Устройство для контроля геометрических размеров и дефектов образцов с рассеивающими поверхностями Советский патент 1987 года по МПК G01B21/00 

к отделыюй схеме анализа наблюдения допуска на толщину в электронной схеме обработки данных,

7.Устройство по пп.2-6, отличающееся тем, что строчкооб- разные фотоприемники расположены в плоскости изображения той же самой отображающей оптики.

8.Устройство по пп., отличающееся тем, что главный приемник расположен в плоскости изображения первой отобр 1жающей оптики, а второстепенные приемники размещены в плоскости изображения второй отображающей оптики.

9.Устройство по п.8,. отличающееся тем, что оптичес-- кая ось первой отображающей оптики составляет больший угол с падающим светом, чем оптическая ось второй отображающей оптики.

10.Устройство по п.9, отличающееся тем, что между оптической осью первой отображающей оптики и геометрическим эталоном поверхности испытуемого образца образуется угол в интервале от 70 до 9СГ .

11.Устройство по п.1,отличающееся тем, что приемник ощибок состоит минимально из двух строчкообразных фотоприемников, оди из которых - блок сигнализации дефетов, а другой - детектор брака, причем блок сигнализации дефектов расположен в плоскости изображения параллельно основному приемнику, а детектор брака - также параллельно основному приемнику, но на большем расстоянии от него.

12.Устройство по.п.I1, отличающееся тем, что блок сигнализации дефектов, отделенный дистанционной зоной, следует за основ-г приемником и детектор брака своим направленным в сторону основного приемника краем находится в положении, соответствующем отклонению изображения линии развертки при недопустимой глубине дефектов по верхности, а на выходе блока сигнализации дефектов в блоке анализа ошибок введены блок определения площади дефекта для получения сигнала ошибок и логическая ячейка ИЛИ, соединенная с детектором брака.

13.Устройство по п.12, отличающееся тем, что при максимально ожидаемой глубине дефекта

поверхности образца диапазон-детектора брака соответствует отклонению изображения линии развертки.

14.Устройство по ПП.11 и 13, о т личающееся тем, что детектор брака размещается непосредственно при блоке сигнализации дефектов.

15.Устройство по пп.2-14, отличающееся тем, что в качестве строчкообразных фотоприемников применяются удлиненные фотоэлектрические приемные элементы, выполненные в виде строк.

16.Устройство по пп.2-14, отличающееся тем, что в качестве строчкообразных,фотоприемников применяются щелевая диафрагма, рядом с ней фокусирующая оптика и в ее плоскости изображения - приемньш элемент с незначительным коэффициентом расщиренк1я.

17.Устройство по nn,i-16, отличающееся тем, что в него введен приемник сигналов ширины, соединенный с расположенными в цепи сигнала на выходе вентильными схемами блока электронной схемы данных.

18.Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве вентильной схемы на выходе блока обработки толщин и блока анализа ощибок применяются соответственно расположенные отдельные логические ячейки И.

19.Устройство по ПП.17 и.18, от личающееся тем, что в качестве приемника сигналов ширин в плоскости изображения одной из отбб- ражающих оптик применяется фотоэлектрический приемник сигналов ширин для отображения линии развертки в каждом возможном отклонении.

20.Устройство по П.1, о т л и - чающееся тем, что перед фотоэлектрическим приемным устройством размещен светоделитель, а приемник сигналов ширин размещается в плоскости изображения отделенного хода лучей за светоделителем.

21 .Устройство по ПП.1 и 20. отличающееся тем, что отображающая оптика и приемник сигналов ширин расположены в его плоскости в рассеянном свете внутри хода лучей в осветительной системе,

22,Устройство по пп.19-21, отличающееся тем, что приемник сигналов ширин состоит из отображающей оптики для элемента сигналов

ширин и расположенного в его плоскости изоб1#ажения приемного элемента с незначительным коэффициентом расширения.

