/3Λ₄, (3)
где d_в - диаметр волокна, Λ₄ - период бегущих комбинационных полос.

При перемещении подвижного предметного столика 24 и установленной на ней детали 25 вдоль оси 1 (фиг. 1) ее верхняя грань пересекается с дифракционным порядком E(+1). В результате этого последний дифрагирует и отклоняется от прямолинейного пути в направлении оси 1. Это приводит к тому, что интерференционная картина смещается и на выходах фотоприемников 20 и 21 формируются сигналы:
на выходе фотоприемника 20-U₆(l) = U₀sin[ωt+ϕ₃(l)],
на выходе фотоприемника 21-U₇(l) = U₀sin[ωt+ϕ₄(l)].

Так как оптические входы фотоприемников 20 и 21 пространственно смещены, то и фазовые характеристики ϕ₃(l) и ϕ₄(l) имеют нелинейный вид и смещены друг относительно друга (фиг. 2а).

Эти выходные сигналы U₆(1) и U₇(1) фотоприемников 20 и 21 поступают на входы фазового детектора 22, который формирует сигнал (фиг. 2б):
U₈(l) = k_фд[ϕ₃(l)-ϕ₄(l)], (4)
где k_фд - коэффициент преобразования фазового детектора 22.

Дальнейшее смещение детали приводит к переходу функции U₈(1) через нулевое значение, при котором срабатывает компаратор 17 и формирует положительный логический перепад "0" - "1" (фиг. 2в). Это соответствует фиксации верхней границы детали (координата 1_а) 25. Таким образом, экстремальная точка 1_а соответствует "пространственно-чувствительной координате" для верхней границы детали.

Дальнейшее смещение детали приводит к полному перекрытию всех дифракционных порядков E(+1), E(0) и E(-1) оптического потока, а затем при почти полном выходе детали 25 из оптического потока к частичному перекрытию E(-1) дифракционного порядка. В этом случае приходит в движение интерференционная картина, освещающая первое фотоприемное устройство 10.

Это приводит к тому, что интерференционная картина смещается и на выходах фотоприемников 14 и 15 появляется изменение сигналов:
на выходе фотоприемника 14 - U₂(l) = U₀sin[ωt+ϕ₁(l)],
на выходе фотоприемника 15 - U₃(l) = U₀sin[ωt+ϕ₂(l)].

Выходные сигналы U₂(1) и U₃(1) фотоприемников 14 и 15 первого фотоприемного устройства 10 поступают на входы фазового детектора 16, который формирует сигнал, который имеет нелинейный вид и переходит через нуль (фиг. 2б):
U₄(l) = k_фд[ϕ₂(l)-ϕ₁(l)], (5)
где k_фд - коэффициент преобразования фазового детектора 16.

Смещение детали приводит к тому, что при переходе через нулевое значение функции U₄(1) срабатывает компаратор 17 и формирует отрицательный перепад "1" - "0" (фиг. 2в), который означает фиксацию нижней границы детали (координата 1_в) 25. Эта координата является "пространственно-чувствительной" координатой для нижней границы детали 25.

Таким образом, БФГ 1 фиксирует две границы детали 25, а ИП 26 с выходным сигналом Δϕ(Δl) (формула (1)) измеряет расстояние между этими границами. Преобразование этого набега фаз с помощью интерполятора в цифровую последовательность с коэффициентом интерполяции k_инт позволяет определить искомый размер детали по следующей формуле:
L = N(Δl)-l_ав= k_интΔϕ(Δl)-l_ав, (6)
где N(Δl) - количество импульсов, соответствующих фазовому сдвигу Δϕ(Δl), полученных после интерполяции, l_ав - расстояние между "пространственно-чувствительными" координатами l_а и l_в.

Сущность работы этого устройства заключается в следующем.

1. Установлено /4/, что для акустооптической дифракции светового потока в режиме Рамана-Ната при частичном перекрытии дифракционных порядков E(+1)-E(0) и E(-1)-E(0) образуются две области интерференции с периодом Λ = λ/sinα, где α - угол дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе. Такая область интерференции, освещая фотоприемник, приводит к формированию частотного электрического сигнала U = U₀sin[ωt+ϕ(l)]. Введение детали на Δl в любой из дифракционных порядков (E(+1) или E(-1)) приводят к его дифракции, смещению области интерференции и дополнительному фазовому набегу Δϕ(Δl) сигнала.

Также установлено, что при определенных соотношениях параметров схемы фазовая характеристика ϕ(l) принимает колоколообразный вид - парабола с одним максимумом и квазилинейными участками /5/ (фиг. 2а).

2. Для высокоточной фиксации границы детали в данном устройстве предлагается сформировать нелинейные функции U₈(1) и U₄(1) с экстремальными точками l_а и l_в с максимальными коэффициентами преобразования в областях, прилежащих к обоим точкам - точкам перехода функций U₈(l) и U₄(l)нулевое значение. Эти функции образуются как разностные функции двух квазилинейных участков фазовых характеристик по выражениям (4) и (5) (фиг. 2а. б), формируемых двумя фотоприемными каналами, сдвинутыми друг относительно друга вдоль направления перемещения детали.

Использование двух фотоприемных каналов и формирование двух функций U₈(l) и U₄(l) позволяет создать две экстремальные, пространственно-чувствительные точки l_a и l_в. Эти точки являются пространственно-чувствительными координатами для верхней и нижней границ детали (фиг. 2).

