БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ, ИЗНОСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B9/04 G01B11/02 

Изобретение относится к бесконтактным способам измерения линейных размеров, износа, а также к устройствам для их осуществления.

Известны контактные способы измерения линейных размеров при помощи механических средств: микрометров, индикаторов часового типа, пружинных измерительных головок [1). Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 205 с. - С.153]. О размере образца судят по величине перемещения контактирующего с ним щупа.

При измерении размеров податливых деталей или образцов, а также параметров рельефа их поверхности контактным способом усилие прижатия измерительных поверхностей прибора к поверхности контролируемого объекта вызывает деформацию последнего и искажает результат. Если измеряют пластичный объект, то измерительные поверхности могут оставить на нем следы, пластически деформировать зону контакта, что в некоторых случаях недопустимо. Результаты контактного измерения размеров как податливых, так и твердых образцов, имеющих сложный рельеф поверхности, зависят от формы и размеров щупа. Все это делает неприемлемым использование контактных методов для точного измерения податливых и рельефных образцов.

Известны способы измерения линейных размеров при помощи измерительных проекторов и микроскопов [1) с.155]. Это бесконтактные способы, использующие принципы линейной оптики, что совпадает с признаками заявляемого изобретения. Однако измерения производятся в плоскости, перпендикулярной к оптической оси прибора.

С помощью существующих измерительных проекторов и микроскопов можно измерить только контуры детали или расстояние между рисками.

Измерение глубины лунок или толщины деталей под впадинами произвести не возможно.

Известен способ светового сечения [1) - С.160. 2). Приборы и автоматы для контроля подшипников. Справочник/Городецкий Ю.Г., Мухин Б.И., Савенок Э.П., Соломатин Н.А. - М.: Машиностроение, 1973. - С.241]. Это бесконтактный способ, использующий принципы линейной оптики и микроскоп. Он позволяет производить измерения высоты поверхностных неровностей. Перечисленные признаки совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения. Освещенную узкую щель проецируют первым микроскопом на проверяемую поверхность. На поверхности образуется узкая освещенная полоска, которая представляет собой след пересечения проверяемой поверхности плоскостью светового потока, следующий по всем поверхностным неровностям, попавшим в сечение. Отразившись от поверхности, лучи попадают в микроскоп наблюдения, который расположен под углом 90° к оси проецирующего микроскопа. Все перечисленные выше признаки совпадают с существенными признаками изобретения в частном случае. Оптическим окулярным микрометром измеряют смещение изображения вершины профиля относительно изображения впадины. Зная общее увеличение прибора, рассчитывают высоту профиля.

Этот метод не позволяет измерять размеры детали. Износ можно определить только в том случае, если он имеет форму узкой лунки на неизношенной поверхности [3). Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976, 271 с., с.113]. Этот метод позволяет измерять толщину прозрачных и непрозрачных покрытий [4). Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий - М.: Химия, 1988. - 272 с., с.66-67]. Однако для измерения толщины непрозрачного покрытия необходимо сделать на нем специальный узкий надрез до подложки. Неповрежденная поверхность покрытия должна ступенью обрываться к подложке в месте измерения толщины. В общем случае при износе или разрушении покрытия это условие не выполняется.

Методом светового сечения нельзя определить толщину неравномерно и на большой площади изношенного или разрушенного покрытия. Толщина измеряемого покрытия ограничена полем зрения микроскопа.

Наиболее близким к изобретению аналогом является способ глубинных измерений при помощи механизма точной фокусировки микроскопа [5) Микроскопы/Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Под ред. Н.И.Полякова. - Ленинград.: Машиностроение, 1969. - 512 с., с.269]. Глубинные измерения производятся путем последовательной фокусировки микроскопа на два объекта, лежащих в разных плоскостях по оси микроскопа. Эти признаки совпадают с признаками заявляемого способа. Величина перемещения отсчитывается по специальной шкале, расположенной на барабанчиках привода механизма точной фокусировки микроскопа.

Указанный способ предназначен только для измерений в пределах свободного расстояния применяемых микрообъективов и только для объектов, расположенных на одном образце.

Аналог устройства - биологический рабочий микроскоп [5) с.295]. Он содержит основание, на котором установлен предметный столик и укреплена коробка. Оптическая система может перемещаться вдоль коробки с помощью механизмов грубой и точной фокусировки. Эти признаки совпадают с существенными признаками заявляемого устройства. На барабанчиках привода механизма точной фокусировки расположена шкала перемещений.

Микроскоп не позволяет измерять детали или их износ в направлении оптической оси.