23.Устройство по пп.1-22, о т - ЛИ) чающееся тем, что луч развертки осветительного устройства направлен перпендикулярно на поверхность испытуемого образца.

t

Изобретение относится к устройству для контроля дефектов и геометрических размеров образцов с рассеивающими поверхностямии предпочтительное плоской или цилиндрической формой, с помощью которого в процессе проверки одновременно могут определяться длина, диаметр и толщина, соблюдение Ш1И превьш1ение диаметров и допуска на толщину испытуемого образ- ца, величины ошибок поверхности таких как дыры, трещины, лунки, местные бугры, а также глубина или вы-, сота дыр, лунок и местных бугров. Устройство рассчитано на определение отклонений $ с 10 мкм В нескольких милиметров и может применяться для проверки и контроля образцов, а также дпя обнаружения специальных дефект :в, отклонений допусков н фор- мы технических поверхностей, учитывая автоматизацию этих процессов. Изобретение применяется для контроля образцов с сильно рассеивающими и диффузно отражающими поверхностями.

. Известен ряд устройств.дпя оптического контроля размерности поверхности, основывающихся на различных . оптических принципах, причем устройства дпя оценки света, отраженного от поверхности испытуемого образца, встречаются чаще всего.

В описании изобретения к патенту США № 3788741 Н кл. 356-4, 1977 представлен оптический зонд, состоя- щий из фокусирующей линзы, полупропускающего зеркала, двух световых фильтров разного цвета, двух детекторов и двух световых источников. Оценка поверхности и глубины дефек- та осуществляется с помощью измерения количества света, отраженного от поверхности.

24.Устройство по пп.1-23, отличающееся тем, что в качестве осветительного устройства применяются источник света для точечного излучения и отклоняющий блок для отклонения светового пучка по строкам вдоль линии развертки испытуемого образца.

Известно устройство (патент ВВ) содержащее лампу, цилиндрическую линзу и ряд световодов, причем све- товолокна объединены в пучки и связаны с фотоэлементом. Концы свето- водных кабелей расположены в виде строки по направлению отражения света. Оценка поверхности также осущесвляется сравнением интенсивности отраженного света отдельных фотоэлементов, которые могут по разному комбинироваться с точки зрения электротехники.

Известно устройство (патент ФРГ 2621238, кл. G 01 В 11/04, 1978) для определения размерности цилиндрических предметов, состоящее из двух приводимых в движение роликов, 1 репления для инфракрасного диода и двух фототранзисторов. Во время проверки цилиндрический предмет перемещается на приводимых в движение роликах между инфракрасным диодом и фототранзисторами и в зависимости от их диаметра выключает их так, что интенсивность света является мерой диаметра,

Однако известные устройства не рассчитаны на проверку предметов с сильно рассеивающими поверхностями, на обнаружение ошибок поверхности и определение их глубин, а также геометрических размеров предметов.

Цель изобретения - создание устройства, при помощи которого с высокой точностью измерения производится бесконтактный контроль дефектов и их геометрических размеров во время одного и того же процесса проверки с обеспечением при этом высокой производительности. Устройство применяется в автоматически работающих контрольно-измерительных установках.

В основу изобретения положена задача, создать устройство, с помощью которого с высокой эффективностью и без повреждения образца, осуществляется его контроль.

