Устройство для контроля шероховатости поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля шероховатости поверхности изделий с любым видом механической обработки.

Известно устройство для прецизионных измерений шероховатости полированных поверхностей на основе гетеродинной интерферометрии, содержащее лазер, столик на воздушном подшипнике, кодирующее устройство, расщепитель поляризованного пучка, коллиматор, призму Волластона, систему зеркал и объективов, фотоприемник. Отраженное ог контролируемой поверхности излучение интерферирует с излучением опорного пучка. Анализируя интерференционную картину, определяют степень шероховатости поверхности.

Однако это устройство имеет ограниченный диапазон измерения величины шероховатости в силу того, что интерференционная картина при наличии оптически грубой поверхности не поддается регистрации.

Известно также устройство для контроля шероховатости, содержащее источник излучения, модулятор, линзу, регистрирующую систему, включающую в себя три оптических канала для приема отраженного поверхностью объекта излучения, каждый из каналов содержит собирающую линзу, ослабляющий светофильтр, матовую пластину и фотоприемник.

Устройство имеет ряд недостатков. Одним из них является зависимость показаний устройства от типа материала поверхности и его отражающих свойств, вследствие чего требуется производить регулировку уровня чувствительности как в каждом из каналов, так и в системе в целом Кроме того, в устройстве не устраняется погрешность регистрации, возникающая за счет различия амплитудных характеристик фотоприемников, их различной чувствительности к изменению температуры и разбросом значений начального фототока.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство контроля шероховатости, содержащее источник излучения (напри(Л

С

i4 iO

ICO Ю :О

;vj

мер, лазер), линзу, плоское зеркало с отверстием, три фотоприемника, один из которых регистрирует величину интенсивности зеркальной составляющей, а два других, расположенных под углами 150-170° к нормали, направленной к контролируемой поверхности, служат для регистрации рассеянной со- ставляющей,отраженнойот

контролируемой поверхности.

Недостатком устройства является наличие погрешности, обусловленной различиемамплитудыхарактеристикфотоприемников, величиной их темновых токов, высокой чувствительностью их параметров к флуктуациям температуры окружающей среды и излучения источника, а также тем, что отраженное рассеянное излучение регистрируется только в двух точках, тогда как его диаграмма направленности может быть с значительной неравномерностью во всем телесном угле.

Цель изобретения - повышение точности, производительности контроля и помехоустойчивости путем пространственного и временного разделения отраженного от поверхности объекта суммарного излучения и регистрации его составляющих одним фотоприемником.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве контроля шероховатости, содержащее источник излучения (лазер), оптическая ось которого направлена по нормали к исследуемой поверхности, линзу, фокусное расстояние которой совпадает с центром отверстия плоского зеркала, расположенного по ходу пучка источника так, что центр отверстия лежит на оси пучка, расходящегося в направлении контролируемой поверхност и, фотоприемник, внешняя нормаль которого направлена в сторону плоского зеркала так, что совпадает с осью пучка, зеркально отраженного поверхностью и плоским зеркалом, введены второе плоское зеркало, установленное между первым плоским зеркалом с отверстием и фотоприемником так, что центр этого зеркала лежит на оптической оси, а его зеркальная плоскость обращена в сторону первого зеркала так, что нормаль к зеркальной плоскости составляет с оптической осью острый угол, третье плоское зеркало, установленное так, что его центр лежит на оптической оси второго зеркала, а его зеркальная плоскость параллельна зеркальной плоскости второго зеркала и обращена в сторону фотоприемника, непрозрачный диск с двумя рядами чередующихся отверстий, установленным между третьим плоским зеркалом и фотоприемником с возможностью вращаться вокруг оси, проходящей через центр диска так, что плоскость вращения диска перпендикулярна оптической оси, являющейся зеркальным отражением оптической оси от второго зеркала, два ряда чередующихся отверстий размещены по окружности диска так, центры отверстий одного ряда совмещены с оптической осью, проходящей через центр отверстия первого зеркала, а центры отверстий другого ряда - с оптической осью,

являющейся зеркальным отражением оптической оси от второго и третьего зеркал. При этом отверстия одного ряда расположены по окружности диска так, что они не лежат на одном радиусе с отверстиями другого

ряда, что обеспечивает поочередное прохождение пучков, объектив, расположен между диском и фотоприемником так, что фокус объектива совпадает с плоскостью фотоприемника, а его оптическая ось параллельнз оптическим осям, проходящим через центры отверстий одного и другого рядов диска.

На оиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 - изображение диска.

Устройство содержит источник излучения (лазер) 1, линзу 2, плоское зеркало с отверстием 3, плоские зеркала 4, 5, непрозрачный диск 6 с двумя рядами чередующихся отверстий 9, 10, объектив 7 и

фотоприемник 8.

