Устройство для бесконтактного измерения мередиональный профиля полированных поверхностей Советский патент 1993 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в производстве оптических деталей, в том числе с асферическими поверхностями высших порядков.

Известны устройства для бесконтактного измерения формы полированных поверхностей при помощи зондирующих световых пучков.

Основной недостаток известных устройств заключается в том, что они не могут обеспечить измерение профиля асферических поверхностей высших порядков, имеющих крутизну более 60 и, кроме того, при измерении периферийных участков профиля не обеспечивают иысокой точности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для бесконтактного измерения профиля полированных поверхностей, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, установленную с возможностью перемещений, оптический датчик, установленный на платформе с возможностью перемещений и выполненный в виде жестко связанных между собой автоколлимационного узла, предназначенного для определения положения нормалей к контролируемой поверхности в выбранных точках, и узла фиксации этих точек, механизмы с приводами и датчиками положений соответственно поворота платформы, поступательного перемещения платформы в плоскости, перпендикулярной оси ее поворота, сканирования оптического датчика, вычислительный блок, ко входам которого подключены выходы оптического датчика и датчиков положений, а к выходам входы приводов механизмов.

Недостаток прототипа - сложность конструкции и невысокая точность измерений из-за большого числа кинематических пар в устройстве.

Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции устройства.

(Л

С

vj

00

00

со кэ

Эта цель достигается тем, что оптический датчик выполнен в виде источника излучения, последовательно установленных по ходу излучения конденсатора, круговой диафрагмы, двух светоделителей и объектива и установленных в ходе отражаемого от контролируемой поверхности излучения, напротив одного из светоделителей - ножевого анализатора и позиционно-чувстви- тельного фотоприемника, напротив другого светоделителя - второго позиционнр-чувст- витёльного фотоприемника, механизм сканирования оптического датчика выполнен в виде кронштейна, имеющего возможность разворота вокруг оси, перпендикулярной оси объектива датчика, ось поворота платформы установлена на плече кронштейна параллельно оси его разворота.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема устройства для бесконтактного измерения мередионального профиля полированных поверхностей; на фиг. 2 - схема- оптического датчика; на фиг. 3- схема измерения профиля контролируемой поверхности.

Устройство содержит станину (не показана), узел базирования контролируемой детали 1, оптический датчик 2, установленный на платформе 3 и содержащий оптико- электронные автоколлимационный узел для определения положения нормалей к контролируемой поверхности детали 1 в ряде ее точек и узел для фиксации этих точек. Кроме того, устройство снабжено механизмами поворота платформы для ориентации оптической оси автоколлимационного узла по нормали к контролируемой поверхности, поступательного перемещения вдоль нормали к контролируемой поверхности для фиксации точек контролируемой поверхности, сканирования оптического датчика вдоль контролируемой поверхности, а также вычислительным блокам.

Узел базирования контролируемой детали 1 выполнен в виде установленной на станине призматической опоры 4, в которую устанавливается шпиндель 5, на котором при помощи смолы укреплена деталь 1.

Автоколлимационный узел оптического датчика 2 содержит (фиг.2) источник 6 излучения, конденсор 7, круговую диафрагму 8, объектив 9, светоделитель 10, позиционно- чувствительный двух оординатный фотоэлемент 11.

Узел фиксации точек контролируемой поверхности содержит ряд элементов, общих с автоколлимационным уз/.ом: источник 6 излучения, конденсор 7. круговую диафрагму 8, объектив 9 и, кроме того, светоделитель 12, напротив которого установлен ножевой анализатор 13 и двухкоорди- натный позиционно-чувствительный фотоэлемент 14.

Расстояния по оптической оси между

объективом 9 и круговой диафрагмой 8, объективом 9 и светоделителями 10, 12, светоделителем 10 и фотоприемником 11, светоделителем 12 и ножевым анализатором 13 установлены такими, что точки пере0 сечения чувствительной площадки фотоприемника 11 и ножевого анализатора 13 с оптической осью являются сопряженными точками для точки в пространстве предметов, лежащей на оси объектива 9 и

5 совпадающей с изображением круговой диафрагмы 8.

Механизм поступательного перемещения состоит из рамы 15 с подшипниками 16, в которых установлена с возможностью по0 ступательного перемещения платформа 3, и подшипниками 17, в которых установлены цапфы ходового винта 18, связанного с ходовой гайкой 19, жестко установленной на платформе 3. Кроме того, в состав механиз5 ма поступательного перемещения входят электропривод 20 и датчик 21 поступательного перемещения, связанные с ходовым винтом 18.

