Устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей Советский патент 1985 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения формы поверхностей оптических деталей .

Целью изобретения является повышение точности и./расширение номенклатуры измеряемых поверхностей.

Па фиг.1 представлена функционалная схема устройстваJ на фиг.2 оптическая схема устройства; разрезы А-А, Б-Б и В-В; на фиг.З - схема измерения профиля поверхности.

Устройство содержит (фиг.О узел 1 базирования контролируемой детали платформу 2, механизм 3 линейного перемещения платформы 2, датчик 4 линейного перемещения платформы 2, установленный на платформе 2 оптический датчик 5, который включает осБститель б, фотоэлектрический автколлиматор 7 и фоторегистрирующий блок 8, вычислительньй блок 9,жестк скрепленный с платформой 2, механизм 10 поворота платформы 2 вокруг оси, перпендикулярной плоскости оптических осей оптического датчика 5 датчик 11 угла поворота платформы 2, механизм 12 перемещения платформы 2 в плоскости, параллельной оптическим осям оптического датчика, датчик 13 перемещения. Узел 1 базирования контролируемой детали выполнен в виде поперечной 14 и продольной 15 кареток.

Фотоэлектрический автоколлиматор 7 расположен на платформе 2 так, что его оптическая ось параллельна направлению перемещения механизма 12 перемещения платформы 2.

Фотоэлектрический автоколлиматор 7 (фиг.2) выполнен в виде коллиматор ного объектива 16, двух светоделительных элементов 17 и 18, и четырехгранной зеркальной пирамиды 19, вершина которой расположена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 16. У боковых граней четырехгранной зеркальной пирамиды I9 расположены четыре источника 2023 светового излучения. Фотодиоды 24 и 25 установлены в фокальной плоскости коллиматорного объектива 16 напротив- светоделительных граней светоделительных элементов 17 и 18.

Два выхода блока 26 питания подключены к соответствующим источникам 20 и 22 светового излучения.

что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой f. Два выхода блока 27 питания подключены к соответствующим источникам 21 и 23 светового излучения, что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой f2. Фотодиоды 24 и 25 подключены к входам узкополосных усилителей 28 и 29, настроенных соответственно на частоты f и fj. Выходы усилителей 28 и 29 подключены к индикатору 30 а также через клю 31 к управляющим входам механизма 10 поворота платформы 2. Осветитель 6 вьтолнен в виде объектива 32, в фокальной плоскости которого расположена вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 33. У противоположных граней четырехгранной зеркальной пирамиды 33 расположены источники 34 и 35 светового излучения. Два выхода блока 36 питания подключены к соответствующим источникам 34 и 35 светового излучения, что обеспечивает их излучение в противофазе с частотой fд.Фоторегистрирующий блок 8 выполнен в виде фокусирующего объектива 37, в фокальной плоскости которого расположен фотодиод 38, подключенный к узкополосному усилителю 39. Выход усилителя 39 подключен к индикатору 40, а также через ключ 41 - к управляющему входу механизма 12 перемещения платформы 2 Входы (фиг.1) вычислительного блока 9 подключены к выходам датчика 4 линейного перемещения гшатформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения. На узел 1 базирования устанавливается измеряемая оптическая деталь 42. Устройство работает следующим

образом (фиг.З). I . .

В исходном положении измеряемая

деталь 42 установлена так, что оптическая ось фотоэлектрического автоколлиматора 7 совпадает с нормалью к поверхности измеряемой детали 42 в точке А (добиваются перемещением поперечной 14 и продольной 15 кареток при этом показания индикатора нулевые. Затем замыкают ключ 41, при этом механизм 12 перемещения платформы 2 перемещает оптический датчик, установленный на платформе 2, в сторону измеряемой детали 42 до тех пор, пока точка пересечения оптических осей осветителя 6 и фото3регистрирующего блока 8 не совпадет с поверхностью измеряемой детали.4 в точке А, при этом показания индикатора 40 будут нулевыми, после этого размыкают ключ 41. Исходное положение устройства показано на фиг.З, при этом коорди наты Хд и Уд точки А равны Хд н; YA о, и соответствующие сигналы с выходо датчика 4 линейного перемещения платформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 пере мещения поступают на входы вычисли тельного блока 9. После этого включают механизм 3 линейного перемещения платформы 2, который перемещает оптический датчик 5 вдоль оси LJ (фиг.З) на расстояние y, а затем его выключают. Включают ключ 31, при этом механизм 10 поворота платформы 2 поворачивает оптический датчик на угол до тех пор, пока нормаль к измеряемой поверхности детали 42 в точке В не совпадет с оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7, при этом показа ния индикатора 30 будут нулевыми, после чего ключ 31 размыкают и включают ключ 41. При этом механизм 12 перемещения платформы 2 перемещает оптический датчик, установлен ный на платформе 2, в сторону изме ряемой детали 42 до тех пор, пока точка пересечение оптических осей осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8 не совпадет с поверхностью измеряемой детали в точке В при этом показания индикатора 40 будут нулевыми, после этого размыкают ключ 41. Координаты точки 8 (фиг.З) опре деляются вьфажением Xg-(H + uHe)5lntfB , Ув (,-(( и соответствуюпще сигналы с выходо датчика 4 линейного перемещения пл формы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения поступают на входы вычислитель ного блока 9, где йНц - величина отсчета датчика 13 перемещения; 9424 у. - величина отсчета датчика 4 линейного перемещения . платформы 2. Аналогичным образом определяют координаты точек С и D измеряемой детали 42. Вычислительный блок 9 в соответствии с сигналами с выхода датчика 4 механизма линейного перемещения платформы 2, датчика 11 угла поворота платформы 2 и датчика 13 перемещения производит вычисление профили измеряемой поверхности детали 42. Рассмотрим подробнее работу фотоэлектрического автоколлиматора 7. Вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 19 расположена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 16, поэтому после коллиматорного объектива 16 будут четыре коллимированных пучка лучей, соответствующие источникам 20-23 светового излучения . Эти пучки лучей после отражения от поверхности измеряемой детали 42 попадают в коллиматорный объектив 16, который после светоделительных элементов 17 и 18 формирует на фотодиодах 24 и 25 два изображения четырехгранной зеркальной пирамиды 19. Если нормаль к поверхности измеряемой детали 42 совпадает с оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7, то в этом случае изображение четьфехгранной зеркальной пирамиды 19 симметрично относительно центров чувствительныхплощадок фотодиодов 24 и 25. При этом с каждого фотодиода 24 и 25 поступа от на входы узкополосных усилителей 28 и 29, настроенных соответственно на частоты f и f, четыре синусоидальных сигнала, два из которых имеют частоту f| , и сдвиг фаз 180, а два других - частоту f и сдвиг фаз 180. При симметричном расположении изображения четьфехгранной зеркальной пирамиды 19 амплитуды двух синусоидальных сигналов с частотой f( равны и сигнал на выходе узкополосного усилителя 28 равен нулю, также сигнал на выходе узкополосного усилителя 23 с частотой f равен нулю. Отклонение оптической оси фотоэлектрического автоколлиматора 7 от.