Прототип заявляемого устройства - двойной микроскоп [1, 2, 4]. Он содержит основание, на котором установлен перемещающийся в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов предметный столик и укреплена колонка. Оптическая система может перемещаться вдоль колонки с помощью механизмов грубой и точной фокусировки. Эти признаки совпадают с существенными признаками заявляемого устройства. Оптическая система состоит из проецирующего микроскопа и микроскопа наблюдения. Оптические оси микроскопов пересекаются. Эти признаки совпадают с одним из альтернативных признаков заявляемого устройства. В верхней части микроскопа наблюдения установлен винтовой окулярный микрометр.

Пределы измерений данного устройства ограничены размером поля зрения микроскопа наблюдения.

Задачей изобретения - способа является расширение сферы использования бесконтактных методов, применяемых для измерений высоты неровностей, на измерения образца как целого. Способ должен позволить бесконтактно измерять высоты образцов или деталей в разных точках их поверхностей, толщину изношенного покрытия. В задачу входит бесконтактное измерение износа образца в разных точках его поверхности, включая те случаи, когда изнашивается большая поверхность образца, например вся грань образца.

Существенные признаки нового способа следующие.

Измерения производят путем последовательной фокусировки микроскопа на объекты, лежащие в разных плоскостях по оси микроскопа. Отличительные от наиболее близкого аналога признаки следующие. В направлении нормали к поверхности столика определяют положение оптической системы относительно столика по показаниям отдельного отсчетного устройства при произвольно выбранном начале отсчета. Для этого используют жестко и однозначно связанные в указанном направлении со столиком и оптической системой измерительные базы. Перемещая образец относительно оптической системы в плоскости стола, последовательно производят фокусировку и снятие показаний во всех заданных точках первой исследуемой поверхности, после чего удаляют образец. Не изменяя настройки отсчетного устройства, производят фокусировку и снятие показаний в заданных точках следующей поверхности, которой может быть установочная поверхность или изношенная поверхность повторно установленного прежнего образца или поверхность другого образца. Соответственно размеры образца или его износ, или разность размеров образцов определяют как разность показаний отсчетного устройства в соответствующих точках поверхностей.

Для повторных измерений высоты в одних и тех же точках (в плане) изнашиваемого образца или однотипных образцов способ дополняется следующими признаками.

Один и тот же периодически подвергаемый изнашиванию образец или однотипные образцы последовательно устанавливают всегда в одном и том же положении в приспособлении, закрепленном на столике. Фокусировку оптической системы производят на заданных точках поверхности, которые совмещают с оптической осью при помощи микрометрических винтов, перемещающих столик.

Если определяемая линейная величина (размер или износ) превышает пределы измерений используемого отсчетного устройства, то способ дополняется следующими признаками.

Положение оптической системы относительно столика определяют как сумму показаний отсчетного устройства и высоты комплекта плоскопараллельных концевых мер длины, установленных в данный момент на измерительную базу одного из этих узлов.

Предлагаемый способ позволяет производить и глубинные измерения. Малая величина свободного расстояния объектива ограничивает глубинные измерения. Увеличение же свободного расстояния влечет за собой увеличение глубины резкости и потерю точности позиционирования. Для расширения пределов глубинных измерений и повышения точности предлагаемый способ характеризуется в частных случаях следующими признаками.

Снимают показания измерительного прибора на ближней и дальней границах резкости изображения заданной точки. По ним определяют условное расчетное значение положения оптической системы относительно столика. Расчетное значение можно определять, например, как среднее арифметическое показаний прибора на ближней и дальней границах резкости.

В качестве оптической системы используют двойной микроскоп, а фокусировку производят, совмещая окулярную метку с изображением освещенной полоски на заданной точке поверхности.

Задача изобретения - устройства состоит в создании средства для осуществления нового способа. Существенные признаки устройства следующие.

Оно содержит предметный столик и оптическую систему, установленные на основании с возможностью перемещения оптической системы относительно столика. Предлагаемое устройство отличается тем, что жестко и неподвижно в направлении нормали к поверхности столика на одном из этих узлов зафиксировано отдельное отсчетное устройство, а на другом - упор, взаимодействующий со щупом отсчетного устройства.

Для проведения измерений в заданных точках поверхности устройство характеризуется следующими дополнительными признаками.

На перемещающемся в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов предметном столике закреплено приспособление для фиксации образца в одном положении.

Для увеличения пределов измерения предлагаемое устройство характеризуется следующими дополнительными признаками.

Упор выполнен в виде площадки, позволяющей установить на ней плоскопараллельные концевые меры длины.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для измерения линейных размеров и износа. На фиг.2 - вариант исполнения оптической системы в этом устройстве и соответствующий порядок фокусировки. На фиг.3 - изображение в окуляре при фокусировке по последнему способу.

