Устройство для измерения поперечного размера детали Советский патент 1992 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного бесконтактного измерения поперечного размера изделий из металла, стекла, полимерных и других материалов, например диаметра или ширины проката, с целью управления процессом их изготовления.

Известно устройство для измерения поперечного размера детали, содержащее источник направленного пучка излучения - лазер и расположенный по ходу его лучей узел сканирования, выполненный в виде вращающегося зеркала, установленного в фокальной плоскости объектива и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник и устройство обработки сигнала. Устройство обработки регистрирует начало и конец импульса затенения, соответствующие падению амплитуды сигнала в два раза, измеряют его длительность по числу импульсов кварцевого генератора и по длительности импульса вычисляют размер детали 1.

Известно также устройство измерения поперечного размера, состоящее из блока сканирования, включающего в себя последовательно расположенные источник направленного пучка излучения, объектив и вращающийся оптический кубик и приемного блока, включающего в себя коллимирую- щий объектив и фотоприемник 2.

Наиболее близким к предложенному техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство измерения поперечного размера детали, содержащее блок сканирования, состоящий из оптически связанных источника направленного пучка излучения многогранной зер- кальной призмы и объектива, установленного на фокусном расстоянии от отражающей грани призмы и приемный блок, включающий в себя коллимирующий объектив, фотоприемник, схему выделения и измерения длительности импульса затенения 3.

К недостатку известного устройства относится то, что его диапазон измерения ог- раничен сверху величиной светового диаметра объектива.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее блок сканирования, состоящий из последовательно установленных источника направленного пучка излучения, узла развертки и объектива, приемный блок, включающий последовательно установленные коллимирующий объектив, фотоприемник и схему выделения и измерения длительности импульса затенения, снабжено оптическим клином, расположенным на выходе блока сканирования и ориентированным таким образом, что его главное сечение лежит в плоскости развертки сканирующего пучка, а нормали к первому и второй поверхности оптического клина образуют с оптической осью объектива соответственно углы d и а.г равным О а arcsln (1 /п) и т а - у, где п - показатель преломления материала оптического клина, у- угол при вершине оптического клина.

Устройство может быть снабжено вторым оптическим клином, идентичным первому, расположенным по ходу излучения за первым оптическим клином и ориентированным так, что вершины обоих клиньев расположены по разные стороны отоптической оси блока сканирования, а первая и вторая по ходу излучения поверхности второго оптического клина образуют с оптической осью сканирующего пучка, выходящего из первого оптического клина соответственно углы (-ai)ii(-оа).

Кроме того, устройство может быть снабжено другим вторым оптическим клином, который расположен по ходу излучения перед коллимирующим объективом и

ориентирован так, что первая по ходу и излучения поверхности второго клина перпендикулярна оптической оси сканирующего пучка.

На фиг,1 показана схема предлагаемого

устройства с одним оптическим клином; на фиг.2 - вариант схемы устройства с двумя оптическими клиньями; на фиг.З - оптическая схема устройства со вторым оптическим клином в приемном блоке; на фиг.4 ход осевых лучей сканирующего пучка в оптическом клине; на фиг.5 представлен график зависимости коэффициента увеличения диапазона измерений от угла при вершине оптического клина.

Устройство (фиг. 1) содержит блок сканирования 1, состоящий из оптически связанных источника 2 направленного пучка излучения, узла развертки 3, выполненного в виде вращающейся многогранной зеркальной призмы, и объектива 4, установленного на фокусном расстоянии от отражателя, оптический клин 5 и приемный блок 6. состоящий из коллимирующего объектива 7, фотоприемника 8, расположенного в фокусе объектива 7, и схемы 9 .выделения и измерения длительности импульса затенения, вход которой подключен к выходу фотоприемника 8. Контролируемая деталь 10 расположена между первым оптическим клином 5 и приемным блоком 6.

Все элементы оптической схемы устройства расположены на одной оптической оси, причем оптический клин 5 ориентирован таким образом, что его главное сечение лежит

в плоскости сканирующего пучка, а нормали к первой и второй поверхностям оптического клина образуют с оптической осью обьек- тива 4 углы 0 а arcsirt (1/n) и OS zi - у, где п - показатель преломления материала оптического клина, у- угол при вершине оптического клина.

Устройство (фиг.2) содержит дополнительно второй оптический клин 11, который ориентирован аналогично первому по отношению к оси падающего на него светового пучка, а его вершина направлена встречно по отношению к вершине первого оптического клина 5.

Устройство (фиг.З) в пространстве перед приемным блоком 6 содержит дополнительно другой второй оптический клин 12, который ориентирован таким образом, чтобы его первая поверхность перпендикулярна оси сканирующего светового пучка.

