ТРЁХКООРДИНАТНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АВТОКОЛЛИМАТОР Российский патент 2018 года по МПК G01B11/26 G02B27/30 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому и оптико-электронному приборостроению и может быть использовано для определения изменений пространственного углового положения крупногабаритных объектов относительно некоторой базы в различных отраслях промышленности. Кроме того, предлагаемое устройство найдет применение для измерения отклонений от прямолинейности перемещения частей станков, контрольно-измерительных машин и др.

Износ направляющих приводит к снижению точности обработки и точности измерений. Так, например, для станков нормальной точности предельный износ на длине 1000 мм составляет 0,1-0,2 мм (что соответствует 20-40 угловым секундам), а для прецизионного оборудования в несколько раз меньше.

Для решения задач, связанных с угловыми измерениями, широко используются двухкоординатные автоколлиматоры [1, 2 и 3].

Но эти системы позволяют контролировать положение объекта только относительно двух осей.

Для одновременного измерения углов поворота контролируемого объекта вокруг трех осей, как правило, применяются автоколлимационные фотоэлектрические системы, использующие тетраэдрические отражатели [4, 5].

Основным недостатком этих систем является сложность оптической системы и, как правило, низкий коэффициент передачи по каналу скручивания. Кроме того, эти системы не могут контролировать перемещающиеся объекты, т.к. требуют сложной перенастройки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является трехкоординатный цифровой автоколлиматор [6], требующий незначительной перенастройки.

Этот трехкоординатный цифровой автоколлиматор имеет в своем составе собственно автоколлиматор, содержащий источник излучения, светоделительную пластину, объектив и матричный фотоприемник (МФП), на который проектируется три изображения источника излучения, получаемые после отражения от установленного на объекте контроля тетраэдрического отражателя. С помощью вычислительного блока, входы которого связаны с выходами МФП, происходит программная обработка данных.

К недостаткам данного трехкоординатного цифрового автоколлиматора следует отнести:

- необходимость перенастройки плоского зеркала, установленного в передней главной плоскости объектива автоколлиматора, при изменении дистанций измерений;

- низкий коэффициент передачи по углу скручивания (0,23).

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение коэффициента передачи по углу скручивания и обеспечение возможности углового контроля положения объекта при его перемещении вдоль оптической оси автоколлиматора без перенастройки схемы контроля.

Для решения поставленной задачи предлагается трехкоординатный фотоэлектрический автоколлиматор, который, как и прототип, содержит отражающий элемент, установленный на объект контроля, фотоэлектрический автоколлиматор, в состав которого входит источник излучения, светоделительная пластина, объектив, матричный фотоприемник, на который проектируются три изображения установленной в фокальной плоскости объектива круглой диафрагмы, получаемые после отражения от отражающего элемента светового пучка, выходящего из объектива фотоэлектрического автоколлиматора, и блок управления с вычислительным устройством, входы которого связаны с выходами МФП.

В отличие от прототипа, отражающий элемент состоит из зеркала и прямоугольной призмы, ребро двугранного угла которой перпендикулярно нормали к отражающей поверхности зеркала, а световой пучок, идущий из фотоэлектрического автоколлиматора разделяется светоделительным кубиком на два световых пучка, один из которых направлен к зеркалу, а второй к прямоугольной призме, при этом светоделительный кубик установлен на поплавке, сохраняющем положение нормали к светоделительной грани кубика в горизонтальной плоскости (в плоскости ХОУ) при любых наклонах объекта контроля, а блок управления с вычислительным устройством с помощью шторок, установленных перед зеркалом и прямоугольной призмой, обеспечивает попеременное попадание отраженных от зеркала и прямоугольной призмы световых пучков на объектив фотоэлектрического автоколлиматора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в конструктивном решении отражающего элемента, что позволяет получить простую оптическую схему и, самое главное, одинаковый высокий коэффициент передачи утла поворота объекта контроля вокруг трех осей координат, равный двум.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет контролировать поведение объекта контроля при его перемещении вдоль оптической оси фотоэлектрического автоколлиматора (ось ОУ) без какой-либо перенастройки оптической схемы устройства.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков предлагаемого трехкоординатного фотоэлектрического автоколлиматора позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 и фиг. 2 представлена общая оптическая схема устройства, а на фиг. 3 - разрез по А-А отражателя, устанавливаемого на объект контроля.