В устройстве для контроля дефектов и геометрических размеров испытуемых образцов с рассеивающими поверхностями, состоящем из осветительного устройства для оптической раз- вертки образца по строкам, механизма передачи движения для осутцествле- ния относительного движения между линией развертки и испытуемым образцом примерно перпендикулярно к диафрагме развертки, а также из электронных схем обработки эта задача решается тем, что в рассеянном свете находятся, как минимум, менее одна отображаощая оптика и в ее нлос кости изображения фотоэлектрическое приемное устройство, распространяю- щееся вдоль изображения линии развертки и состоящее из разборного основного приемника, принимающего отображение линии развертки в его номинальном положении, и из приемника ошибок, причем основной приемник содержит несколько строчкообразных фотоприемников и минимально за двумя приемниками в одном из блоков для обработки тол1аины в системе обработки данных следует совместная логическая операция ИЛИ для контроля толщины, в то время как приемник ошибок присоединен электронный блок для обработки ошибок, В качестве основного приемника имеются два строчкообразных фотоприемных устройства, состоящих из главного приемника, со- бирающего основную часть излучения,, и вторичного приемника, которые размещаются один около другого. в качестве основного приемника применяю три строчкообразных фотоприемных устройства, состоящих из среднего главного приемника, собирающего основную часть излучения, и двух вто- ричт.1х приемников, соединенных между сЪбой электрически размещенных один около другого. Кроме того, в качестве основного приемника может служить и первое строчкообразное фотоприемное устройство с распрострняющейся по длине строки щелью и непосредственно за этой щелью второ строчкообразное фотоприемное устройство, причем второе фотоприемное устройство представляет собой глав

о Q Q

5

ный приемник, собирающий основную часть светового потока, а первое фотоприемное устройство рассматривается как вторичный приемник.

Возможно расположение главного приемника непосредственно перед щелью первого строчкообразного фото- пр 1емного устройства. Находящиеся по обеим сторонам главного приемника вторичные приемники могут соответственно подключаться к отдельной схеме анализа в общей системе электронных схем обработки, предназначенной для контроля несоблюдения (превышения и неиспользования) допуска на толщину. Строчкообразные фотоприемные устройства расположены в плоскости изображения той же самой отображающей оптики или главный приемник находится в плоскости изображения первой, а вторичный приемник - в плоскости изображения второй отображающей оптики. При этом оптическая ось первой отображающей оптики должная составлять больший угол с направлением падающего света, чем оптическая ось второй отображающей оптики. Этот угол должен составлять от 70

О

ДО 90 . Приемник ошибок состоит минимально из двух строчкообразных фо- топриемных устройств,причем блок сигнализации дефектов размещается в плоскости изображения паралллельно основному приемнику, а детектор брака - также параллельно к нему, но на больй1ем расстоянии к основному приемнику. Блок сигнализации дефектов отделяется от основного приемника дистанционной зоной. Детектор бра- ка своим направленным в сторону приемника краем находится в положении, соответствующем отклонению изображения линии развертки при недопустимой глубине дефектов поверхности. На выходе блока сигнализации дефектов имеется логическая ячейка ИЛИ для сопряжения сигнала блока определения площади дефекта и сигнала ошибок. Ширина детектора брака соответствует отклонению изображения линии развертки и при максимально ожидаемой глубине дефекта на поверхности испытуемого образца. Детектор брака размещается непосредственно около блока сигнализации дефектов. Строчкообразные фотопрцемные устройства составляются из удлиненных, выполненных в виде строк фотоэлектрических приемных элементов.

Целесообразно выполнить строчко- образные фотоприемные устройства в виде щелевой диафрагмы, следующей за ней фокусирующей оптики и расположенного в ее плоскости изображения при емного элемента. Электронные схемы обработки содержат вентильную схему, которая проявляется в цепи сигнала после каждого выходного сигнала и второй вход которой связывается со схемой сигнализации ширин. На выходе блоков обработки толщин и ошибок в качестве вентильной схемы соответственно размещаются логические ячейки И. Для сигнализации ширин в плоскости изображения оДной из отображающей оптики имеется фотоэлектрический приемник сигналов ширин, принимающий изображение линии развертки в каждом- возможном положении отклонения. Данный приемник сигнализации щирин может находиться и в плоскости изображения отделенного светоделителем хода лучей. Приемник сигналов ширин и принадлежащая к нему отображающая оптика находятся в отраженном рассеянном свете внутри осветительного хода лучей,, причем приемник сигналов ширин может состоять из отображающей оптики и приемного элемента с незначительным коэффициентом расширения.

