Оптико-электронное автоколлимационное устройство для измерения профиля полированных поверхностей Советский патент 1991 года по МПК G01B21/20 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для контроля формы поверхности оптических деталей.

Цель изобретения - повышение точности за счет устранения влияния различия интенсивности источников излучения и упрощение устройства за счет уменьшения количества источников излучения.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема устройства; на фиг. 2 - оптическая схема устройства: на фиг. 3 - схема электрической части устройства; на фиг. 4 - схема определения нормалей и поверхности.

Устройство состоит из узла 1 базирования контролируемой детали (см. фиг. 1 платформы 2, на которой установлен узел 1. выполненный в виде координатного столика, барабанов 3, 4, 5, обеспечивающих при помощи винтовых механизмов (на чертеже не показаны) перемещение узла 1 относительно платформы 2 вдоль оптической оси детали и по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к этой оси, и шкалы 6, конструкция узла 1 предусматривает разворот детали вокруг ее оптической оси, при этом о величине угла поворота судят по шкале 6, вала 7, подшипников 8, платформы 9, ходового винта 10, гайки 11, электропривода 12, датчика 13, электропривода 14, датчика 15.

Платформа 2 жестко связана с валом 7, цапфы которого установлены в подшипниках 8, закрепленных на платформе 9, имеющей возможность линейного перемещения параллельно плоскости горизонта при помощи ходового винта 10, гайки 11 и электропривода 12. Датчик 13 механически связан с винтом 10, вал 7 механически связан с электроприводом 14 и датчиком 15. Платформа 16 расположена над узлом 1 оптического датчика, установленного на платформе 16 и состоящего из фотоэлектрического автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. расположенных так, что их оптические оси лежат в

ё

О 00

Os

GO О

ел

одной плоскости, пересекаются в одной точке, причем оптическая ось автоколлиматора 17 является биссектрисой угла между осями коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19, плоскость осей оптического датчика перпендикулярна валу 7, механизма линейного перемещения платформы 16, содержащего ходовой винт 20, гайку 21, электропривод 22, датчик 23 линейного перемещения, вычислительного блока 24, счетчиков 25, 26, 27. Датчики 13, 15, 23 подключены на первых три входа вычислительного блока 24 через соответствующие им счетчики 25, 26, 27, с выходами вычислительного блока 24 связаны электроприводы 12, 14, 22. Схемы селекции, регистрации и обработки сигнала включены между выходами автоколлима-тора 17, блока 19 и третьим, четвертым входами блока 24 соответственно.

Автоколлиматор 17 (см. фиг. 2) состоит из рабочего и компенсационного оптических каналов. Рабочий оптический канал состоит из оптически связанных источников 28 модулированного излучения (светодио- да), конденсатора 29, точечной диафрагмы 30, светодепительного кубика 31, объектива

32,в фокусе которого помещена диафрагма 30 и позиционно-чувствительный фотоприемник 33, приемная площадка которого также помещена в фокусе объектива 32. Компенсационный оптический канал состоит из оптических связанных источника 34 излучения (светодиода), конденсатора 35, точечной диафрагмы 36, объектива 37, пози- ционно-чувствительного фото приемника

33.Параметры оптических схем рабочего и компенсационного каналов выбираются такими, чтобы размеры пятен засветки на фотоприемнике 33 от обоих каналов были одинаковыми, т.е. чтобы были одинаковы размеры изображений диафрагм 30 и 36.

Коллиматор 18 состоит из оптически связанных источника 38 модулированного излучения {светодиода), конденсатора 39, точечной диафрагмы 40 и объектива 41.

Фоторегистрирующий блок 19 состоит из рабочего оптического канала, компенсационного оптического канала. Рабочий оптический канал включает оптически связанные объектив 42 и позиционно-чувствительный фотоприемник 43. Компенсационный оптический канал состоит из оптически связанных источника 44 модулированного излучения (светодиода), конденсора 45, точечной диафрагмы 46, обьектива 47, светоделительного элемента 48, позици- онно чувствительного фотоприемника 43.

Первая схема селекции, регистрации и обработки сигнала состоит из двух цепей.

каждая из которых состоит из последовательно соединенных усилителя 49, избирательного усилителя 50, синхронного детектора 51, синхронного детектора 52,

вход которого подключен к выходу усилителя 50, схемы 53 вычитания, входы которой подключены к выходам детекторов 51 и 52, и индикатора 54, подключенного к выходу схемы 53. Входы 55 элемента И подключены

0 к выходам детекторов 53, усилители 53 подключены каждый к своей паре выходов фотоприемника 33, а выход элемента 55 подключен к третьему входу блока 24.

