Лазерный датчик для измерения размеров объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к области контрольно-измерительного, оптико-механического оборудования и может быть использовано для контроля линейных размеров деталей, а также для определения взаимного положения перемещающихся друг относительно друга узлов измерительных приборов и обрабатывающих станков с высокой точностью.

Известна координатно-измерительная машина с самоцентрирующим пневматическим противовесом (2), состоящая из корпуса, гладкого штока с измерительным наконечником, установленного в аэростатической направляющей, устройства создания измерительного усилия, выполненного в виде поршня.

Недостатками данной конструкции является низкая точность измерения, малая надежность конструкции, из-за незащищенности измерительного наконечника от колебания давления.

Ближайшим прототипом является лазерный датчик для измерения размеров (1), состоящий из корпуса с закрепленными в нем двумя аэростатическими направляющими с жиклерами и разделительными каналами. В одной аэростатической направляющей установлен шток с буртиком, на нижнем торце которого закреплен измерительный наконечник, а на верхнем - отражатель; в другой - противовес, так же выполненный в виде штока с буртиком. Шток с буртиком при помощи тросика через систему шкивов жестко соединен с противовесом, Для измерения размеров деталей лазерный датчик включает в себя устройство измерения перемещения штока, состоящее из отражателя, поворотных зеркал, лазера и счетчика интерференционных полос; кроме того, в нем есть устройство создания измерительного усилия, выполненное в виде штока с буртиком и полости между штоком и аэростатической направляющей,

Недостатками данной конструкции являются следующие:

1) Низкая точность измерения линейных размеров, из-за большого расстояния между измерительным наконечником и отражателем, что приводит к необходимости учитывать линейное расширение штока и наконечника при изменении температуры, которое определяется по формуле

ДР I0at, где 10 - начальная длина деталей, мм;

а. - коэффициент линейного расширения материала из которого изготовлена деталь град 1 ;

t - изменение температуры во время начала и конца измерения, °С ;

Д| - удлинение детали при изменении температуры, мм.

Так, если датчик имеет рабочий ход измерительного наконечника, равный 60 мм, то длина штока составит И 220 мм, при этом измерительный наконечник будет иметь длину 2 20 мм. При колебании тем- пературы наконечника и штока всего на 1°С за все время работы датчика, и при условии изготовления наконечника и штока из стали с коэффициентом линейного расширения 0,000011 получим: а) для штока

Д|ш 220 0,000011 1 - 2,42 мкм; б) для наконечника Д1н 20 0,000011.1 0,22 мкм. То есть погрешность вносимая штоком в 11 раз больше чем наконечником, При этом не представляется возможным измерять размер деталей с точностью выше 3 мкм. Если же убрать влияние штока, то остается погрешность, вносимая изменением размера наконечника, которой можно пренебречь.

2)Малая надежность конструкции датчика, так как при колебании давления воздуха, подводимого в полость между штоком и

аэростатической направляющей или в полость, образованную противовесом и направляющей возможна ситуация, при которой измерительный наконечник резко ударится об измеряемую деталь, или наоборот уйдет в крайнее верхнее положение. Аналогичное может произойти и при обрыве трубопровода подводящего воздуха к противовесу или штоку.

3)Сложность в получении и поддержа- нии постоянным минимального измерительного усилия из-за наличия, кроме аэростатических возвратно-поступательных пар, образованных штоком с направляющей и противовесом с направляющей, пары качения на роликах, через которые проходит тросик соединяющий шток с противовесом.

4)Сложность конструкции из-за наличия двух прецизионных аэростатических направляющих с жиклерами и высокоточных деталей противовеса и штока с буртиком, роликов, тросика, поворотных зеркал.

Целью изобретения, является повышение точности измерения за счет устранения

погрешности измерения, вносимой изменением расстояния от измерительного наконечника до отражателя, повышение надежности датчика за счет устранения возможности аварийного падения штока вниз

на измеряемую деталь или наоборот резкого удара вверх, упрощение конструкции за счет уменьшения количества сложных и трудоемких в изготовлении деталей и узлов.

Указанная цель достигается тем, что лазерный датчик для измерения размеров объектов содержит корпус, установленный в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения шток с буртиком и измерительным наконечником, блок измерения перемещения штока в виде лазера и оптически связанных с ним интерферометра и отражателя, и счетчика интерференционных полос; блока получения измерительного усилия, выполненного в виде аэростатической направляющей с жиклерами, разделительными полостями и источниками давления, а так же механизм перемещения штока, выполненный в виде двигателя, муфты, ходового винта, выходной вал двигателя соединен с ходовым винтом через муфту, ходовую гайку с ограничителем проворота, установленную на ходовом винте, демпфер, датчики верхнего и нижнего конечного положения штока, установленные на корпусе и взаимодействующие с верхним и нижним торцом ходовой гайки, а также отражатель, закрепленный на измерительном наконечнике.