Луч развертки осветительного устройства перпендикулярно направлен на поверхность испытуемого образца. Указанное осветительное устройство может г-редставлять собой точечный источник света в сочетании с отклоняющим блоком для строчкообразного отклонения света вдоль линии развертки образца.

Преимущества изобретения заключаются в том, что с высокой точ- ностью измерения и производительностью в процессе контроля образцов бесконтактно получают ряд данных таких, как длины испытуемого образца, отклонения допуска толщины, а также относительно дефектов поверхности таких как трещины, лунки, дыры местные бугры и др., причем одновременно определяются их размеры по площади, высоте и глубине. По сравнению с другими известными решениями изобретение позволяет провести очень экономичный контроль, так как процессы контроля проходят одновременно .

На фиг.1 схематически показано предлагаемое устройство для контро968376

ля дефектов и геометрических размеров образцов; на фиг.2 - то же, ;и1я контроля геометирческих размеров с двумя отдельно расположенными отоб- с ражающими оптиками; на фиг.З - строч- кообразное фотоприемное устройство с щелевой диафрагмой, фокусирующей оптикой и приемным элементом с незначительным коэффициентом расширения

O (вариант); на фиг.4 - устройство, вид сбоку; на фиг.5 - приемник, регистрирующий боковые поверхности в квазипараллельно падающеьгу свету рассеянном свете; на фиг.6 - основ5 ной приемник, одна из модификаций; на фиг.7 - то же, измененная модификация; на Фиг.8 - то же, другая модификация; на фиг.9 - фотоэлектрическое приемное устройство, моди-,

0 фикация.

Устройство состоит из источника света (не показан), испытуемого образца 1 с механизмами 32 передачи движения в виде роликового под5 шипника, отображающей оптики 3 фотоэлектрического приемного:устройства 28 и электронных схем 24 обработки. Светоделитель 10 и приемник сигналов 11 могут отсутствовать.

0 Система электронных схем 24 обработки состоит из блока 25 анализа ошибок и блока 26 обработки толщин. Блок 25 анализа ошибок состоит из блока 20 определения площади дефекта, логической ячейки 29 ИЛИ и вентильной схемы 31; блок Обработки толщин - из двух формирователей 27 импульсов и вентильной cxetibi 30. Устройство показывает бесконтактный меQ тод проверки для определения отклонений геометрических размеров и оши- бсж поверхности, который предпочтительно может применяться в случае плоских или цилиндрических испытуе мых образцов 1 с диффузно отражающей поверхностью. С помощью системы цилиндрических линз пучок лучей (элементы формирования пуска лучей не показаны) фокусируется на поверхносл ти образца 1 и образует линию 2 развертки или с помощью вращательно-сим- метричной отображающей оптики формируется фокус. Последний отклоняется блоком отклонения, например вращающимся зеркалом, многогранником, электро- или акусто- оптическим отклоняющим элементом, вдоль линии 2 на поверхности испытуемого образца 1. В качестве источника

5

5

112

света можно применять лазер, свет которого модулируется по частоте с помощью модуляционного устройства. Линия 2 развертки при помощи находящейся в рассеянном свете отображгио- щей оптики 3 изображается на -фотоэлектрическом Приемном устройстве 28, состоящем из строчкообразных фотоприемных устройств. Последние подразделяются на основной приемник 5 для измерения толщины испытуемого образца 1, а также на приемник ошибок, содержащий блок 17 сигнализации дефектов и детектор 18 брака. Основной приемник 5 состоит из глав- ного 7 и вторичного 8 приемников (на фиг, 6-8 показаны возможные формы исполнения основного приемника 5). Самый простой вариант состоит из узкого главного приемника 7 и более широкого второстепенного приемника 8 Предполагается, что допуск на толщину изменяется только по одному направлению и в связи с этим изображение 4 линии 2 развертки тоже может перемещаться только в одном направлении.