Устройство содержит основание 1, на котором установлен предметный столик 2, перемещающийся параллельно собственной поверхности с помощью микрометрических винтов 3 и 4, и укреплена колонка 5. Оптическая система 6 может перемещаться вдоль колонки (по нормали к плоскости столика) с помощью механизмов грубой 7 и точной 8 фокусировки. Механизм грубой фокусировки крепится на колонке с помощью винта 9. На оптической системе 6 посредством кронштейна 10 и винта 11 зафиксировано отдельное отсчетное устройство 12 (на рисунке в качестве примера - индикатор часового типа). С основанием 1 жестко соединен упор 13 для щупа отсчетного устройства 12 или для размещения плоскопараллельных концевых мер длины 14, с которыми контактирует щуп отсчетного устройства 12. В направлении нормали к плоскости столика упор неподвижен относительно столика, а отсчетное устройство неподвижно относительно оптической системы. На столике закреплено приспособление 15 для фиксации образца 16 в одном положении. Образец имеет податливое покрытие 17, периодически подвергаемое изнашиванию. Образец и приспособление показаны в сечении.

С помощью этого устройства производят измерения следующим образом. Образец 16 с покрытием 17, очерченным на фиг.1 тонкой линией, устанавливают на приспособление 15 в единственно возможном положении. Механизм грубой фокусировки 7 закрепляют на колонке 5 винтом 9. В направлениях перемещений предметного столика с помощью микрометрических винтов 3 и 4 задаются координатами точек, в которых будут производиться измерения. Пусть требуется производить измерения вдоль вертикалей n-n и m-m. Перемещают предметный столик до совпадения вертикали n-n с осью оптической системы 6. Наводят оптическую систему на резкость при помощи механизмов грубой 7 и точной 8 фокусировки. Щуп отсчетного устройства 12 упирают в упор 13 или в расположенные на нем меры длины 14 и фиксируют отсчетное устройство в кронштейне 10 винтом 11 на время всех взаимосвязанных измерений.

Кронштейн 10 и упор 13 являются надежными постоянными измерительными базами. Записывают показание средства измерения n₁. Перемещают предметный столик до совпадения вертикали m-m с осью оптической системы 6. Наводят оптическую систему на резкость при помощи механизмов грубой 7 и точной 8 фокусировки. Записывают показание отсчетного устройства m₁. Кроме того, возможно отыскание и измерение наибольших и наименьших высот (для которого не обязательно фиксировать образец на приспособлении). Например, производят фокусировку на точке наименьшей высоты К₁ и записывают показание отсчетного устройства k₁.

Снимают образец с приспособления, подвергают его изнашиванию и вновь устанавливают в прежнее положение. (Поверхность изношенного покрытия изображена пунктиром.) Последовательно совмещают вертикали n-n и m-m с осью оптической системы, фокусируя микроскоп на поверхности и записывая показания средства измерения n₂ и m₂. Производят фокусировку на точке наименьшей высоты К₂ и записывают показание средства измерения k₂. Линейные износы в направлениях n-n и m-m определяют соответственно как разности n₁-n₁ и m₁-m₂. Износ по впадинам равен k₁-k₂.

Вновь снимают, изнашивают и возвращают на место образец. Измерения и расчеты повторяют аналогично. Если изнашивание прекращают в момент появления сквозного износа покрытия (в точке К₃), то толщину покрытия вычисляют как k₁-k₃. Суммарный износ в направлениях n-n и m-m соответственно равен n₁-n₃ и m₁-m₃, где k₃, n₃, m₃ - показания отсчетного устройства на последней поверхности (которая показана сплошной толстой линией).

Удаляют образец из приспособления и фокусируют оптическую систему на установочной поверхности приспособления (точка K₄). Средство измерения показывает значение k₄. Вычисляют начальную высоту образца по впадине | k₁-k₄| , конечную высоту образца вдоль m-m как | m₃-k₄|_{и т.д. Если щуп отсчетного устройства 12 на каком-то этапе измерений оказался смещенным до предела, то изменяют высоту комплекта мер длины 14, а в дальнейшие показания вносят поправку на величину изменения высоты комплекта. Если образец не изнашивают, а заменяют на другой, то, пользуясь теми же формулами, вместо износа получают разность высот образцов. Таким образом, достигается технический результат - расширение сферы использования бесконтактных методов.}

В частном случае осуществления способа позиционирование оптической системы 6 и снятие показаний отсчетного устройства 12 производят на ближней и дальней границах резкости изображения заданной точки. По ним определяют условное расчетное значение положения оптической системы относительно столика. Расчетное значение с можно определять, например, как среднее арифметическое показаний прибора на ближней а и дальней b границах резкости.