На чертеже изображен разрез лазерного датчика для измерения размеров (шток находится в крайнем верхнем положении).

Лазерный датчик для измерения размеров (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлена аэростатическая направляющая 2 с жиклерами 3 и разделительными каналами 4. В направляющей 2 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения шток 5 с буртиком А, расположенным в его верхней части. На нижнем торце штока 5 установлен отражатель 6 (например, триппель-призма) и измерительный наконечник 7. Датчик содержит устройство создания измерительного усилия, включающее полость между штоком 5 и аэростатической направляющей 2, и устройство измерения перемещения, состоящее из лазера 8, отражателя 6, счетчика интерференционных полос 9 и интерферометра 10. Шток 5 взаимодействует с механизмом перемещения и базирования, который выполнен в виде установленного в корпусе 1 двигателя 11, выходной вал которого через муфту 12 соединен с ходовым винтом 13, на котором установлена ходовая гайка 14с ограничителями от проворота 15. На гайке 14 закреплен демпфер 16 (например, плоская пружина). Ходовая гайка 14 взаимодействует с верхним 17 и нижним 18 датчиками

конечного положения. На штоке 5 установлен сухарь 19с ограничителями от поворота 20, который верхним торцом взаимодействует с базой корпуса 1, а нижним - с демпфером 16.

Аэростатическая направляющая 2 соединена с источником давления Pi, полость, образованная штоком 5 и направляющей 2 соединена с источником давления Ри для

0 создания измерительного усилия и Рф для фиксации, разделительные каналы 4 соединяют давление утечки из направляющей 2 и полости, образованной штоком 5 с направляющей 2 с атмосферой.

5 Датчик работает следующим образом.

Для работы аэростатической направляющей 2 в зону жиклеров 3 подводится избыточное давление Pi, после чего штоком 5 и направляющей 2 подается давление Ри, ко0 торое создает требуемое измерительное усилие штока 5.

Измерительное усилие на штоке 5 можно рассчитать по формуле: F Ри - S - Р,

5 где F - измерительное усилие на штоке 5, кГс;

Ри - давление в плоскости между штоком 5 и направляющей 2, кГс/см ; Р - вес штока 5, кГс;

0 S - площадь буртика, см2.

Если площадь буртика или вес штока неизвестны, то измерительное усилие можно подобрать, замкнув на измерительный наконечник граммометр, изменяя до требу5 емой величины давление Ри. При этом вход Рф закрыт. Далее, при вращении двигателя 11 через муфту 12 крутящий момент передается на ходовой винт 13, который приведет в движение гайку 14 с ограничителями от

0 проворота 15, на которой закреплен демпфер 16, При движении гайки 14 вверх или вниз шток 5 через сухарь 19 нижним торцом будет замкнут на гайку 14 через демпфер 16, усилием равным измерительному усилию на

5 штоке 5. При этом скорость перемещения штока определяется частотой вращения двигателя 11 и кинематикой привода, а измерительное усилие - конструкцией штока 5 и давлением Ри.

0 При набегании гайки 14 на верхний 17 или нижний 18 датчики конечного положения происходит отключение двигателя 11.

Лазерный датчик для измерения линейных размеров может работать как в верти5 кальном положении, так и в горизонтальном. При горизонтальной компоновке датчика полость, образованная штоком 5 и направляющей 2 соединяется с источником вакуума и подбирают такое его значение Ри, которое создает требуемое измерительное усилие на измерительном наконечнике 7.

Измерение перемещения штока 5 осуществляется следующим образом. Излучение от лазера 8, проходя через интерферометр 10 и отражатель 6, попадает на счетчик интерференционных полос 9. Информация на счетчике 9, характеризует величину линейного перемещения штока 5. При этом проходит сравнение измеряемого перемещения с длиной волны лазера 8. При движении штока 5 с закрепленным на нем отражателем 6 вниз (или вверх) меняется разность ходов интерферирующих пучков (опорной частоты лазера, которая является постоянной, и переменной частоты доппле- ровского сигнала, которая формируется на счетчике 9 при прохождении излучения от лазера 8, через интерферометр 10 и отражатель 6) и на выходе счетчика 9 наблюдаются характерные периодические изменения светового потока от минимального до максимального значения. Смещение отражателя 6 на половину длины волны излучения, т. е. на одну полосу интерференционного поля соответствует одному периоду в изменении светового потока, Число полос подсчитывается фотоэлектрической системой, а измеряемое перемещение штока 5 вычисляется путем умножения значения половины длины волны лазера на число полос.