Трехкоординатный фотоэлектрический автоколлиматор состоит из собственно фотоэлектрического автоколлиматора 1, блока управления с вычислительным устройством 2 и корпуса 3, жестко закрепленного на объекте контроля 4, с установленными на нем отражающими элементами.

В состав фотоэлектрического автоколлиматора 1 входят источник излучения 5, конденсор 6, диафрагма 7, представляющая собой круг диаметром 0,2-0,5 мм, полупрозрачная пластина 8, объектив 9 и МФП 10.

На корпусе 3 жестко закреплены кронштейн 11 с установленным на нем зеркалом 12 и кронштейн 13 с установленной на нем прямоугольной призмой 14.

При этом ребро 15 прямоугольной призмы 14 перпендикулярно нормали к зеркалу 12. Перед зеркалом 12 установлена поворачивающаяся шторка 16, а перед прямоугольной призмой 14 - поворачивающаяся шторка 17.

Кроме того, внутри корпуса 3 залита жидкость 18, и в ней расположен поплавок 19, на который установлен светоделительный кубик 20 таким образом, что нормаль к светоделительной грани 21 светоделительного кубика 20 расположена в горизонтальной плоскости (плоскости ХОУ).

При наклонах объекта контроля 4 вокруг осей ОХ и ОУ поплавок 19 будет сохранять свое положение в пространстве неизменным, и только при повороте объекта контроля 4 вокруг оси OZ поплавок 19 будет поворачиваться на тот же угол, что и объект контроля 4, благодаря наличию ограничителей 22.

Центр масс поплавка 19 находится внутри шара 23, что обеспечивает его высокую устойчивость.

Работа трехкоординатного фотоэлектрического автоколлиматора осуществляется следующим образом.

Источник излучения 5 с помощью конденсора 6 проектируется в плоскость диафрагмы 7, представляющей собой круг диаметром 0,2-0,5 мм.

Диафрагма 7 находится в фокальной плоскости объектива 9. С помощью полупрозрачной пластины 8 излучение направляется к объективу 9. После объектива 9 параллельный световой пучок направляется на светоделительный кубик 20. Часть светового пучка, пройдя светоделительный кубик 20 насквозь, направляется к зеркалу 12, а часть светового пучка, отраженная светоделительной гранью 21 светоделительного кубика 20, направляется на прямоугольную призму 14.

По команде с блока управления с вычислительным устройством 2 поочередно открываются шторки 16 и 17, установленные соответственно перед зеркалом 12 и перед прямоугольной призмой 14.

Отраженный от зеркала 12 световой пучок вновь проходит светоделительный кубик 20 и попадает в объектив 9 фотоэлектрического автоколлиматора 1. Пройдя полупрозрачную пластину 8, световой пучок фокусируется на матричном фотоприемнике (МФП) 10.

В блоке управления с вычислительным устройством 2 информация обрабатывается и определяются углы поворота зеркала 12 α_ох и α_oz (а следовательно, и объекта контроля 4) вокруг осей ОХ и OZ соответственно.

где Δ₁ - смещение от исходного положения изображения круглой диафрагмы 7 на МФП 10 вдоль оси Z₁, а ƒ_об - фокусное расстояние объектива 9.

где Δ₂ - смещение от исходного положения изображения круглой диафрагмы 7 на МФП 10 вдоль оси Х₁.

Необходимо отметить, что в исходном положении ребро 15 прямоугольной призмы 14 совпадает по направлению с осью OZ.

При повороте объекта контроля 4 вокруг осей ОХ и OZ оно благодаря наличия поплавка 19 остается перпендикулярным оси отраженного от светоделительной грани 21 светоделительного кубика 20 светового пучка, идущего из фотоэлектрического автоколлиматора 1. Поэтому только при наклоне ребра 15 прямоугольной призмы 14 вокруг оси ОУ (синхронно с объектом контроля 4), отраженный от нее световой пучок изменит свое направление.

