Способ для контроля геометрических размеров протяженных объектов и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано для контроля геометрических размеров протяженных подвижных объектов, например диамет ра проволок, поперечных размеров ни тей, оптических волокон. Известен бесконтактный способ контроля геометрических размеров по вижных и неподвижных нитей, заключающийся в том, что формируют тонки лазерный луч света, направляют его на сканирующий элемент, преобразуют в движущийся параллельно самому себе, помещают объект в сканируемое пространство, преобразуют фотоэлементом световой поток, прошедший через сканируемое пространство, осу ществляют двойное интегрирование фотоимпульсов, по результату которо го судят о размере объекта i. Недостатком способа является невысокая достоверность контроля подвижных нитей из-за увеличения базы измерения, зависящей прямо пропорционально от скорости движения нити и обратно пропорционально от скорос ти сканирования. Наиболее близким к изобретению техническим решением является спосо для контроля геометрических размеро протяженных объектов, заключающийся в том, что формируют лазерный луч, делят его на два параллельных между собой и образующих измерительную зону световых потока, производят ск нирование объекта, формируют в моменты перекрытия объектом каждого и двух световых потоков импульсы фото тока. Фиксируют фотоэлементами изме нение световых потоков при пересече нии лучами объекта, находят сумму амплитуд сигналов с обоих фотоэлементов, по величине которой определяют размер объекта 21. Недостаток способа - невысокая точность измерения, зависящая от нестабильности скорости сканировани световых пот-оков и характеристик фотоэлементов и от систематической ошибки измерения вследствие неточной начальной установки расстояния между лучами по номинальному размеру объек та. Кроме того, точность контроля движущихся объектов ниже, чем неподвижных, так как база измерения, соот ветствующая участку объекта, на котором происходит усреднение размера объекта, зависит от действительного отклонения размера, причем чем больше отклонение и чем выше скорость движения объекта, тем больше база. Известно устройство для бесконтактного контроля геометрических раз меров подвижных и неподвижных нитей, содержсодее лазер, вращающуюся стеклянную призму, щелевую диафрагму с прямоугольными кромками, фотоприемНИКИ и электронный блок. Объект сканируется .двумя тонкими лазерными лучами, выходящими из вращающейся призмы, затем лучи преобразуются фотоприемниками в электрические импульсы, электронный блок осуществляет двойное интегрирование фотоимпульсов и вырабатывает сигнал, пропорциональный размеру объекта 1 . Недостатком устройства является невысокая достоверность контроля подвижных объектов из-за увеличения базы измерения при их. движении. Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для контроля геометрических размеров протяженных объектов, содержащее оптический квантовый генератор, светоделительную пластину, делящую световой поток на две ветви, первую коллимирующую систему, первую фокусирующую линзу и первый фотоэлемент, расположенные в одной ветви, вторую коллимирующую систему, поворачивающие призмы, первую и вторую дифракционные решетки, вторую фокусирующую линзу и второй фотоэлемент, последовательно расположенные в другой ветви, сканирующий элемент, установленный на пересечении световых потоков двух ветвей между первой коллимирующей системой и первой дифракционной решеткой, и блок обработки сигнала, входы которого связаны с фотоэлементами. Первая фокусирующая линза и первый фотоэлемент расположены на пути светового потока, выходящего из сканирующего элемента непосредственно за сканируемым пространством в одной ветви. Устройство измеряет размеры объекта путем синхронного сканирования световыми лучами первого и второго каналов соответственно объекта и дифракционной решетки, подсчета импульсов, снимаемых с фотоэлементов и прошедших схему сравнения, причем оптические оси световых лучей обоих каналов расположены взаимно перпендикулярно и проходят через центр сканирующего элемента - вращающегося куба 3 3Недостатком устройства является невысокая точность контроля из-за увеличения базы измерения, которая зависит от скорости движения объекта. Цель изобретения - повышение точ1ости контроля геометрических размеров протяженных объектов в процессе их движения путем синхронного двухстороннего сканирования. Поставленная цель-достигается тем, что согласно способу для контроля геометрических размеров протяженных объектов, заключающемуся в том, что формируют лазерный луч, делят его на два параллельных между собой и образующих измерительную зону световых