ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА И КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО ПРОФИЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01B11/12 

Изобретение относится к оптическим измерительным устройствам и может быть использовано для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий.

Изучение уровня техники выявило известные решения одинакового с изобретением назначения и сходные с ним по технической сущности, это, например, устройство для фотографирования внутренней поверхности (а.с. №131922, БИ №18, 1961 г., стр.45), которое с помощью вращающейся оптической головки с зеркалом, передающей разложенное по спирали изображение стенки к фотоумножителю через световоды, расположенные внутри исследуемого изделия между источником света и оптической головкой, а также между последней и фотоумножителем, с последующей регистрацией построчно разложенного изображения.

Несмотря на значительные достоинства - высокая разрешающая способность обнаружения дефектов и большая (до 6 м) длина световодов, устройство имеет ряд недостатков, исключающих возможность его использования для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий.

Во-первых, внутренняя поверхность исследуемого изделия должна иметь высокую отражательную способность, иначе отраженный от нее сигнал, особенно при внутреннем диаметре более 50-60 мм, потеряется в шумах фотоумножителя.

Во-вторых, устройство дает развертку внутренней поверхности исследуемого изделия без учета возможной деформации по ее длине, поэтому все размеры дефектов "привязаны" к диаметру, измеряемому на краях исследуемого изделия, что не всегда соответствует действительности.

В-третьих, при увеличении диаметра исследуемого изделия возникает необходимость центрировать расположение световодов для одинакового освещения поверхности и уменьшения искажений при сканировании, что значительно уменьшает освещенность внутренней поверхности исследуемого изделия.

Известно также оптическое устройство (гибкий эндоскоп) для фотографирования и передачи на телекамеру внутренней поверхности кривых каналов и полостей (Вейнберг В.В. и Саттаров Д.К. "Оптика световодов". Л.: "Машиностроение", 1977, стр.16). Оптическое устройство имеет источник света с конденсором, осветительный жгут, передающий свет до исследуемой поверхности, объектив с призмой, закрепленный на конце регулярного волоконно-оптического жгута, и окуляр. Объектив формирует изображение поверхности на торце волоконно-оптического жгута, передающего изображение к окуляру.

Описанное оптическое устройство своими характеристиками, а именно возможностью фотографирования дефектов и осмотра внутренней поверхности цилиндрических изделий любого диаметра, в большем объеме удовлетворяет требованиям, предъявляемым к измерительным оптическим устройствам, однако данное оптическое устройство имеет низкую разрешающую способность, что ведет к увеличению погрешности определения размеров дефектов на поверхности изделия, а отсутствие шкалы масштаба не позволяют определить реальные размеры наблюдаемых дефектов, что приводит к невозможности определения внутреннего диаметра изделия и построения его профиля.

В качестве прототипа взята конструкция оптического устройства (Сирота Г.А, Технические эндоскопы - приборы для визуального контроля труднодоступных объектов. "В мире неразрушающего контроля. Ежеквартальное журнальное обозрение", №2(8), 2000, стр.4) для осмотра качества поверхности глубоких горизонтальных отверстий (длиной до 7,5 м), которое состоит из визуальной и осветительной системы. Визуальная система представляет собой линзовую оптику, которая заключена в металлический тубус, составленный из сочлененных друг с другом частей с нанесенной шкалой по длине наружной поверхности. Осветительная система предназначена для освещения исследуемой поверхности и состоит из источника электрической энергии и источника света.

Такая конструкция позволяет варьировать длину оптического устройства от 1,6 до 7,6 м путем стыковки необходимого числа частей. При этом на свободном конце собранного тубуса закрепляется объектив с призмой для осмотра поверхности, а на противоположном - окуляр, обеспечивающий наведение на резкость изображения осматриваемой поверхности. При осмотре глубоких горизонтальных отверстий для исключения провисания тубуса и, вследствие этого, искажения изображения, последний снабжен специальными опорами, которые контактируют с исследуемой поверхностью. В зависимости от глубины отверстия сочленяется необходимое число частей тубуса, на которых крепятся опоры. Устройство вводится в отверстие, включается осветительная система, и проводится осмотр поверхности с поворотом оптической трубы вокруг своей оси и перемещением ее вдоль оси отверстия.