Вторая схема селекции, регистрации и

5 обработки сигнала состоит из двух цепей, каждая из которых состоит из усилителя 56. избирательного усилителя 57, синхронных детекторов 58 и 59. схемы 60 вычитания и индикатора 61. соединенных аналогично це0 пи первой схемы селекции, регистрации и обработки сигнала. Усилители 56 подклю-- чены каждый к своей паре выходов фотоприемника 43, а выход первой схемы 60 подключен к четвертому входу ЭВМ.

5Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения профиля полированной поверхности сводится к определению полярных координат точек

0 поверхности относительно ее вершины и оптической оси. Для этого производится зондирование поверхности световыми пучками автоколлиматора 17 и коллиматора 18 с целью определения положения нормалей

5 к поверхности в ряде ее точек и фиксирование этих точек посредством отслеживания пространственного положения отраженных от поверхности зондирующих пучков.

При помощи автоколлиматора 17 опре0 деляется положение нормалей к контролируемой поверхности в ряде ее точек путем совмещения оптической оси автоколлиматора 17 с осью отраженного зондирующего пучка, о чем судят по нулевому сигналу с

5 выхода соответствующей схемы селекции, регистрации и обработки сигнала.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование ряда точек контролируемой поверхности путем

0 совмещения точки пересечения оптических осей оптического датчика вдоль нормали к поверхности, а следовательно, совмещения оптической оси зондирующего пучка коллиматора 18 с оптической осью фоторегистри5 рующего блока 19, о чем судят по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции и обработки сигнала.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 обеспечивают фиксирование ряда точек контролируемой поверхности путем

совмещения точки пересечения оптических осей оптического датчика вдоль нормали к поверхности, а следовательно, совмещения оптической оси зондирующего пучка коллиматора 18 с оптической осью фоторегистри- рующего блока 19, о чем судят по нулевому сигналу с выхода соответствующей схемы селекции и обработки сигнала.

Работа узлов оптического датчика автоколлиматора 17. коллиматора 18 и фоторе- гистрирующего блока 19 основана на принципе формирования зондирующих параллельных или сфокусированных в точке пересечения оптических осей пучков света и последующего отслеживания пространственного положения этих пучков после отражения от поверхности контролируемой детали.

Автоколлиматор 17 работает следующим образом.

Свет, излучаемый светодиодом 28, собирается конденсором 29 в плоскости точечной диафрагмы 30. Заполненное светом отверстие диафрагмы 30 находится в фокусе объектива 32, что обеспечивает формирование параллельного зондирующего пучка, который после отражения от контролируемой поверхности направляется объективом 32 на отражающую грань светоделительного элемента 31 и далее на приемную площадку фотоприемника 33. Одновременно на площадку фотоприемника 33 направляется при помощи конденсора 35, диафрагмы 36, объектива 37 излучение от светодиода 34, который излучает на той же частоте, что и светодиод 28, но в противофазе. Благодаря тому, что элементы компенсационного канала соосны с фотоприемником 33 и неподвижны относительно него, пятно засветки, создаваемое этим каналом на приемной площадке неподвижно и выполняет референтную роль, позволяя исключать ошибку определении положения пятна, создаваемого рабочим каналом, из-за возможного дрейфа нуля - ошибке, свойственной всем типам позиционно-чувствительных фотоприемников.

Процесс исключения этой ошибки реализуется схемой селекции, регистрации и обработки сигналов и происходит следующим образом (см. фиг. 3).

Сигналы от двух светодиодов 28,34 снимаются с двух пар взаимно перпендикулярных координатных разнополярных выводов фотоприемника 33, обеспечивающих фиксирование отклонения от оси автоколлиматора 17 поступившего в него после отражения от контролируемой поверхности зондирующего пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и поступают t

предварительные усилители 49 и далее в избирательные усилители 50, настроенные на частоту модуляции светодиодов 28, 34. После каждого избирательного усилителя 5 сигнал поступает на пару синхронных детекторов 51, 52. В результате после детекторов 51 выделяется часть сигнала, соответствующая положению на приемной площадке фотоэлемента 33 пятна засветки.