При открытой шторке 17 и закрытой шторке 16 отраженный от прямоугольной призмы 14 световой пучок, отражаясь от светоделительной грани 21 светоделительного кубика 20, направляется в объектив 9 фотоэлектрического автоколлиматора 1 и затем фокусируется на МФП 10.

В блоке управления с вычислительным устройством 2 информация с МФП 10 обрабатывается и определяется угол поворота α_оу прямоугольной призмы 14 (а следовательно, и объекта контроля 4) вокруг оси ОУ.

где Δ₃ - смещение от исходного положения изображения круглой диафрагмы 7 на МФП 10 вдоль оси Z₁.

Таким образом, предлагаемый трехкоординатный фотоэлектрический автоколлиматор обеспечивает одинаковый коэффициент передачи по углу поворота вокруг трех осей ОХ, ОУ, OZ, равный двум.

Кроме того, он обеспечивает работу с перемещаемыми вдоль оптической оси фотоэлектрического автоколлиматора 1 объектами контроля 4 без какой-либо перенастройки.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2437058, МПК: G01В 9/00, 2011 г.

2. Патент РФ №2408840, МПК: G01В 11/26, 2011 г.

3. Патент РФ №2535526, МПК: G01В 9/00, 2014 г.

4. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. Справочник, М.: Недра, 1991 г., с. 211, 212, 213 (РФ).

5. США, патент №4721386, МПК: G01В 11/26, 1988 г.

6. Коняхин И.А., Тургалиева Т.В. Трехкоординатный цифровой автоколлиматор. Оптический журнал, 80, 12, 2013 г. (РФ) - прототип.

Автоколлиматор содержит отражающий элемент, установленный на объект контроля, фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий источник излучения, светоделительную пластину, объектив, матричный фотоприемник (МФП), на который проектируются три изображения установленной в фокальной плоскости объектива круглой диафрагмы, получаемые после отражения от отражающего элемента светового пучка, и блок управления с вычислительным устройством, входы которого связаны с выходами МФП. Отражающий элемент состоит из зеркала и прямоугольной призмы, ребро двугранного угла которой перпендикулярно нормали к отражающей поверхности зеркала. Световой пучок из автоколлиматора разделяется светоделительным кубиком на два пучка, направленные к зеркалу и к прямоугольной призме. Светоделительный кубик установлен на поплавке, сохраняющем положение нормали к светоделительной грани кубика в горизонтальной плоскости. Блок управления с вычислительным устройством с помощью шторок, установленных перед зеркалом и прямоугольной призмой, обеспечивает попеременное попадание отраженных от зеркала и прямоугольной призмы световых пучков в объектив. Технический результат - повышение коэффициента передачи по углу скручивания и обеспечение углового контроля положения объекта при его перемещении вдоль оптической оси автоколлиматора без перенастройки схемы контроля. 3 ил.

Трехкоординатный фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий отражающий элемент, установленный на объект контроля, фотоэлектрический автоколлиматор, в состав которого входят источник излучения, светоделительная пластина, объектив, матричный фотоприемник (МФП), на который проектируются три изображения установленной в фокальной плоскости объектива круглой диафрагмы, получаемые после отражения от отражающего элемента светового пучка, выходящего из объектива фотоэлектрического автоколлиматора, и блок управления с вычислительным устройством, входы которого связаны с выходами МФП, отличающийся тем, что отражающий элемент состоит из зеркала и прямоугольной призмы, ребро двугранного угла которой перпендикулярно нормали к отражающей поверхности зеркала, а световой пучок, идущий из фотоэлектрического автоколлиматора, разделяется светоделительным кубиком на два световых пучка, один из которых направлен к зеркалу, а второй - к прямоугольной призме, при этом светоделительный кубик установлен на поплавке, сохраняющем положение нормали к светоделительной грани кубика в горизонтальной плоскости (в плоскости ХОУ) при любых наклонах объекта контроля, а блок управления с вычислительным устройством с помощью шторок, установленных перед зеркалом и прямоугольной призмой, обеспечивает попеременное попадание отраженных от зеркала и прямоугольной призмы световых пучков на объектив фотоэлектрического автоколлиматора.