Основное преимущество описанного выше устройства - высокая разрешающая способность, однако при осмотре глубоких отверстий необходимо применение другого поддерживающего устройства для предотвращения повреждения поверхности при касании с ней подвижной головки устройства или опор, что не позволяет измерять расстояние от объектива до исследуемой поверхности, а также определить размеры дефектов, обнаруженных на контролируемой поверхности. Кроме того, касание опор может вызвать повреждение исследуемой поверхности, приводящее к увеличению числа дефектов и искажению информации о них.

Таким образом, перечисленные недостатки не позволяют использовать описанные оптические устройства для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий, т.е. решать поставленную техническую задачу.

Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоточного оптического устройства, позволяющего бесконтактным методом измерять расстояние до исследуемой поверхности и тем самым определять диаметр и проводить контроль внутреннего профиля крупногабаритных изделий.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией оптического устройства для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий, которое содержит тубус с передающими линзами, окуляр, объектив с призмой, опоры и осветительную систему, при этом оно снабжено жесткой балкой, закрепляемой на торцах исследуемого изделия с возможностью вращения вокруг своей оси, оснащенной держателем, выполненным с возможностью перемещения вдоль балки, который через датчик перемещения и опоры, выполненные подпружиненными, взаимодействует с планкой, закрепленной тубусе объектива и оснащенной двумя лазерными указками, установленными под углом друг к другу на равном расстоянии от призмы объектива, причем балка снабжена натяжным устройством, которое выполнено с возможностью перемещения вдоль балки одновременно с держателем, соединено тросиком с подпружиненными опорами последнего и оснащено дополнительной подпружиненной опорой, соединенной с тубусом.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от последнего наличием жесткой балки, которая закрепляется на торцах исследуемого изделия с возможностью вращения вокруг своей оси, оснащенной держателем с возможностью перемещения вдоль балки, который через датчик перемещения и опоры, выполненные подпружиненными, взаимодействует с планкой, которая закрепляется на тубусе объектива и оснащается двумя лазерными указками, установленными под углом друг к другу на равном расстоянии от призмы объектива, кроме того, балка снабжена натяжным устройством, которое выполнено с возможностью перемещения вдоль балки одновременно с держателем и соединено тросиком с подпружиненными опорами последнего и оснащено дополнительной подпружиненной опорой, соединенной с тубусом.

Введение в устройство балки, закрепляемой на торцах исследуемого изделия позволяет центрировать объектив с призмой и перемещать их вдоль отверстия при измерениях профиля последнего.

Наличие двух подвижных опор дает возможность призме с объективом и лазерными указками под действием натяжного устройства передвигаться перпендикулярно исследуемой поверхности. Введение подпружинивания опор позволяет, во-первых, вводить устройство в отверстия, имеющие диаметр меньше измеряемого, а во-вторых, возвращать объектив устройства в исходное положение после проведения измерений диаметра исследуемой поверхности. Это перемещение объектива с призмой относительно поверхности регистрируется с помощью датчика, связанного с объективом рабочим элементом через тросик, а своим корпусом - с жесткой балкой. Совпадение лучей лазерных указок на поверхности, наблюдаемое через оптическое устройство, определяет величину необходимого перемещения объектива с призмой измерений диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий.

Новые качества известного конструктивного решения заключаются в возможности контролируемого перемещения объектива к исследуемой поверхности канала по совмещению лучей лазерных указок и датчика, регистрирующего перемещение. Движение объектива перпендикулярно поверхности канала обеспечивается наличием подпружиненных опор путем одновременного перемещения их пружин с помощью натяжного устройства.

Такое выполнение конструкции из уровня техники явным образом не вытекает и не было очевидным для специалистов, а имеющиеся отличия непосредственно влияют на решение поставленной задачи.

Проведенные измерения от подвижной головки до поверхности с помощью макета заявляемого технического решения показали правильность используемых в заявке технических решений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическим материалом, на котором приняты следующие обозначения:

