Оптико-электронное устройство измерения размеров изделий Советский патент 1992 года по МПК G01B11/02 

и кончается, если сигнал указывает на другой конец объекта. Устройство содержит также схему прекращения счета при наличии ложных сигналов,

Для прототипа, а также других извест- 5 ных устройств контроля размеров изделий путем сканирования с помощью узкого параллельного луча с прохождением обоих краев изделия, т е. с размахом сканирования, превышающем его поперечные разме- 10 ры, характерны следующие недостатки. При этом световой диаметр линз объективов должен превышать поперечные размеры контролируемых изделий, что практически исключает возможность его применения 15 для крупных изделий Так как сканирование происходит с помощью узкого пучка лазерных лучей, желательно с целью повышения точности измерений сделать этот пучок как можно более узким. Однако этому препятст- 20 вует наличие естественной угловой расходимости параллельных лучей, которая обратно пропорциональная поперечному

А

с приводом вращения (двигатель не пока- зан),обрабатываемая цилиндрическая деталь 4, основной 5 и вспомогательный 6 объективы, фотодиод 7,

Объектив 5 при отсутствии клина 3 создает изображение освещенного отверстия диафрагмы 2 в точке 0, являющейся пересечением образующей АВ цилиндра 4, соответствующего требуемому размеру обрабатываемого изделия, с оптической осью объективов 5 и 6. Объектив 6 создает изображение точки 0 на поверхности фотодиода 7, Линия CD, совпадающая с осью вращения клина 3, пересекает образующую АВ в точке F. Светодиод 1 установлен над серединой одной половины клина. К фотодиоду 7 подключен вход электронного блока, содержащего последовательно соединенные усилитель, компаратор, дифференцирующие цепочки, соединенные с разными входами нечетного триггера.

Устройство функционирует следующим образом

В результате вращения клина 3 светодиаметЬу пучка d ( -я ) Поэтому шири- „

а25 вое пятно за один его полуоборот совершает движение по траектории (полукругу) 8, а затем это движение повторяется в том же направлении с частотой, превышающей в два раза частоту вращения клина Если об- 30

на пучка должна существенно превышать длину световой волны Я,

С целью измерения размеров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках, а также устранения указанных выше недостатков аналогов в изобретении осуществляется принцип слежения эа размерами изделия с одного его края с применением специального сканатора. Устройство содержит источник света и последовательно уста- 35 новленные вдоль его оптической оси диафрагму, сканатор, два объектива, фотоприемник и электронный блок преобразования информации Положительный эффект достигается путем выполнения сканатора в 40 виде дискообразного двухгранного оптического клина с одинаковыми углами наклона граней к его основанию. Ось вращения клина перпендикулярна к оси вращения изделия и сдвинута от нее на половину радиуса 45 диска. Точка образования изображения отверстия диафрагмы первым объективом со- пряжена через второй объектив с поверхностью фотоприемника и расположена с противоположной стороны от точки 50 прикосновения инструмента и изделия.

На чертеже показана схема оптического тракта устройства применительно к обработке цилиндрической детали 6 тот момент, когда достигнут требуемых размер детали. 55

В состав устройства, помещенного в корпус, связанный ссГстаниной и допускающий поперечное его перемещение, входят источник света 1, диафрагма с малым отверстием 2, дискообразный двухгранный клин

рабатываемое изделие 4 имеет диаметр, указанный на чертеже, то полуокружность 8 загораживается изделием в течение половины периода сканирования Т (Т ). В

фотодиоде 7, на поверхности которого фокусируется изображение светового пятна, движущегося по траектории 8, возникают импульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр (на выходе триггера), с постоянной составляющей, равной нулю, т.е. с одинаковой длительностью положительных и отрицательных импульсов ( Г| Т2). Если изделие имеет больший диаметр, чем указанный на рисунке, то ri Т5 и в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. В противоположном случае знак постоянной составляющей меняется на противоположный. Выделение этого аналогового сигнала осуществляется с помощью фильтра нижних частот, содержащегося в электронном блоке устройства. Можно также измерять цифровым способом непосредственно длительности импульсов и TI и тг . Тогда, как это можно показать с помощью решения соответствующей геометрической задачи, отклонение от номинального размера изделия X можно найти с помощью выражения

с приводом вращения (двигатель не пока- зан),обрабатываемая цилиндрическая деталь 4, основной 5 и вспомогательный 6 объективы, фотодиод 7,

Объектив 5 при отсутствии клина 3 создает изображение освещенного отверстия диафрагмы 2 в точке 0, являющейся пересечением образующей АВ цилиндра 4, соответствующего требуемому размеру обрабатываемого изделия, с оптической осью объективов 5 и 6. Объектив 6 создает изображение точки 0 на поверхности фотодиода 7, Линия CD, совпадающая с осью вращения клина 3, пересекает образующую АВ в точке F. Светодиод 1 установлен над серединой одной половины клина. К фотодиоду 7 подключен вход электронного блока, содержащего последовательно соединенные усилитель, компаратор, дифференцирующие цепочки, соединенные с разными входами нечетного триггера.