Контролируемая деталь 10 располагается в устройстве на фиг.2 между вторым оптическим клином 11 и приемным блоком 6, а в устройстве на фиг.З между первым 5 и вторым 12 оптическим клиньями.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Источник 2 направленного пучка излучения освещает параллельны пучком света одну из граней многогранной зеркальной призмы 3. Отраженный от зеркальной грани призмы параллельный пучок света падает на объектив 4 и выходит из него в виде узкого сходящегося пучка света. При вращении многогранной зеркальной призмы ось выходящего из объектива 4 пучка света перемещается параллельно самой себе в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива 4.

Выходящий из объектива луч отклоняется оптическим клином 5, пересекает зону измерения с контролируемой деталью 10, и собирается коллимирующим объективом 7 на фотоприемник 8. При вращении многогранной зеркальной призмы 3 выходящий из оптического клина 5 узкий пучок света перемещается параллельно самому себе в зоне измерения с контролируемой деталью 10. При этом расстояние между граничными лучами освещающего пучка после прохождения оптического клина 5 увеличивается и следовательно, в зоне измерения может быть установлена деталь больших размеров. При пересечении сканирующим пучком контролируемой детали на выходе фотоприемника формируется импульс затенения, длительность которого пропорциональна поперечному размеру детали. Сигнал с выхода фотоприемника обрабатывается схемой 9 выделения и измерения длительности импульса затенения, которая измеряет длительность импульса затенения и рассчитывает по ней размер контролируемой детали.

Выходящий из блока 1 сканирования луч 13 (см. фиг.4) преломляется на боковой грани 14 оптического клина 5, расположенной под углом «1 к оптической оси объектива 4, и, в соответствии с законом преломления, изменяет направление распространения. В соответствии с законом

преломления угол падения а связан с углом преломления / соотношением: sin а п

0

5

(D

где

-7Ј

«-угол падения;

/ -угол преломления;

п - показатель преломления материала оптического клина;

п0 1 - показатель преломления воздуха.

Угол у при вершине оптического клина 5 можно, например, выбрать из условия:

y arcsin()(2)

5

0

5

0

5

0

5

Выражая ai через у и подставляя в (1), нетрудно показать, что , т.е. в этом случае угол преломления равен углу при вершине оптического клина. Из фиг.4 видно, 0 что при выполнении условия (2) преломленный луч 16 перпендикулярен второй поверхности 15 оптического клина 5, а падающий луч 13 образует с нормалью ко второй поверхности оптического клина угол аг - «1 - у.

Несложный геометрический расчет показывает, что в такой схеме при прохождении двух параллельных лучей 13 и 17 через оптический клин 5, расстояние между ними увеличивается в v раз. D2

D7

cos у

(3)

sin 90° - arcsln ( n-sin у ) где v- коэффициент увеличения;

Da - расстояние между преломленными лучами 16 и 18;

DI - расстояние между падающими лучами 13 и 17.

Таким образом, предложенная схема обеспечивает увеличение зоны сканирования узкого пучка излучения, благодаря чему увеличивается размер контролируемых деталей по сравнению с прототипом.

Геометрический анализ показывает, что увеличение зоны сканирования имеет место только в том случае, если угол падения сканирующего пучка на первую поверхность оптического клина лежит в интервале 0 Щ arcsin (1/n), а оптический клин ориентирован таким образом, что нормаль к его второй поверхности образует с оптической осью пучка, выходящего из блока сканирования, угол -у.

Следует также отметить, что при заданном угле падения пучка на первую поверхность оптического клика выполнение условия (2) обеспечивает наибольшее значение коэффициента увеличения v.

В соответствии с формулой (3) при выполнении условия (2) коэффициент увеличения зависит от показателя преломления п и угла у при вершине оптического клина. На фиг.5 приведены для примера графики зависимости v(y) для двух марок стекла К8 (п - 1,5147) и ТФ5 (п - 1,749). Из графиков видно, что с ростом угла у при вершине оптического клина происходит монотонный рост коэффициента увеличения v, который, по мере приближения к предельному значению упрек стремится к бесконечности. Угол у пред равен углу полного внутреннего отражения:

У пред arcsin( -)(4)

Например, для стекла К8 у пред 34,9°. Таким образом, выбирая соответствующую марку стекла и угол у при вершине оптического клина можно добиться необходимого увеличения диапазона контролируемых размеров. Например, при введении в схему оптического клина из стекла ТФ5 с углом при вершине у 31,5° диапазон измерения известного устройства возрастает вдвое при неизменном световом диаметре объектива.