нормали к поверхности измеряемой детали 42 приводит к нарушению симметрии в изображении четьфехгранной зеркальной пирамиды 19 на фотодиодах 24 и 25, при этом на выходе узкополосных усилителей 28 и 29 появляются сигналы, пропорциональные углу между оптической осью фотоэлектрического автоколлиматора 7 и нормалью к поверхности измеряемой детали 42.

Аналогичным образом работает осветитель 6 и фоторегистрирующий блок 8. Вершина четырехгранной зеркальной пирамиды 33 расположена в фокальной плоскости объектива 32, поэтому после объектива 32 будут два коллимированных пучка лучей, соответствующие источникам 34 и 35 :светового излучения, подключенным к выходам блока 36 питания.

В случае, когда точка пересечения оптических осей осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8 совпадает с поверхностью измеряемой детали 42, направление отраженного от

нее светового пучка будет паралельно оптической оси фоторегистрирующего блока 8, и фокусирующий

объектив 37 сформирует на фотодиое 38 изображение четьфехгранной зеркальной пирамиды 33, симметричное относительно центра чувствительной площадки фотодиода 38. При этом

с выхода фотодиода 38 поступают на вход узкополосного усилителя 39 ва синусоидальных сигнала с частотой f3, равные по амплитуде в противофазе, и выходной сигнал с выхода

узкополосного усилителя 39 равен нулю.

в остальных случаях симметрия изображения четьфхгранной зеркальной пирамиды 33 относительно центра

чувствительной площадки фотодиода 38 нарушается и сигнал на выходе узкополосного усилителя 39 будет пропорционален расстоянию от поверхности измеряемой детали 42 до точки пересечения оптических осей

осветителя 6 и фоторегистрирующего блока 8.

/7 г

Фиг.2

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФШ1Я ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, механизм линейного перемещения платформы, датчик линейного перемещения платформы, установленный на платформе оптический датчик,, включающий два осветителя и фоторегистрирующий блок, вычислительный блок, вход которого подключен к выходу датчика линейного перемещения платформы, отличающееся тец, что, с целью повьшения точности и расширения номенклатуры измеряемьк поверхностей, оно снабжено жестко скрепленным с платформой механизмом поворота платформы с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости расположения оптических осей оптического датчика, датчиком угла поворота платформы, выход которого подключен к входу вычислительного блока, механизмом перемещения платформы в плоскости, параллельной плоскости оптических осей оптического датчика, датчиком перемещения, выход которого подключен к входу вьтислительного блока, один из осветителей выполнен в виде фотоэлектрического автоколлиматора и установлен так, что его оптическая ось совпадает с биссектрисой угла, образованного оптическими осями другого осветителя и фоторегистрирующего блока, выход фотоэлектрического автоколлиматора подключен к управляющему входу механизма поворота платформы,вы- ход фоторегистрирующего блока под(Л ключен к управляющему входу механизма перемещения платформы. 2. Устройство по П.1., отличающееся тем, что фотоэлектрический автоколлиматор выполнен в виде объектива, двух светоделительных элементов, фотоприемников, оптически связанных со светоделиро тельными элементами, двух узкопоS лосных усилителей с частотами пропускания fJ и fJ, входы которых 6 подключены к соответствующим фотопри-. емникам, четьфехгранной зеркальной пирамиды, четырех источников светового излучения, расположенных у каждой из боковых граней пирам1ады, двух блоков питания с частотами модуляции f и f2, подключенным к соответствующим источникам светового излучения.