Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров Советский патент 1992 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроэвм для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП.

И звестно оптическое устройство для бесконтактного измерения линейных размеров, например толщины изделия, о.использованием двух световых лучей, падающих на поверхность исследуемого объекта под определенным углом в. Лучи создают на поверхности объекта два освещенных пятна, расстояние между которыми зависит от удаления головки измерительного датчика от поверхности исследуемого объекта. Расстояние S и смещение D исследуемой поверхности относительно её номинального положения связаны следующим выражением,

S 2D/tg е,

где в- угол наклрна светового луча к исследуемой поверхности,

При изменении положения поверхности объекта световые пятна сближаются или удаляются в зависимости от того, удаляется или приближается поверхность по отношения к головке датчика. В головке датчика измерителя имеется система линз и оптическое сканирующее устройство, которое при обзоре поверхности вырабатывает два импульса с интервалом времени, соответствующим времени последовательного сканирования световых пятен. В таком случае временной интервал между импульсами пропорционален расстоянию между пятнами и в соответствии с приведенкой формулой является мерой линейного смещения. Устройство может быть автоматизировано и использоваться в ГАП.

Его недостатком является узкая функциональная возможность для целей измерения внутренних размеров. Измеряемое отверстие должно иметь размеры, превышающие-габариты устройства вместе с источником лазерного излучения, которое целиком должно размещаться внутри измеряемого отверстия. Измерения проводятся в одноточечной схеме, поэтому искомый размер определяют как замыкающее звено измерительной размерной цепи. Обеспечение дополнительных точек контакта на измеряемой поверхности затруднено для тонкостенных деталей и деталей, изготовленных из мягких материалов.

Известно другое оптическое устройство - интерференционный нутромер для бесконтактных относительных измерений

диаметров отверстий. Пучки лучей подают на противоположные стенки измеряемого отверстия, затем, отразившись от них, идут обратно по прежним направлениям и интерферируют с пучками, прошедшими через опорное плечо интерферометра, В результате в поле зрения окуляра образуются две системы интерференционных полос, по величине смещения которых судят об изменении диаметра измер:яемого отверстия,

К недостаткам данной методики можно отнести возможность измерений диаметров отверстий только с зеркально отражающими поверхностями, т.е. шероховатостью не более 0,04 мкм по параметру Ra, В противном случае происходит диффузное рассеяние световых пусков при их отражении от поверхности и образование интерференционных полос становится невозможным. Невозможность автоматизации данного устройства, а также его повышение чувствительности к температурным колебаниям и другим внешним воздействиям резко ограничивают его применимость в ГАП.

Цель изобретения - расширение диапазона контролируемых объектов за счет измерения отверстий с шероховатой поверхностью.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно установленные в оптически связанные источники света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по одной в каждом пучке, и регистратор, введены два зеркала, установленные по одному по ходу пучков света после соответствующих собирательных WH3, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного, фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом 9, определяемым неравенство 90° Q 180°. Зеркала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника излучения.

Устройство позволяет проводить измерение линейных внутренних размеров отверстий как с зеркальнь1ми, так и диффузно отражающими поверхностями, включая также легко деформируемые детали (тонкостенные или выполненные из мягких материалов). Устройство используется в составе автоматизированного измерительного компле1 са, управляемого от микроЭВМ, и легко может быть включено в состав ГАП.

На фиг. 1 изображено устройство, принципиальная схема; на фиг, 2 - график распределения освещенности на площадке фотоприемника; на фиг. 3 - ход лучей в оптической системе при различных размерах контролируемого отверстия.

Устройство содержит источник 1 света, коллимирующую оптическую систему 2, светоделитель 3, фокусирующие линзы 4 и 5, зеркала 6 и 7, позиционно-чувствительный фотоприемник 8, усилитель 9 электрическог го сигнала и электронный блок 10 обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от лазерного источника 1 проходит коллимирующую оптическую систему 2, светоделителем 3 расщепляется на два пучка, которые подают на поверхность измеряемого отверстия 11 в двух противоположных точках.

Рассеянные поверхностью отверстия световые пучки проходят через фокусирующие линзы 4 и 5 и, отражаясь от граней зеркал 6 и 7, попадают на позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности (фиг. 2). Электрические сигналы от позиционно-чувствительного фотоприемника усиливаются, преобразуются в цифровую форму. Дальнейшая обработка сигналов заключается в вычислении координаты максимума освещенности каждого из двух полученных распределений освещенности. Разность координат пропорциональная внутреннему размеру измеряемого отверстия.

Значения выходных злектрических сигналов зависят не только от интенсивности засветки той или иной ячейки (элемента) позиционно-чувствительного фотопрйемт ника, но и случайным образом от статического разброса значений чувствительности к освещенности отдельных ячеек. Поэтому имеется вероятность смещения максимума сигнала по адресам ячеек по отношению к его исти)ному значению, которое соответствовало бы наибольшей освещенности. Это в конечном счете приводит к погрешности определения внутреннего размера отверстия изделия, так как он фиксирует по разности координат размещения ячеек, дающих максимальный сигнал в обоих pStпределёниях. Точность отсчета координат может быть существенно повышена путем соответствующей обработки на ЭВМ выходных сигналов всех ячеек в пределах засвеченного участка позиционно-чувствительного фотоприемника. Программируется вычисление на ЭВМ координаты центра тяжести линейки, состоящей из чувствительных элементов фотоприемника, причем вместо

масс элементов используют значения злектрических сигналов, пропорциональных освещенности.