На фиг. 7 и 8 показывается главный приемник 7, находя1цийся между двумя второстепенными приемниками В. Таким расположением обеспечиЬается определение отклонений допуска на толщину по обоим.направлениям. На фиг.8 показывается модификация изображенного на фиг.7 варианта исполне- ния, в которой во избежание мертвых зон между стыками строчкообразных ф отоприемных устройств главный приемник 7 был установлен в другой плоскости. Главный приемник 7 размещается в плоскости изображения отображающей оптики 3 так, чтобы при испытуемом образце 1 с шириной, соответствующей допуску, изображение 4 линии 2 разверт ки отображалось на него. В этом случае вторичный приемник 8 не получает светового излучения от изображения 4 линии 2 развертки. С помощью двух формирователей 27 импульсов и вен- тильной схемы 30, вход с отрицанием которых относится к второстепенному . приемнику 8, блок 26 обработки толщин определяет единичный сигнал, соответствующий годному сигналу. При превышении допуска на толщину испытуемого образца i изображение 4 ли НИИ 2 развертки уходит на второстепенный приемник 8. Если имеется тол0

83

o J5 25

зо 5 д о .j

V8

ко один второстепенный 1риом т1К В, тогда предполагается, что допуск на толщину может изменяться по одному направлению. Блок 26 обработки толщин регистрирует сигнал брака для толщины. Как показано на фиг.2, имеется возможность размещения главного 7 и второстепенного 8 приемников в плоскостях изображения двух отдельных отображающих оптик 12 и

13.Целесообразно, чтобы между главным приемником 7 с принадлежащей к нему оптикой и плоскостью падающего света образовался большой угол, предпочтительно в диапазоне от 70

до 90-, так как благодаря этому получается очень узкое изображение 4 линии 2 развертки и обеспечивается улучшение разрешающей способности.

На фиг.З представлено, что строч- кообразное фотоприемное устройство может состоять из щелевой диафрагмы

14,фокусирующей оптики 15 и приемного элемента 16 с незначительным коэффициентом расширения. Данная модификация предназначена для измерения толщин. Благодаря наличию щелевой диафрагмы сохраняется строчко- образный характер фотоприемного устройства. Фокусирующая оптика 15 служит для фокусировки на приемный элемент 16 светового потока, проходящего через щелевую диафрагму 14. Исходя из этого, данная модификация обеспечивает оценку наличия или отсутствия изображе:ния 4 линии 2 развертки

в соответствующем месте. Принцип определения глубины дефектов поверх-. ности демонстрируется на фиг,4. С помощью отображающей оптики 3 линия 2 развертки изображается на главном приемнике 7, если поверхность испытуемого образца не имеет ошибок, В случае дефектов поверхности таких как сколы, лунки и т.п, соответствующая часть изображения 4 линии развертки 2 уходит в зависимости от глубины дефекта поверхности и находится ипи в е5локе 17 сигнализации дефекта или в детекторе 18 брака. Диапазон блока 17 сигнализации дефектов выбран так, чтобы он соответствовал максимальному уходу соответствующей части изображения 4 линии 2 развертки для допустимой еще глубины дефекта поверхности. Детектор 18 брака,, непосредственно следящий за блоком 17 сигнализации дефектов, регистрирует все глубины дефектов,превышающие заданный размер и приводящие к повышению брака. Следящий за детектором 8 брака и блоком 17 сигнализации дефектюв блок 25 анализа ошибок сразу же выдает сигнал брака в момент попадания светового потока на детектор 18 брака, это значит, что на поверхности испытуемого образца 1 находится дефект, глубина которого превьш1ает максимально допустимую величину. Если имеется дефект незначительной глубины, тогда соответствующие световые пучки направляются только на блок 17 сигнализации дефектов. Он выполнен как матричные приборы с зарядовой связью и электрическим образом подключен к блоку 20 определения площади. Последний определяет площадь дефекта благодаря единичным элементам матричных приборов с зарядовой связью, подвергнутым освещению. Если эта площадь в сочетании с глубиной дефекта превышает заданную величину, тогда генерируется сигнал брака. Возможно также обнаружить место дефекта путем определения одного или нескольких единичных элементов матричного прибора с зарядовой связью, подвергнутых освещению. Глубокие дефекты, как трещины, глубокие дыры и т.п., при которых из-за затенения кромками дефектов не возникает изображения на фотоэлектрическом приемном устройстве 28, регистрируются как прерывание изображения 4 линии 2 развертки и обнаруживаются как соответственный де- фект с помощью блока 25 анализа ошибок. Если по обеим сторонам основного -приемника 5 размещаются по одному блока I7 сигнализации дефектов и одному детектору 18 брака, то также возможно оценит ь местш 1е лунки и вершины поверхности испытуемого образца, так как изображение 4 линии 2 развертки может сдвинуться по обеим сторонам в направлении главного приемника 7. Во избежании получения светочувствительных зон на стыках между отдельными строчкообраз ными фотоприемными устройствами имеется также возможность разместить их в двух расположенных близко друг за другом плоскостях, чтобы строчкооб- разные. фотоприемные устройства перекрывались. На фиг.9 представлен возможный вариант модификации фотоэлектрического приемного устройства. В