с=(а+b)/2.

Практика наших измерений показывает, что границы поля резкости определяются легче и точнее, чем точка наибольшей резкости. Это объясняется физиологическими причинами (аккомодацией глаза, ограниченной остротой зрения, отсутствием жесткой фиксации зрачка) и геометрией хода лучей (нелинейной зависимостью кружка рассеяния от расстояния между объектом и плоскостью наводки). Во всех взаимосвязанных измерениях значение с следует определять одинаково (по одной и той же формуле).

Другой частный случай осуществления способа отличается следующим. В качестве оптической системы используют двойной микроскоп (фиг.2), состоящий из микроскопа наблюдения 18 и проецирующего микроскопа 19, соединенных с кронштейном 10. Для фокусировки перемещают двойной микроскоп до совмещения окулярной метки 20 с изображением 21 (фиг.2 и 3) освещенной полоски на заданной точке поверхности образца 22. Потом снимают показания средства измерения 12.

Этот метод фокусировки и позиционирования не связан с визуальной оценкой величины кружка рассеяния (т.е. с оценкой резкости изображения). Поэтому он менее зависим от субъективных факторов и более точен.

Измерения производят путем последовательной фокусировки микроскопа на объекты, лежащие в разных плоскостях по оси микроскопа. В направлении нормали к поверхности столика определяют положение оптической системы относительно столика по показаниям отдельного отсчетного устройства при произвольно выбранном начале отсчета. Для этого используют жестко и однозначно связанные в указанном направлении со столиком и оптической системой измерительные базы. Перемещая образец относительно оптической системы в плоскости стола, последовательно производят фокусировку и снятие показаний во всех заданных точках первой исследуемой поверхности, после чего удаляют образец. Не изменяя настройки отсчетного устройства, производят фокусировку и снятие показаний в заданных точках следующей поверхности другого образца. Соответственно размеры образца или его износ, или разность размеров образцов определяют как разность показаний отсчетного устройства в соответствующих точках поверхностей. Технический результат - расширение сферы использования бесконтактных методов, применяемых для измерений высоты неровностей, на измерения износа и образца, как целого. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бесконтактный способ измерения линейных размеров, износа путем последовательной фокусировки микроскопа на объекты, лежащие в разных плоскостях по оси микроскопа, отличающийся тем, что в направлении нормали к поверхности столика определяют положение оптической системы относительно столика по показаниям отдельного отсчетного устройства при произвольно выбранном начале отсчета, для чего используют жестко и однозначно связанные в указанном направлении со столиком и оптической системой измерительные базы, перемещая образец относительно оптической системы в плоскости стола, последовательно производят фокусировку и снятие показаний во всех заданных точках первой исследуемой поверхности, после чего удаляют образец, не изменяя настройки отсчетного устройства, производят фокусировку и снятие показаний в заданных точках следующей поверхности, которой может быть установочная поверхность, или изношенная поверхность повторно установленного прежнего образца, или поверхность другого образца, соответственно размеры образца, или его износ, или разность размеров образцов определяют как разность показаний отсчетного устройства в соответствующих точках поверхностей.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что один и тот же периодически подвергаемый изнашиванию образец или однотипные образцы последовательно устанавливают всегда в одном и том же положении в приспособлении, закрепленном на столике, а фокусировку оптической системы производят на заданных точках поверхности, которые совмещают с оптической осью при помощи микрометрических винтов, перемещающих столик.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что положение оптической системы относительно столика определяют как сумму показаний отсчетного устройства и высоты комплекта плоскопараллельных концевых мер длины, установленных в данный момент на измерительную базу одного из этих узлов.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что снимают показания измерительного прибора на ближней и дальней границах резкости изображения заданной точки, по ним определяют условное расчетное значение положения оптической системы относительно столика, например как среднее арифметическое показаний прибора на ближней и дальней границах резкости.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптической системы используют двойной микроскоп, а фокусировку производят, совмещая окулярную метку с изображением освещенной полоски на заданной точке поверхности.6. Устройство для бесконтактного измерения линейных размеров и износа, содержащее предметный столик и оптическую систему, установленные на основании с возможностью перемещения оптической системы относительно столика, отличающееся тем, что жестко и неподвижно в направлении нормали к поверхности столика на одном из этих узлов зафиксировано отдельное отсчетное устройство, а на другом - упор, взаимодействующий со щупом отсчетного устройства.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на перемещающемся в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов предметном столике закреплено приспособление для фиксации образца в одном положении.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что упор выполнен в виде площадки, позволяющей установить на ней плоскопараллельные концевые меры длины.