Рама 15 механизма поступательного пе0 ремещения жестко связана с осью 22 механизма поворота платформы для ориентации оптической оси автоколлиматора по нормали к контролируемой поверхности, содержащего, кроме того, электропривод 23 и датчик

5 24 угла поворота. Ось 22 установлена с возможностью вращения в подшипнике 25. Подшипник 25 жестко закреплен на плече кронштейна 26, имеющем возможность разворота вокруг оси 27, установленной в под0 шипнике 28, закрепленном на станине устройства. При этом ось 27 связана с электроприводом 29 и датчиком 30 поворота. Подшипник 25, кронштейн 26, ось 27, подшипник 28, электропривод 29, датчик 30 со5 ставляют механизм сканирования оптического датчика 2 вдоль поверхности детали 1.

Выходы датчиков положений 21, 24, 30, подключены ко входам, а входы электропри0 водов 20, 23, 29 к выходам вычислительного блока (на чертеже не показан). Кроме того, ко входам вычислительного бл ока подключены выходы позиционного-чувствитель- ных фотоприемников 11,14.

5Устройство реализует способ измерения профиля полированной поверхности, заключающийся в зондировании этой поверхности световым пучком, сформированным оптическим датчиком, сканируемым вдоль поверхности, и последующем отележивании пространственного положения отраженного пучка с целью определения положения нормалей к поверхности в ряде ее точек и координат этих точек, по которым рассчитывают на ЭВМ уравнения профиля мередионального сечения контролируемой поверхности.

Принцип работы оптического датчика проиллюстрирован на фиг. 2, Конденсор 7 обеспечивает заполнение светом от источника б круговой диафрагмы 8, минимально возможное изображение которой строится объективом 9 на некотором расстоянии от оптического датчика 2. Отраженный от контролируемой поверхности 1 свет вновь поступает в объектив 9 и далее, отражаясь от светоделителей 12, 10, попадает на фотоприемники 11, 14. Если оптическая ось объектива 9 совпадает с нормалью к поверхности 1, а изображение диафрагмы 8 построено на поверхности 1 (как изображено на фиг. 2), то объектив 9 построит в обратном ходе лучей изображение диафрагмы 8, во-первых, в плоскости и в центре чувствительной площади фотоприемника 11 и, во-вторых, в плоскости ножевого анализатора 13. В результате с позиционно-чувстви- тельных фотоприемников 11, 14 снимается нулевой сигнал. В случае, если оптическая ось объектива 9 не совпадает с нормалью к поверхности 1, с фотоприемника 11 снимается сигнал, отличный от нулевого, т.к. нару- шится равномерное распределение облученности его чувствительной площадки. Если же ось объектива 9 совпадает с нормалью к поверхности 1, а изображение диафрагмы 8 не совпадает с этой поверхностью, то в зависимости от того, лежит ли это изображение перед поверхностью или в теле детали, изображение этой диафрагмы в обратном ходе лучей не совпадает с плоскостью ножевого анализатора 13 и лежит либо перед ножевым анализатором, либо за ним. В результате ножевой анализатор 13 перекроет одну из частей пучка, что вызовет деформацию и квазисмещение пятна засветки на фотоприемнике 14 и, как следствие этого, появление сигнала, отличного от нулевого, той или иной полярности. Например,сигнал положительной полярности соответствует положению изображения диафрагмы 8 перед контролируемой поверхностью. Причем в этом случае с позиционно-чувст- вительного фотоприемника 11 снимается нулевой сигнал, т.к. изображение диафрагмы 8 находится в центре его чувствительной площадки.

В исходном положении (см.фиг. 1,3) оси шпинделя 5, контролируемой детали 1 и оптического датчика 2 совпадают и лежат в

одной плоскости с осями 22 и 27. Кроме того, оптический датчик 2 так расположен относительно контролируемой детали 1, что изображение диафрагмы 8 находится между

объективом 9 и вершиной детали 1 на расстоянии от оси 22, равном Но. Указанное расположенное оптического датчика 2 относительно детали 1 обуславливает совпадение его оптической оси с нормалью к

вершинной точке контролируемой поверхности и, следовательно, с ее оптической осью. На фиг. 3 исходное положение датчика 2 показано отрезком его оптической оси ОА, один из концов которого А совпадает с

изображением диафрагмы 8 перед объективом 9, а другой, обозначенный как 0, с осью 22. При этом точка 0 принята за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисс которой совпадает с оптической осью

контролируемой детали 1. В исходном положении, как было показано выше, одно из изображений диафрагмы 8, полученное в результате отражения от контролируемой поверхности, совпадает с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 11, а другое не совпадает с плоскостью ножевого анализатора 13. Поэтому с позиционно-чув- ствительного фотоприемника 11 поступит в ЭВМ нулевой сигнал, а с фотоприемника 14

сигнал положительной полярности. С этого момента ЭВМ начинает управлять процессом измерения по программе. По команде ЭВМ (см.фиг. 1,3) электропривод 20 обеспечивает поступательное перемещение оптического датчика на величину Н к контролируемой детали до момента совпадения изображения диафрагмы 8 (точка А) с вершинной точкой поверхности АО, т.е. до момента появления нулевого сигнала с фотоприемника 14, что свидетельствует о завершении первого этапа измерения по фиксации вершинной точки контролируемой поверхности.