Алгоритм вычисления координаты центра имеет вид

SXiEi

Х 2 Б

где Ei - значение сигнала засвеченного элемента матрицы позиционно-чувствительного фотоприемника;

Xi - координата засвеченного злемента.

Вычисленная таким образом координата лучшим образом соответствует максимуму функции распределения освещенности, чем координата ячейки с максимальным сигналом. Увеличивается также разрешающая способность позиционно-чувствительного фотоприемника, которая ранее определялась размерами его отдельного элемента. Теперь при описанной системе обработки ее результат может представлять собой дробное число, что соответствует положению максимума освещенности светового пятна между двух элементов, которое нельзя было зафиксировать раньше.

Поскольку устройство реализует двухточечную схему измерения, то совмещение линии измерения с измеряемым диаметром в общем случае производится известным способом, при котором измерительная головка перемещается в соответствующих плоскостях до получения экстремальных значений измеряемого размера.

Для определения граничных значений внутреннего угла клинообразного зеркала светоделителя 3, а также угла наклона зеркал 6 и 7 принимается условие, чтобы отраженный луч л выходил параллельно подающему лучу Л и внутренней по ерхности измеряемого отверстия (в случае круглого отверстия параллельно образующей цилиндра) (фиг. 3). Положение зеркала 7 характеризуется углом наклона у его грани по отношению к зеркалу светоделителя 3, При этом исходным параметром считается угол наклона а грани зеркала светоделителя 3 по отношению к поверхности П. Угол а в эксплуатации устройства должен составлять более 45 и менее 90°, т.е. находится в интервале45-90°, а внутренний угол 6зеркала светоделителя 3 - соответственно в интервале значений 180° в 90°. В противном случае, например при меньших значениях углов а и б , луч OD перемещается от вертикали влево и, отразившись от поверхности П, не попадает на зеркало 7, Угол между направлениями падающего и отраженного лучей в точке О (угол отклонения) 0) 180°-2/3. С другой стороны, угол (У, как внутренний между параллелями Л и П и пересечением DO, является дополнительным до 180° к углу 180°-2 а, т.е. й) 2 а. Приравнивая эти выражения одного и того же угла ш, получим /3 90°- ее.. Тогда внутренний угол- между зеркалами 6 и 7 равен 77 2 уЗ 180°-2 а 180°- 0, так как 2а в. В треугольнике ABC имеем для суммьг углов (180° - у) + (180° - а)+ /3 180°. После подстановки в последнее равенство полученного выражения для угла уЗимеэму 270°-2 а, или у 270°- в, При уменьшении угла у и следовательно угла J/i отраженный от зеркала светоделителя 3 луч поворачивается в сторону от оси отверстия к его стенке. Предельно допустимое уменьшение угла у и следовательно угла i, по сравнению с полученными равенствами для этих углов, определяется размером измеряемого отверстия. При неограниченном уменьшении углов у и ту отраженный луч Л не выйдет из отверстия и будет срезан его кромкой. При увеличении размера измеряемого отверстия (фиг. 3, новое положение нижней стенки увеличенного отверстия П обозначено штриховой линией) луч D О, отразившись от п , не попадает на зеркало 7 независимо от значения угла у . В таком случае для расширения пределов измерения рекомендуется перемещать, например с помощью микровинта, зеркало 7 вдоль оси головки в новое положение 7 (обозначено штриховой линией). Устройство позволяет бесконтактным оптическим способом, используя двухточечную схему, проводить автоматически измерения линейных внутренних размеров сквозных и глухих отверстий как с зеркальными, так и диффузно отражающими inoBepхностями, включая также легко деформируемые детали (тонкостенные или выполненные из мягких материалов). Не требуется высокая стабильность источника излучения, поскольку практически важна фиксация ячейки фотоприемника, имеющей относительный максимум освещенности по сравнению с другими ячейками. Устройство используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроэвм, и легко может быть включено в состав ГАП. Формула изобретения 1.Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров, содержащее последовательно установленные и оптически связанные источник света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по одной в каждом пучке, и регистратор, отличающе. еся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых объектов, оно снабжено двумя зеркалами, установленными по одному по ходу.пучков света после соответствующих фокусирующих линз, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом в, определяемым неравенством 90° 0 180°. 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых линейных размеров, зеркала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника света.

Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроэвм для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП. Цель изобрете(ния -расширение диапазона контролируемых объектов. При этом пучок лучей oj источника 1 света, пройдя коллиматор 2, вводится внутрь измеряемого отверстия и там с помощью клинообразного зеркала светоделителя ,3 расщепляется на два пучка. Эти пучки света далее рассеиваются поверхностью контролируемой детали (отверстия) 11. Рассеянный свет собирается линзами 4 и 5 на поверхности двух зеркал 6 и 7 и отражается ими на^ позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух отдельных распределений освещенности. Сигналы от фотоприемника через усилитель 9 попадают в блок 10 обработки. По расстоянию между максимумами освещенности в двух распределениях определяется размер отверстия. Вычисление координаты максимума освещенности выполняется на микроЭВМ, 1 з.п.ф-лы, 3 ил.с; •fefOVI VIел