В диске отверстия одного ряда сдвинуты относительно отверстий другого ряда так, что при прохождении одного пучка через соответствующее отверстие, другой пучок не проходит.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от лазера 1 линзой 2 фокусируется в центре отверстия плоского

зеркала 3 и далее направляется на контролируемую поверхность 11. Последняя устанавливается перпендикулярно оптической оси системы, Отраженный от поверхности пучок, содержащий зеркальную и рассеянную составляющие, направляется на зеркало 3 и далее, отражаясь от него. - на зеркала 4 и 5. Последние выделяют из пучка зеркальную составляющую, направляя в отверстие 10 диска 6, другая часть пучка - рассеянная

составляющая, минуя зеркало 4, проходит через другое отверстие 9 диска. Объектив 7 собирает оба пучка в фокусе, совпадающем с плоскостью фотоприемника.

Вследствие того, что отверстия двух рядов сдвинуты относительно друг друга на угол а (фиг.2), прохождения пучков через отверстия 9 и 10 проходят последовательно во времени.

Таким образом с помощью зеркал 4 и 5

осуществляется пространственное разделение зеркальной и рассеянной составляющих, а с помощью диска 6 - их временное разделение. Фотоприемник преобразует последовательность световых потоков в последовательность импульсов электрических сигналов, амплитуды которых пропорциональны световой интенсивности зеркальной и рассеянной составляющих пучка.

Частота повторения электрических импульсов

,(1)

где k - общее число отверстий в диске модулятора;

п - частота вращения диска.

С выхода фотоприемника электрические сигналы подаются в блок регистрации и обработки, где преобразуются к виду

rf(f).

(2)

где Ra - параметр шероховатости;

1Р, 13-значения амплитуд электрических сигналов, соответственно пропорциональные значениям рассеянного и зеркальной интенсивностям отраженного от контролируемой поверхности излучения. Предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с известными.

Разделение излучения на две составляющие и их модуляция позволяют вести регистрацию интенсивностей с помощью одного оптоэлектронного тракта, что устраняет влияние характеристик тракта на изме- рительную информацию, поскольку выходная величина представлена в виде отношения. Внешние воздействия, характеризующиеся изменением интенсивности источника излучения, чувствительности фотоприемника, наличия синфазной вибрации устройства и контролируемой поверхности, а также изменением отражательной способности контролируемых материалов и влиянием температурных условий, не влияют на показания устройства, поскольку, являясь мультипликативными по отношению к величинам Ip, I3 в выражении (2), уничтожаются, если время их воздействия больше периода модуляции.

Формула изобретения Устройство для контроля шероховатости, поверхности, содержащее источник излучения, линзу и плоское зеркало с отверстием, последовательно установленные по одной оптической оси так, что центр отверстия находится на оси и с ним совпадает фокус линзы, а зеркальная плоскость зеркала наклонена к оси под острым углом, и фотоприемник, чувствительная площадка которого обращена к плоскому зеркалу, а нормаль к ней совпадает с оптической осью, отличающееся тем, что, с целью

повышения точности, производительности контроля и помехоустойчивости устройства, оно снабжено вторым плоским зеркалом, установленным между.первым плоским зеркалом с отверстием и фотоприемником

так, что центр этого зеркала лежит на оптической оси, а его зеркальная плоскость обращена в сторону первого зеркала с отверстием так, что нормаль к зеркальной плоскости составляет с оптической осью острый угол, третьим плоским зеркалом, установленным так, что его центр лежит на оптической оси, являющейся зеркальным отражением оптической оси первого зеркала, а его зеркальная плоскость параллельна

зеркальной плоскости второго зеркала и обращена в сторону фотоприемника, непрозрачным диском с двумя рядами чередующихся отверстий, установленным между третьим зеркалом и фотоприемником

с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через центр диска, так, что плоскость вращения диска перпендикулярна оптической оси, являющейся зеркальным отражением оптической оси от второго и

третьего зеркал и проходящей через центр отверстия первого плоского зеркала, два ряда чередующихся отверстий размещены по окружности диска так, что центры отверстий одного ряда совмещены с оптической осью,

проходящей через центр отверстия первого плоского зеркала, а центры отверстий другого ряда - с оптической осью, образованной зеркальным отражением оптической оси от второго и третьего зеркал и проходящей через центр отверстия первого плоского зеркала, и объективом, расположенным между диском и фотоприемником так, что фокус объектива находится на плоскости чувствительной площадки фотоприемника.

а его оптическая ось параллельна оптическим осям, проходящим через центры отверстий одного и другого рядов диска.

//

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля шероховатости поверхности изделий с любым видом механической обработки. Цель изобретения - повышение точности производительности контроля и помехоустойчивости устройства. Это достигается за счет введения в устройство двух плоских зеркал, непрозрачного диска с отверстиями (модулятора) и обьектива, что по- зволяет путем пространственного и временного разделения отраженного от поверхности объекта суммарного излучения сформировать измерительную схему устройства, так, что измерительная информация преобразуется в одном оптоэлектронном канале. 2 ил.

Шиг,2