1 - призма и объектив устройства,

2 - планка,

3 - элементы крепления жесткой балки,

4 - лазерные указки,

5 - жесткая балка,

6 - держатель подвижных опор,

7 - опора,

8 - датчик перемещения,

9 - тросик датчика,

10 - тросик натяжного устройства,

11 - тубус,

12 - исследуемая поверхность,

13 - натяжное устройство,

14 - окуляр оптического устройства,

15 - дополнительная опора

а - расстояние между лучами указок на исследуемой поверхности,

В - расстояние между осями поворота указок 4,

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В канале устанавливается жесткая балка 5, закрепляемая с помощью элементов крепления 3 на торцах канала. На держателе 6, имеющем возможность передвигаться вдоль балки 5, закрепляются две подпружиненные опоры 7, на противоположных концах которых устанавливаются планка 2, на которой крепится призма с объективом 1 и тубус 11 оптического устройства, лазерные указки 4 на одинаковом удалении от призмы и объектива 1 под углом друг к другу. На другом конце жесткой балки 5 устанавливается натяжное устройство 13, к которому с помощью дополнительной опоры 15 крепится тубус 11 с окуляром 14. Проверяется свобода перемещения опор 7 и 15, к ним прикрепляется тросик 10 натяжного устройства 13, замеряется расстояние в между указками 4, измеряется угол их наклона к оси балки 5 (обычно угол ставят в пределах α=45-60 градусов) и определяется расстояние между между призмой и датчиком перемещения 8 на жесткой балке 5. По величине вытянутого тросика 9 датчика перемещения 8 записывается первоначальное показание датчика перемещения 8, стоящего между балкой 5 и призмой с объективом 1. Устройство вводится в канал, включаются лазерные указки 4 и проводится совмещение лучей (расстояние а равно нулю) указок 4 на исследуемой поверхности 12, что наблюдается через окуляр 14 оптического устройства путем передачи изображения исследуемой поверхности 12 оптической системой устройства. Для этого с помощью тросика 10 натяжного устройства 13 призма 1 перемещается к исследуемой поверхности 12 на величину S, что фиксируется датчиком перемещения 8.

Измеряемое расстояние R от поверхности до жесткой балки определяется выражением:

R=L+S+B/(2/tgα);

где L - первоначальное расстояние между призмой с объективом и жесткой балкой;

S - приближение призмы к исследуемой поверхности, фиксируемое датчиком перемещения;

В - расстояние между указками;

α - угол наклона указок к оси балки.

Перемещая призму с объективом 1 вдоль жесткой балки 5, и замеряя расстояние между балкой и поверхностью 12, можно построить профиль исследуемой поверхности канала 12. Повернув балку 5 с держателем 6 опор в зажимах 3 на 180 градусов и проведя вышеуказанные операции измерения расстояния до поверхности в тех же точках по длине канала, определяют диаметр канала и его полный профиль. Устройство позволяет проводить измерение профиля канала в продольном сечении под любым углом к горизонтальной плоскости канала.

Изготовление предлагаемого оптического устройства реализуемо практически, так как его составные элементы не являются дефицитными, а необходимость в использовании предлагаемого оптического устройства, обеспечивающего бесконтактное и достоверное измерение диаметра и контроль внутреннего профиля крупногабаритных изделий, очевидна.

Оптическое устройство для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий содержит тубус с передающими линзами, окуляр, объектив с призмой, опоры и осветительную систему. Также оно снабжено жесткой балкой, закрепляемой на торцах исследуемого изделия, с возможностью вращения вокруг своей оси. Кроме того, устройство оснащено держателем, выполненным с возможностью перемещения вдоль балки, который через датчик перемещения и опоры, выполненные подпружиненными, взаимодействует с планкой, закрепленной на тубусе объектива и оснащенной двумя лазерными указками, установленными под углом друг к другу на равном расстоянии от призмы объектива. Балка снабжена натяжным устройством, которое выполнено с возможностью перемещения вдоль балки одновременно с держателем и соединено тросиком с подпружиненными опорами последнего и оснащено дополнительной подпружиненной опорой, соединенной с тубусом. Технический результат - разработка высокоточного оптического устройства, позволяющего бесконтактным методом измерять расстояние до исследуемой поверхности и тем самым определять диаметр и проводить контроль внутреннего профиля крупногабаритных изделий. 1 ил.

Оптическое устройство для измерения диаметра и контроля внутреннего профиля крупногабаритных изделий, содержащее тубус с передающими линзами, окуляр, объектив с призмой, опоры и осветительную систему, отличающееся тем, что оно снабжено жесткой балкой, закрепляемой на торцах исследуемого изделия, с возможностью вращения вокруг своей оси, оснащенной держателем, выполненным с возможностью перемещения вдоль балки, который через датчик перемещения и опоры, выполненные подпружиненными, взаимодействует с планкой, закрепленной на тубусе объектива и оснащенной двумя лазерными указками, установленными под углом друг к другу на равном расстоянии от призмы объектива, причем балка снабжена натяжным устройством, которое выполнено с возможностью перемещения вдоль балки одновременно с держателем и соединено тросиком с подпружиненными опорами последнего и оснащено дополнительной подпружиненной опорой, соединенной с тубусом.