10 создаваемого рабочим каналом, а после детекторов 52 - часть сигнала, создаваемая компенсационным каналом, пропорциональная дрейфу нуля фотоприемника 33. Таким образом, синхронные детекторы

15 51 и 52 разделяют сигналы от рабочего и компенсационного каналов. После разделения сигналы от синхронных детекторов 51, 52 поступают соответственно в схемы 53 вычитания, где происходит их вычитание и

0 выделение сигналов, соответствующих величинам истинного смещения отраженного зондирующего пучка относительно центра фотоприемника 33 вдоль двух взаимно перпендикулярных координат. Величины г.иг5 налов фиксируются индикаторами 54. После схем 53 вычитания сигналы поступают на элемент И 55, выход которого подключен к блоку 24. Сигнал с выхода элемента 55 последует лишь в случае равенства О сигна0 лов с обоих схем 53 вычитания, что возможно лишь в случае совпадения оси отраженного от контролируемой поверхности пучка с оптической осью автоколлиматора 17, а следовательно, с центром позиционно-чувствительного

5 фотоприемника 33.

Коллиматор 18 и фоторегистрирующий блок 19 работают следующим образом.

Коллиматор 18 при помощи светодиода 38, конденсора 39, щелевой диафрагмы 40

0 и объектива 41 формирует зондирующий пучок и направляет его в сторону контролируемой поверхности, отразившись от которой он попадает в объектив 42 фоторегистриру- ющего блока 19 и далее на фотоприемник

5 43. Одновременно на фотоприемник 43 попадает излучение от компенсационного канала. Сигналы с каждой пары координатных разнополярных выводов поступают в соответствующую схему селекции, регист0 рации и обработки сигнала, в которой по аналогии с описанной схемой, обеспечивающей работу автоколлиматора 17, производится последовательное усиление сигналов в усилителях 56,57, разделение синхронны5 ми детекторами 58,59, и вычитание в схемах 60 вычитания, с выходов которых снимаются сигналы, свободные от ошибки, обусловленной дрейфом нуля и соответствующие истинному положению пятна засветки рабо- чего канала на приемной площадке фотоприемника 43. Величины сигналов регистрируются индикаторами 61. По нулевому сигналу, регистрируемому индикаторами 61. судят о совпадении плоскости оптических осей оптического датчика с оптической осью контролируемой детали.

В процессе фиксирования точек контролируемой поверхности сигнал о положении оптического датчика относительно этой поверхности снимается с разнополярных выводов, которые совпадают с плоскостью оптических осей оптического датчика. Поэтому с целью обеспечения управления движением оптического датчика в нужном направлении относительно контролируемой поверхности вдоль нормали к ней выход первой схемы 60 вычитания связан с блоком 24, на который при несовпадении точки пересечения оптических осей датчика с поверхностью поступают сигналы, отличные от сигнала О, знак которых соответствует положению точки пересечения оптических осей относительно поверхности.

Перед началом измерений устройство приводится в исходное положение, при котором ось вала 7 пересекает плоскость оптических осей оптического датчика в точке пересечения этих осей. Затем устанавливают в узел базирования оптическую деталь и, перемещая ее по взаимно перпендикулярных плоскостях при помощи барабанов 3.4, добиваются совпадения нормали к вершинной точке поверхности оптической детали с осью автоколлиматора 17, о чем судят по нулевым показаниям индикаторов 54 и по нулевому сигналу с элемента 55. Далее добиваются совмещения точки пересечения оптических осей оптического датчика с вершинной точкой поверхности, для чего перемещают деталь вдоль нормали к поверхности при помощи барабана 5 до появления нулевого отсчета на индикаторах 61.

Блок 24 (см. фиг. 1) выдает управляющий сигнал на электропривод 12, который при помощи механизма линейного перемещения ходовых винта 10 и гайки 11 перемещает платформу 2 с установленным на ней узлом 1 базирования с контролируемой деталью вдоль оси ординат так, что вершинная точка О занимает положение OL смещенное относительно исходного на величину YOI. которая посредством датчика 13 поступает в ЭВМ и регистрируется счетчиком 25. Затем блок 24 выдает управляемый сигнал на электропривод 14. который разворачивает платформу 2 с деталью на угол а вокруг оси вала 7 до момента совпадения оптической оси автоколлиматора 17 с нормалью к поверхности детали с некоторой точке А. Величина угла щ от датчика 15 поступает в счетчик 26 и блок 24, который выдает команду на электропривод 22. Последний при помощи механизма линейного перемещения - ходовых винта 20 и гайки 21, перемещает оптический датчик вдоль нормали к поверхности до момента совпадения точки пересечения оптических осей датчика с некоторой

точкой А поверхности детали, о чем судят по нулевому сигналу на выходе схемы вычитания 60.