Устройство функционирует следующим образом

В результате вращения клина 3 светоет движение по траектории (полукругу) 8, а затем это движение повторяется в том же направлении с частотой, превышающей в два раза частоту вращения клина Если об-

рабатываемое изделие 4 имеет диаметр, указанный на чертеже, то полуокружность 8 загораживается изделием в течение половины периода сканирования Т (Т ). В

фотодиоде 7, на поверхности которого фокусируется изображение светового пятна, движущегося по траектории 8, возникают импульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр (на выходе триггера), с постоянной составляющей, равной нулю, т.е. с одинаковой длительностью положительных и отрицательных импульсов ( Г| Т2). Если изделие имеет больший диаметр, чем указанный на рисунке, то ri Т5 и в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. В противоположном случае знак постоянной составляющей меняется на противоположный. Выделение этого аналогового сигнала осуществляется с помощью фильтра нижних частот, содержащегося в электронном блоке устройства. Можно также измерять цифровым способом непосредственно длительности импульсов и TI и тг . Тогда, как это можно показать с помощью решения соответствующей геометрической задачи, отклонение от номинального размера изделия X можно найти с помощью выражения

x x0slnf (1 -Д),,

(1) или в линейном приближении

ЛГХо f , 2 7Г т

(1т-)(2)

где х0 - радиус окружности сканирования. Справедливость выражения (1) видна из

того, что при ri Г2 -у, х 0, и при ri

тх0; х х0; ri Т х -х0. Таким образом, предельная зона обзора устройства состав2ляет + Хо реальная -± х0. а ее линейный

участок согласно (2) - ± 0,1 х0 (в зависимости от требуемой точности шкалы). Поскольку Хо может составлять несколько миллиметров, данное устройство допускает возможность заведомо уменьшить скорость обработки по мере приближения к номинальному размеру (при точении и шлифовании), а также производить переналадку в пределах нескольких миллиметров изменения размеров без перемещения корпуса всего измерителя, размещенного на станине. Из выражений (1) и (2) видно, что измеряемая величина зависит только от

т

отношения которое не зависит от скорости вращения, а также от х0 определяемого геометрией оптического тракта и наклоном углов клина. Некоторое различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измерения электронным блоком и измерителями ri и тг , поскольку время измерений существенно превышает Т. Это обстоятельство приводит к усреднению выходного сигнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом.

Таким образом, отказ от принципа сканирования параллельным пучком света всео

5

0

5

0

5

0

го поперечного размера изделия и введение в качестве сканатора двухгрэнного клина дает следующий положительный эффект:

-позволяет проводить измерения в процессе обработки вращаемых изделий;

-введение двухгранного вращающегося клина допускает высокую скорость скани- рования (удвоение по сравнению со скоростью двигателя привода), что приводит к повышению точности измерений из-за лучшего усреднения показаний

Ожидаемая точность измерений, проверенная на макетах устройства, составляет ±0,1-±1 мкм.

Формула изобретения Оптико-электронное устройство измерения размеров изделий, содержащее корпус и размещенные в нем источник света и последовательно установленные вдоль его оптической оси диафрагму, сканатор, объектив, второй объектив, фотоприемник и электронный блок преобразования, отличаю щ е е с я тем, что, с целью измерения размеров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках, корпус установлен на станине станка с возможностью перемещения, сканатор выполнен в виде дискообразного оптического двугранного клина с одинаковыми углами наклона граней к его плоскому основанию, установленного так, что его ось вращения перпендикулярна к оси вращения изделия, параллельна оптической оси объективов и сдвинута от нее на половину радиуса диска относительно оси вращения изделия, а точка образования изображения отверстия диафрагмы первым объективом оптически сопряжена через второй объектив с поверхностью фотоприемника и расположена с противоположной стороны от точки соприкосновения обрабатывающего инструмента и изделия.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано, в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках и при формировании изделий с помощью пластической деформации. Цель изобретения - измерение размеров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках. При вращении скана- тора в виде дискообразного оптического двугранного клина с одинаковыми углами Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано, в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках. Известно устройство контроля размеров изделий, в котором сканатором является вращающееся зеркало и используется параллельный световой пучок лазера для сканирования в пространстве установки контролируемого изделия. Оптический тракт содержит основной объектив, форминаклона граней к его плоскому основанию, установленного перпендикулярно к оси вращения изделия, параллельные оптической оси объективов и сдвинута от нее на половину радиуса диска относительно оси вращения изделия. Световое пятно за один его полуоборот совершает движение по полукругу. Если обрабатываемое изделие имеет номинальный диаметр, то полуокружность загораживается изделием в течение половины периода сканирования и возникают им.- пульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр. Если изделие имеет больший диаметр, то в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одного знака. Некоторое различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измерения электронным блоком и измерителями, поскольку время измерений существенно превышает Т. Это же обстоятельство приводит к усреднению выходного сигнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом. 1 ил. рующий параллельный световой пучок и приемный объектив, направляющий лучи в фотоприемник. В процессе вращения зеркала узкий пучок света перемещается параллельно самому себе. Контролируемое изделие при этом периодически экранирует свет от попадания через второй объектив в фотоприемник. Счетчик подсчитывает число импульсов высокочастотного заполнения во время перемещения пучка света вдоль объекта измерений. Подсчет начинается с момента, когда лучи проходят над первым концом объекта, (Л С 2 XI 00 v« о