При этом дискретность измерения (цена деления одного импульса) равна А/2 (0,32 мкм). При необходимости уменьшения дискретности измерения и повышения точности измерения производят интерполяцию входного сигнала, что позволяет получить дискретность измерения, равную А/4; А/8; А /16 или А/32 (в нашем случае дискретность измерения равна А /8 (0,08 мкм).

Тогда перемещение штока 5 определяется как дискретность (цена деления импульса), умноженное на количество дискрет, подсчитанное счетчиком 9.

Измерение линейного размера деталей происходит следующим образом. При вращении двигателя 1 гайка 14 движется вниз вместе с замкнутым на демпфер 16 сухарем 19, который прикреплен к штоку 5 до касания измерительным наконечником 7 базы стола, относительно которой будет производиться измерение детали. Полученная координата Xi запоминается. Затем шток 5 с наконечником 7 перемещается при помощи механизма перемещения и базирования вверх; на базу стола устанавливается измеряемая деталь, после чего шток 5 с наконечником 7 перемещается вниз до касания поверхности измеряемой детали. Полученная координата Х2 также запоминается. Размер детали Н определяется по формуле

H(Xi-X2).

Базирование датчика осуществляется следующим образом. Шток 5 с сухарем 19 вместе с гайкой 14 перемещаются в крайнее верхнее положение до замыкания верхнего

торца сухаря 19 на механическую базу Б корпуса 1. При этом демпфер 16 деформируется на величину 0,2...0,5 мм до момента срабатывания верхнего датчика конечного положения 17. После этого в полость между

штоком 5 и направляющей 2 подается давление фиксации Рф, за счет чего обеспечивается постоянство усилия прижима штока в базу Б и надежность базирования. При базировании и измерении во избежание перетока воздуха из зоны жиклеров 3 направляющей 2 в полость между штоком 5 и направляющей 2 через разделительные карманы давление утечки 2 отводится в атмосферу.

Предлагаемый датчик для измерения

размеров имеет следующие преимущества.

Его конструкция позволяет повысить

точность измерения более чем в 10 раз по

сравнению с конструкцией датчика, рассмотренного в прототипе.

Предложенная конструкция позволяет повысить надежность работы датчика. При прекращении подачи давления Ри, Рф или PI произойдет замыкание штока с сухарем через демпфер на ходовую гайку, что не приведет к аварии.

Конструкция предложенного датчика позволяет легко автоматизировать цикл измерения и реализовать быстрый подвод и

отвод измерительного наконечника, а также его медленное движение при подходе к измеряемой детали или к базовой поверхности рабочего стола, на котором производятся измерения.

Наличие в предложенной конструкции возможности базирования штока с измерительным наконечником позволяет устанавливать датчик на подвижных узлах станков

и контрольно-измерительных приборов для определения как перемещения штока, так и для перемещения подвижного узла вместе со штоком и относительно неподвижных частей станка или контрольно-измерительного прибора. Это позволяет расширить возможности датчика.

Предложенная конструкция более проста в управлении, наладке и обслуживания в сравнении с прототипом.

Формула изобретения Лазерный датчик для измерения размеров объекта, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости шток с буртиком и измерительным наконечником на противоположном торце, блок измерения перемещения штока в виде лазера и оптически связанных интерферометра и отражателя, и счетчика интерференционных полос, блока получения измерительного усилия в виде аэростатической направляющей с жиклерами, разделительными полостями и источниками давления, отличающийся тем,

0

что, с целью повышения точности измерения и надежности работы датчика, он снабжен механизмом перемещения штока, выполненным в виде двигателя, муфты, ходового винта, выходной вал двигателя соединен с ходовым винтом через муфту, ходовой гайки с ограничителем проворота, установленной на ходовом винте, демпфера, датчиком верхнего и нижнего конечных положений штока, установленных на корпусе и взаимодействующих с верхним и нижним торцами ходовой гайки, а отражатель закреплен на измерительном наконечнике штока.

Изобретение относится к контрольно- измерительному оптико-механическому оборудованию и может быть использовано для контроле линейных размеров деталей, а также для определения взаимного положе3 ния перемещающихся один относительно другого узлов измерительных приборов и обрабатывающих станков с высокой точностью. Целью изобретения является повышение точности измерений и надежности датчика в работе. Лазерный датчик для измерения размеров содержит корпус 1, аэростатическую направляющую 2 с жиклерами 3 и разделительными каналами 4, шток 5 с буртиком А, отражатель 6, измерительный наконечник 7, лазер 8, счетчик интерференционных полос 9, интерферометр 10, механизм перемещения и базирования, включающий двигатель 11, муфту 12, ходовой винт 13, ходовую гайку 14 с ограничителями проворота 15 и демпфером 16, датчики конечного положения: верхнего 17 и нижнего 18, сухарь 19с ограничителями проворота 20 и базу Б корпуса 1. (Л VI VI о VI со VI