потока, производят сканирование объекта, формируют в моменты перекрытия объектом каждого из двух световых потоков импульсы фототока, преобразуют два световых потока в движущиеся навстречу друг другу дополни тельно формируют импульс фототока в момент прохождения световыми потоками центра измерительной зоны, опре деляют длительность между импульсами фототоков, соответствующих моментам перекрытия объектом каждого из двух световых потоков, и импульсом фототока, соответствующим центру измерительной зоны, формируют масштабные Импульсы, суммируют число масштабных импульсов, вошедших в каждую длительность, и по величине суммы определяют текущий размер объекта. Устройство для контроля геометрических размеров протяженных объектов, содержащее оптический квантовый генератор, светоделительную пластину, делящую световой поток на две ветви,первую коллимирукядую систему, первую фокусирующую линзу и первый фотоэлемент, расположенные в одной ветви, вторую коллимирующую систему поворачивающие призмы, первую и- вто рую дифракционные решетки, вторую фокусирующую линзУ и второй фотоэлемент, последовательно расположен ные в другой ветви, сканирующий элемент, установленный на пересечении световых потоков двух ветвей между первой коллимирующей системой и цер вой дифракционной решеткой, и блок обработки сигнала, входы которого связаны с фотоэлементами, снабжено вычислительным блоком, связанным с выходом блока обработки сигнала, светоделительной призмой, установленной в первой ветви за сканирующим элементом и имеющей точечную диафра му в центре ее отражающей грани, уголковым отражателем, расположенным за светоделительной призмой на пути световых потоков обеих ветвей, трет ей фокусирующей линзой и третьим фотоэлементом, расположенныл® на пути отраженного от уголкового отра жателя светового потока, четвертым фотоэлементом, установленным соосно с точечной диафрагмой, выходы треть го и четвертого фотоэлементов связа ны с блоком обработки сигнала, а первая фокусирующая линза и первый фотоэлемент расположены на пути отраженного от уголкового отражателя светового потока. На чертеже представлена принципиальная схема устройства, осуществ ляющего способ для контроля геометрических размеров протяженных объек тов. Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, светоделител ную пластину 2, делящую световой поток на две ветви, первую коллимирующую систему 3, первую фокусирующую линзу 4 и первый фотоэлемент 5, расположенные в одной ветви, вторую коллимирующую систему б, поворачивающие призмы 7 и 8, первую и вторую дифракционные решетки 9 и 10, вторую фокусирующую линзу 11 и второй фотоэлемент 12, последовательно расположенные в другой ветви, сканирующий элемент 13, установленный на пересечении световых .потоков двух ветвей между первой колли1дарующей системой 3 и первой дифракционной решеткой 9, и блок 14 обработки сиг Нсшов, входы которого-связаны с фотоэлементами 5 и 12, вычислительный блок 15, связанный с выходом блока обработки сигнала 14, светоделительную призму 16, установленную в первой ветви за сканирующим элементом 13 и имеющей точечную диафрагму « в центре ее отражщощей гргши Ь ,уголковый отражатель 17, расположенный за светоделительной призмой 16 на пути световых потоков обеих ветвей,третью фокусирующую линзу 18 и третий фотоэлемент 19, расположенные на пути отраженного от уголкового отражателя 17 светового потока, четвертый фотоэлемент 20, установленный соосно с точечной диафрагмой. Выходы третьего и четвертого фотоэлементов 19 и 20 связаны с блоком обработки сигнала 14, первая фокусирующая линза 4 и первый фотоэлемент 5 расположены на пути отраженного от уголково-го отражателя 17 саетового потока. Контролируеглай объект 21 размещен между светоделительной призмой 16 и уголковым отражателем 17. Способ осуществляется следующим образом. Свет от оптического квантового генератора 1 падает, на светоделительную пластину 2, разделяющую его на два луча равной интенсивности. В первой ветви световой пучок, пройдя первую коллимирующую систему 3, направляется на сканирукядий элемент 13, смещающий его на величину Z f(d,n,i), где d - толщина стеклянного куба; п - показатель преломления материала стекла i - угол поворота стеклянного куба. Сканирукяций луч, проходя светоделительную призму 16, преобразуется в два параллельных вторичных луча виг, движущихся навстречу друг другу со скоростью Vf- и определянядих в крайних положениях границы измерительной зоны, внутри которой располагается контролируемый объект 21. Место встречи лучей в и о, совпадает с оптической ОСЬКИ светоделительной призмы 16 и определяет центр измерительной зоны 3.. В момент прохожд1ения лучами центра измерительной зоны часть светового