fO

15

20

96837I

случае неточного позиционировання или разных длин испытуемого образца 1 необходимо оснастить блоки 25 и 26 электронной схемы 24 обработки начальным и конечным сигналами, управляющими вентильными схемами 30 и 31 так, чтобы сигнал дефекта действительно указывал на дефект, а не на начало или конец испытуемого образца 1. В показанном на фиг. устройстве находящийся в ходе лучей светоделитель 10 отражает часть света на при- емник 1 сигналов ширины, который поставляет соответствующий начальный и конечный сигналы. В сочетании с вентильными схемами 30 и 31-на выходе блока 25 анализгя ошибок и блока 26 толщины эти сигналы приводят к тому, что обрабатывается только свет, отраженньтй испытуемым образцом 1 .

Целесообразное исполнение приемника 11 сигналов ширин представлено на фиг.5. Светоделитель 21, фокуси-у рующая оптика 22 и приемный элемент 25 23 размещаются в ходе лучей света, рассеянного квазипараллельно к лучу развертки. Благодаря этому почти полностью предотвращается затенение рассеянного света дефектами поверхности. Относительно площади приемник 11 сигналов ширин построен таким образом, что общее изображение 4 линии 2 развертки отображается на него независимо от того, отклоняется ли линия 2 развертки или нет. Кроме того, имеется возможность использования сигнала, полученного от приемника 11 сигналов ширин, для управления интенсивностью осветительного устройства.

При применении модулированного света, например лазерного света, в сочетании с отклоняющим блоком все строчкообразные фотоприемгаде устройства выполнены как отдельные элементы. Исходя из того, что линия 2 развертки и, следовательно, в данном случае также ее изображение 4 состоит из последовательно по времени возникающих световых точек, возможно путем подсчета генерированных световыми точками импульсов детектора 18 брака дать информацию о площади и месте дефекта и на приемнике 11 сигналов ширин - о начале и конце, а также о длине испытуемого образца 1, С целью определения площади и места дефекта представляется более целесообразным использовать не только

30

35

40

45

50

55

п

129

импульсы детектора 18 брака, но и искаженные импульсы основного приемника 5, в особенности, главного приемника 7, потому что они позволя1296837

12

ют осуществить более точное определение этих данных, независимо от глубины дефекта и ширины линии 2 развертки.

ZS

I р-

-1

jj/H-n-J

-24

Фuг.f

/5

8

1Z

Фиг.1

а

фиг. 6

8

фаг. 7

фиг. 6

Г8

,л

77 7

фиг.

Редактор С.Лисина

Составитель Е.Глазкова Техред А.Кравчук

Заказ 764/41Тираж 678Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор Г.Решетник