Из графика, изображенного на фиг.5 и анализа формулы (3) следует, что по мере роста угла упри вершине оптического клина, а значит, в соответствии с (2) по мере роста угла падения а, непропорционально быстро возрастает коэффициент увеличения V, стремясь к бесконечности при У Упред . т.е. наблюдается быстрый рост чувствительности коэффициента увеличения V к углу падения света на оптический клин. Следовательно, при больших значениях коэффициента увеличения v наличие возмущающих факторов, таких, например, как неравномерное тепловое расширение элементов конструкции устройства или их вибрация могут привести к смещению оптического клина относительно объектива и из- менению величины коэффициента увеличения V, что снижает точность измерения. Для предотвращения этого нежелательного явления в устройство может быть введен второй оптический клин 11 (см. фиг.2). Оба оптических клина 5 и 11 выполнены одинаковыми и жестко закреплены на общем основании таким образом, что в исходном положении угол «1 падения пучка излучения на первый оптический клин равен по величине и противоположен по знаку угла ( - оп ) падения пучка излучения на второй оптический клин. В этом случае зона сканирования увеличивается в v раз после прохождения сканирующего пучка через

0

5

0

5

первый оптический клин и еще в v раз после прохождения сканирующего пучка через второй оптический клин, а общий коэффициент увеличения составляет:

v06U, v,(5)

Следовательно, при использовании в схеме двух оптических клиньев большой коэффициент увеличения можно достичь при значительно меньшем угле у оптического клина, что снижает критичность схемы к воздействию возмущающих факторов.

Кроме того, в такой схеме при уменьшении угла падения излучения на первый оптический клин происходит увеличение угла падения излучения на второй оптический клин, при отом общий коэффициент увеличения системы в первом приближении остается неизменным, т.к. снижение коэффициента увеличения первого клина компенсируется ростом коэффициента увеличения второго клина, при этом точность измерений устройства остается неизменной.

Для уменьшения светового диаметра коллимирующего объектива 7 приемного блока 6 устройство может быть снабжено вторым оптическим клином 12 (см. фиг.З), установленным перед обьективом приемно- го блока. Оптический клин 12 ориентирован таким образом, что его коэффициент увеличения Vflon 1, что обеспечивает уменьшение зоны сканирования на входе приемного блока 6, и, соответственно, уменьшение размеров приемного блока.

Расчет показывает, что наибольшее уменьшение размера зоны сканирования на входе приемного блока удается обеспечить в том случае когда дополнительный оптиче- ский клин ориентирован таким образом, что его главное сечение лежит в плоскости развертки сканирующего пучка, а первая поверхность перпендикулярна оптической оси сканирующего пучка.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения поперечного размера детали, содержащее блок сканирования, состоящий из последовательно установленных источника направленного - пучка излучения, узла развертки и объектива, приемный блок, включающий последовательно установленные коллимирующий объектив, фотоприемник и схему выделения и измерения длительности импульса затенения, отличающееся тем, что, с целью

5

5

увеличения диапазона измерений, оно снабжено оптическим клином, расположенным на выходе блока сканирования и ориентированным так, что его главное сечение лежит в плоскости развертки сканирующего

пучка, а нормали к первой и второй поверхностям оптического клина образуют с оптической осью объектива соответственно углы «INGS, равные 0 «i arcsln (1/n) лаг-Щ -у гАе n показатель преломления материала оптического клина, у- угол при вершине оптического клина.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что оно снабжено вторым оптическим клином, идентичным первому, расположенным по ходу излучения за первым оптическим клином и ориентированным так, что вершины обоих клиньев расположены по разные стороны от оптической оси блока

0

5

сканирования, а первая и вторая по ходу излучения поверхности второго оптического клина образуют с оптической осью сканирующего пучка, выходящего из первого оптического клина соответственно углы

(-Я1)И ().

3, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что оно снабжено вторым оптическим клином, расположенным по ходу излучения перед коллимирующим объективом ориентированным так, что первая по ходу излучения поверхность второго клина перпендикулярна оптической оси сканирующего пучка.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного бесконтактного измерения поперечного размера изделий из металла, стекла, полимерных и других материалов, например, диаметра или ширины проката, с целью управления процессом их изготовления. Целью изобретения является увеличение диапазона измерений. Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено оптическим клином. При вращении многогранной зеркальной призмы ось выходящего из объектива пучка света перемещается параллельно самой себе в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива. Выходящий из объектива луч отклоняется оптическим клином, пересекает зону измерения с контролируемой деталью и собирается на фотоприемник. При вращении многогранной зеркальной призмы выходящий из оптического клина пучок света перемещается параллельно самому себе в зоне измерения с контролируемой деталью. При этом расстояние между граничными лучами освещающего пучка после прохождения оптического клина увеличивается и, следовательно, в зоне измерения может быть установлена деталь больших размеров. При пересечении сканирующим пучком контролируемой детали на выходе фотоприемника формируется импульс затенения, длительность которого пропорциональна поперечному размеру детали. В другом варианте выполнение устройства развертка направленного пучка излучения достигается за счет изменения угла преломления света при вращении оптического кубика. При использовании в схеме двух оптических клиньев большой коэффициент увеличения можно достичь при значительно меньшем угле оптического клина, что снижает критичность схемы к воздействию возмущающих факторов, п.ф.,2 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л С х1 XJ ю сь го

Л

Фиг.1

кЈ

J

Фиг. 2

Фив.З

Фиг4

V Ог/Dt, краб

&

&, .