В результате описанных перемещений деталь займет положение, при котором вершинная точка О поверхности сместится по оси ординат в точку Oi на величину YOI, оптическая ось OiO повернется на угол а по отношению к ее исходному положению, точка А поверхности, координаты которой измеряются, окажется на оси X. совпадающей с оптической осью автоколли- матора, и приобретет координату Хд.

На фиг. 4 видно, что полярными координатами точки А относительно оси OiO и вершины детали будут радиус-вектор Рд ОсА и угол &ь наклона радиуса-вектора р к оптической оси ОЮ. При этом величина радиуса-вектора р д определяется из выражения

5

01

а угла

0

5

0

5

из выражения ©A yt +/3i . Или, учитывая, что

у 90°-ai / i arctg Yoi

О)

(2)

(3) (4)

Од 90° - on + arctg (5)

YOI

В соответствии с выражениями 1. 5. блок 24 рассчитывает координату точки А.

Нулевой сигнал с выхода схемы вычитания 60 поступает в ЭВМ. которая продолжает выполнение программы и выдает необходимые управляющие команды на измерение координаты следующей точки В контролируемой поверхности. Процесс измерения аналогичен описанному. Блок 24 выдает последовательно управляющие сигналы на электроприводы 12.14, 22 (см. фиг. 1). которые обеспечивают перемещение детали вдоль оси ординат в положение, при котором ее вершинная точка переместится в точку О2 с координатой Y0, разворот детали относительно точки Оа в р положение, при котором оптическая ось автоколлиматора 17 совместится с нормалью к поверхности к некоторой точке В, а оптическая ось детали окажется в положении 020, повернутом на угол О2 от исходного положения О,О, перемещение оптического датчика до момента совпадения точки пересечения его осей с зондируемой точкой В на величину Хв. По величинам измеренных перемещений блок 24 рассчитывает полярные координаты точки В относительно оптической оси и вершиной точки поверхности детали в соответствии с выражениями

/ B VXB2+Yoiz

ев

(в)

(7)

90° -02 +arctg-Ј - .

Y02

Формула изобретения Оптико-электронное автоколлимационное устройство для измерения профиля полированных поверхностей, содержащее установленные с возможностью взаимного относительного углового и линейного перемещения узел базирования измеряемой детали и оптический датчик, состоящий из автоколлиматора и коллиматора с источником излучения, фоторегистрирующего блока, установленных так, что их оптические оси лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке, а ось автоколлиматора является биссектрисой угла, образованного осями коллиматора и фоторегистрирующего блока, автоколлиматор состоит из двух источников излучения, установленных по ходу лучей от первого источника излучения, конденсора, диафрагмы, светоделительного элемента и первого объектива, и из первого

фотоприемника, оптически связанного с светоделительным элементом, фоторегист- рирующий блок состоит оптически связанных объектива, фотоприемника, отличаю- 5 щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено двумя схемами селекции, регистрации и обработки сигналов, каждая из которых состоит из двух цепей, каждая из которых выполнена в виде после10 довательно соединенных избирательного усилителя, первого синхронного детектора, схемы вычитания и индикатора, и второго синхронного детектора, включенного между выходом избирательного усилителя и

15 вторым входом схемы вычитания, фото- приемники выполнены позиционно-чувст- вительными, избирательные усилители первой схемы селекции, регистрации и обработки сигналов подключены к выходам

20 первого фотоприемника, избирательные усилители второй схемы селекции, регистрации и обработки сигналов подключены к выходам второго фотоприемника, автоколлиматор выполнен с компенсационным оп25 тическим каналом, состоящим из установленных „между вторым источником излучения и светоделительным элементом второго конденсатора, второй диафрагмы и второго объектива, фоторегистрирующий

30 блок выполнен с компенсационным оптическим каналом, состоящим из оптически связанных источника излучения, конденсора, диафрагмы, второго объектива и светоделительного элемента, оптически связанного с

35 вторым фотоприемником.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - по- вышение точности за счет устранения различия интенсивности источников излучения и упрощение устройства за счет уменьше- ния количества источников излучения Устройство состоит из оптического датчика, выполненного в виде автоколлиматора 17, коллиматора 18 и фоторегистрирующего блока 19. Автоколлиматор 17 и фоторегистриру- ющий блок выполнены с компенсационными каналами, позволяющими компенсировать дрейф нуля фотоприемников. 1 п. ф-лы, 4 ил.

/J

2Ь

23

38

f,,0

W 50

fi.

fi.

W 50

ff,W8(f

5, «4I

V

Фиг. 2

П

54

55

/f/

К5локу2Ь

54

u

6

КР/юку 21

0U2 J

Фиг.1