2. 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 расстояние между максимумами пар фазовых характеристик Использование оптических волокон позволяет легко смещать входящие концы волокон при фиксировании корпусов фотоприемников.

4. Для эффективного оптического сопряжения бегущей интерференционной картины с периодом Λ₂= λ/sinβ и входов оптических волокон размерами d_в в устройстве предлагается использовать дифракционную решетку с шагом Λ₃ /6/. Такое сочетание позволяет сформировать бегущие комбинационные полосы, с увеличением периода которых Λ₄ обеспечивается условие (3).

Такое техническое решение повышает точность фиксации границы детали за счет возможности уменьшения Λ₂ и увеличивает период комбинационных полос до значений, сопоставимых с реальными размерами оптических волокон (0,125-0,5 мм).

Если применить дифракционную решетку с шагом полос Λ₁= 10 мкм и, подбирая значение угла β между парами интерферирующих порядков [E(+1)-E(0) и E(-1) - E(0)] так, чтобы период бегущей интерференционной картины был равен Λ₃= 9,9 мкм, то период бегущих комбинационных полос будет равен Λ₅≈ 1 мм. Для этого случая диаметр сердцевины оптического волокна может быть ≤ 0,3 мкм.

5. Использование двух фотоприемников и формирование разностных функций U₈(l) и U₄(l) в каждом фотоприемном канале также повышает точность измерений за счет компенсации погрешностей, вызванных флуктуациями температуры светозвукопровода в АОМ, нестабильностью оси диаграммы направленности лазерного луча, нестабильностью частоты генератора и другими.

Таким образом, с использованием предлагаемого устройства погрешность фиксации границы детали Δ_гр можно довести до значений 0,3 - 0,7 мкм, что сопоставимо со значением Δ_лр. В результате уменьшается суммарная погрешность измерений и повышается точность измерений.

Источники информации, используемые при сопоставлении описания:
1. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. - СПб.: Политехника, 1993-216 с. (аналог).

2. Патент США N 4678337, НКИ 356/387, 356/386, МКИ G 01 B 11/02 (аналог).

3. Патент США N 4775236, НКИ 356/387, 356/386, МКИ G 01 B 11/02 (прототип).

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

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

6. Преснухин Л.Н., Майоров С.А., Меськин И.В. Фотоэлектрические преобразователи информации/ Под ред. Л.Н.Преснухина, М., Машиностроение, 1974, 376 с.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к гетеродинной лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля размеров деталей. Устройство состоит из трех основных блоков: блока фиксации границы детали, подвижного предметного столика и интерферометра перемещений. Особенность устройства заключается в использовании оригинальной конструкции блока фиксации границы деталей, который реализован с помощью интерференционной схемы и позволяет с высокой точностью формировать в оптическом потоке две пространственно-чувствительные координаты. Перемещение контролируемой детали на подвижном предметном столике и ее пересечение с оптическим потоком приводит к образованию двух импульсных перепадов импульсов, синхронизирующих измерение сигнала на выходе интерферометра перемещений. Интерферометр перемещений реализован по схеме Маха-Цендера с триппель-призмой, прикрепленной к подвижному предметному столику. Устройство позволяет повысить точность измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения размеров деталей, состоящее из блока фиксации границы детали, включающее источник монохроматического излучения и последовательно установленные по ходу оптического луча коллиматор, две линзы, фотоприемное устройство с одним оптическим входом и электрическим выходом, являющимся электрическим выходом блока фиксации границы детали, подвижного предметного столика, на который устанавливается деталь с возможностью перемещения перпендикулярно оптическому лучу, интерферометра перемещений, реализованного по схеме Маха-Цендера с триппель-призмой, прикрепленной к подвижному предметному столику, и пространственным совмещением двух разночастотных оптических потоков на оптическом входе фотоприемного устройства, выход которого является электрическим выходом интерферометра перемещений, отличающееся тем, что в блок фиксации границы детали введены акустооптический модулятор с одним электрическим и оптическим входами и возможностью формирования трех пространственно разнесенных разночастотных выходных оптических потоков, генератор, светоделитель, дифракционная решетка и второе фотоприемное устройство с одним электрическим выходом, при этом в обоих фотоприемных устройствах сформирован второй оптических вход, причем на оптических входах первого фотоприемного устройства пространственно совмещены часть среднего и крайний разночастотные оптические потоки, а на оптических входах второго фотоприемного устройства другие часть среднего и крайний разночастотные оптические потоки, при этом в качестве линз используются цилиндрические линзы, причем акустооптический модулятор установлен между коллиматором и первой цилиндрической линзой, а светоделитель размещается между первой и второй цилиндрическими линзами, причем дифракционная решетка размещена между второй цилиндрической линзой и оптическими входами фотоприемных устройств, при этом выход генератора подключен к электрическому входу акустооптического модулятора и является первым электрическим выходом блока фиксации границы детали, а его вторым и третьим выходами являются выходы фотоприемных устройств, причем подвижный предметный столик имеет возможность перемещаться между светоделителем и второй цилиндрической линзой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждое фотоприемное устройство блока фиксации границы детали состоит из двух оптических волокон, двух фотоприемников, фазового детектора и компаратора, при этом одними концами оптические волокна прикреплены к оптическим входам фотоприемников, а другие являются оптическими входами фотоприемных устройств и расположены со сдвигом друг относительно друга на линии перемещения подвижного предметного столика, причем электрические выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам фазового детектора, а его выход соединен с компаратором, при этом выход последнего является электрическим выходом фотоприемного устройства.