потока со сканирующего элемента 13, пройдя через точечную диафрагмуrt на непрозрачной стенке 6 светоделительной призмы 16, попадает на четвертый фотоэлемент 20. Полученный короткий импульс фототока, поступающий на схёму сравнения блока обработки сигнала 14, служит для формирования заднего фронта двух измерит ел ьнБцс импульсов, передние фронты которых образуются в моменты, когда лучи в и -и , днижущиеся от центра измерительной зоны или к ней, пересекут границы контролируемого объекта 21, и лучи в и г измененной интенсивности, направленные уголковым отражателем 17 на фоку сирукщие линзы 4 и 18, регистрируются соответственно фотоэлементами 5 и 19. Импульсы фототоков с обоих фотоэлементов 5 и 19 поступгиот на схему сравнения блока 14 обработки сигналов.

Во второй ветви световой пучок от светоделительной пластины 2, пройдя вторую коллимирующую систему б и поворачивающие призмы 7 и 8,

падает на первую дифракционную решетку 9, дифрагирует на ней и направляется на сканирующий элемент 13. Оптические оси обеих ветвей перед сканирующим элементом 13 расположены взаимно перпендикулярно и проходят через его центр. Световой пучок, прошедамй через сканирукяций элемент 13, падает на вторую дифракционную решетку 10 и взаимодействует с ней. Полученные диафрагированные лучипервого порядка фокусируются второй фокусирующей линзой 11 на второй фЬтоэлемент 12. Выходные импульсы этого фотоэлемента являются масштабными и используются в качестве измерительных для дискретизации фото-, импульсов, полученных с первой ветви. Масштабные импульсы поступают на схему сравнения блока обработки сигнала 14. Прошедшие в счетчик блока обработки сигнала 14 масштабные 1мпульсы в интервале между импульсами с фотоэлементов 5 я 20, а также между импульсами с третьего фотоэлемента 19 и импульсов с четвертого фотоэлемента 20, поступают в вычислительный блок 15, где суммируются.

Полученное число соответствует разМеру поперечного сечения контролируемого объекта 21.

Вследствие синхронизации частоты импульсов заполнения длительностей и скорости сканирования луча период импульсов в каждой длительности не зависят от скорости сканирования. В отличие от прототипа, база измерения не зависит от размера самого объекта и действительного отклонения, так как сканирование осуществляется лучами, расстояние между которыми непрерывно изменяется и не остается постоянным, как у аналогов Поэтому способ не требует дополнительных операций, связанных с переходом к измерению объектов с другим номинальными размерами. Смещение объекта относительно центра измерительной зоны не влияет на точность контроля, так как происходит только перераспределение числа импульсов в каждой длительности, а сумма их для одного измерения остается без изменения. В отличие от известных способов положительным эффектом является также уменьшение влияния на точность контроля вибрации объекта, которое может сказаться только в момент касания лучами сторон объекта. В остальных случаях вибрации не влияют на результат измерения. Устраняется недостаток прототипа, заключающийся в невозможности контроля объектов, которые имеют действительные отклонения равные или более 0,5 диаметра сканирующего луча.

Таким образом, способ и устройство для его осуществления обладают в 2-3 раза более высокой точностью контроля геометрических размеров протяженных объектов.

способ и устройство могут найти широкое применение в точном машинои приборостроении, в электронной, радиотехнической и электротехнической про « ышленности и других отраслях для контроля геометрических размеров протяженных подвижных объектов - диаметров проволок, поперечны размеров нитей, оптических волокон др.

i

{

1. Способ для контроля геотлетрических размеров протяженных объектов, заключающийся в том, что формк руют лазерный луч, делят его на два параллельных между собой и образующих измерительную зону световых потока, производят сканирование объекта, формируют в моменты перекрытия объектом каждого из двух световых потоков импульсы фототока, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности контроля, преобразуют два световых потока в движуине-ся навстречу ДРУГ другу, дополнительно формируют импульс фототока в момент прохождения световыми потоками центра измерительной зоны, определяют длительность между импульсами фототоков, соответствующих моментам перекрытия объектом каждого из двух световых потоков, и импульсов фототока, соответствующим центру измерительной .зоны, формируют масштабные импульсы, суммируют число масштабных импульсов, вошедших в каждую длительность, и по величине суммы определяют текущий размер объекта. 2. Устройство для контроля геомет рических размеров протяженных объектов, содержащее оптический квантовый генератор, светоделительную пластину, делящую световой поток на две ветви, первую коллимируквдую систему, первую фокусирующую линзу и первый фотоэлемент, расположенные в одной ветви, вторую коллимирующую систему, поворачивающие призмы, первую и вторую дифракционные решетки, вторую фркусирукацую лкнзу и второй фотоэлемент, последовательно расположенные в другой ветви, сканирукхций элемент, устаi (Л новленный на пересечении световых потоков двух ветвей между первой коллимируквдей системой и первой дифракционной решеткой, и блок обработки сигнала, входы которого связаны с фотоэлементами, отличающеес я тем, что оно снабжено вычислительным блоком, связанньм с выходом блока обработки сигнала, светодели|Тельной приэмой, установленной в первой ветви эа сканирующим элементом и имеющей точечную диафрагму в центре ее отражающей грани, уголкосо вым отражателем, расположенным эа светоделительной призмой На пути световых потоков обеих ветвей, треть00 ей фокусирукяаей линзой и третьим фотоэл« «ентс 1, расположенными на пути о±раженного от уголкового отражателя светового потока, четвертым фотоэлементом, установленным соосно с точечной диафрагмой, выходы третьего и четвертого фотоэлементов связаны с блоком обработки сигнгша, а первая фокусирующая линза и первый фотоэлемент расположены на пути отраженного от уголкового отражателя светового потока.