Величина ДН0 перемещения оптического датчика фиксируется ЭВМ посредством датчика 21 и т.о. вершинная тока А0 получает координаты

ХАо Н0 +ДНС YAO О

0) (2)

Нулевой сигнал с фотоприемника 14 обусловит выдачу группы управляющих ко- манд от ЭВМ на выполнение перемещений оптического датчика 2 с целью измерения координат точки AI контролируемой поверхности в следующей последовательности. Электропривод развернет кронштейн 26 на

угол «1,причем оптическая ось датчика 2 займет положение OiAi, обозначающее новое пространственное положение оси 22 (точка Оч) и изображение диафрагмы 8. При этом с фотоприемника 11 будет сниматься отличный от нулевого сигнал, который обусловит команду электроприводу 23 на поворот оптического датчика 2 на некоторый угол ( в соответствии с полярностью сигнала до момента совпадения оптической оси датчика 2 с нормалью к поверхности в точке AI, т.е. до момента появления нулевого сигнала с фотоприемника 11, В результате поворота изображение диафрагмы 8 займет положение A i , а с фотоприемника 14 последует отличный от нулевого сигнал, который, в свою очередь, в соответствии со своей полярностью, поступив в ЭВМ, обеспечит команду электроприводу 20 на посту- пательное перемещение оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности на величину A Hi до совпадения изображения диафрагмы 8с точкой Ai,T.e. до появления нулевого сигнала с фотоприемника 14, что свидетельствует о завершении этапа измерения по определению координат точки AL Величины поворотов а- и а также величина линейного перемещения Д Hi поступают в ЭВМ 13 и позволяют рассчитать координаты точки AI по формулам:

XA-I R - R-Cos«i +

+ (Н0 +AHi)Cos(«i );

(3)

YA-, R-sincri

(Но 4 (4)

AHi)sin («1 ),

последовательно: поворот кронштейна 26 вокруг оси 27 на угол поворот платформы 3 на угол (pz и поступательное перемещение оптического датчика 2 вдоль нормали на величину Д На . Вследствие этих перемещений оптический датчик 2 и изображение диафрагмы 8 займут последовательно положения, обозначенные на фиг. 3 как 02А2., . Величины всех поворотов и поступательного перемещения поступают в ЭВМ, где рассчитываются координаты точки А2 в соответствии с формулами:

Хд2 R - R Cos «2 +

+ (Но + Д Hi + Д Н2) COS (0.2 + р2) (4)

Уд2 R -sin аг - (Но +

+ ДН1 +ДН2) -sin («2 ) , (5)

где R - расстояние от оси 27 до оси 22;

од-угол поворота кронштейна 26 вокруг оси 27;

р2 угол поворота платформы 3 вокруг оси 22;

Н0 - расстояние от оси 22 до изображения диафрагмы 8 в исходном положении;

Д Н 1 - величина поступательного перемещения оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадения изображения диафрагмы 8 с поверхностью в точке AI;

Д Н 2 - величина поступательного перемещения оптического датчика 2 вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадения изображения диафрагмы 8 с поверхностью в точке А2,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в производстве оптических деталей. Повышение точности измерений и упрощение конструкции устройства достигается за счет совмещения в оптическом датчике автоколлимационного узла и узла фиксации точки поверхности, выполнения узла сканирования оптического датчика вдоль контролируемой поверхности с меньшим числом кинематических пар, а также благодаря реализации в узле фиксации точек поверхности теневого метода измерения расстояния до поверхности. 3 ил.

где R - расстояние от оси 27 до оси 22;

угол поворота кронштейна 26 вокруг оси 27;

р} - угол поворота платформы 3 вокруг оси 22;

Но - расстояние от оси 22 до изображения диафрагмы 8 в исходном положении;

Д Но - величина поступательного перемещения оптического датчика вдоль нормали к поверхности 1 до момента совпадения изображения диафрагмы 8 с поверхностью в точке AL

После поступления нулевого сигнала от фотоприемника 14 в ЭВМ, последняя выдает группу команд на управляемые входы электроприводов 20, 23, 29 с целью определения координат последующей точки поверхности А2. В результате по аналогии с вышеописанными эволюциями по определению координат точки AI осуществляются

По аналогии с описанными этапами измерений по определению координат точек АО, Ar, A2 можно провести измерения и расчет координат необходимого количества точек на любых участках контролируемого профиля поверхности. По рассчитанным координатам точек ЭВМ 13 вычисляет профиль поверхности 1.

Основным преимуществом данного уст- ройства перед известным является повышение точности измерений и упрощение конструкции за счет совмещения в оптическом датчике автоколлимационного узла и узла фиксации точки поверхности, выполне- ния узла сканирования оптического датчика вдоль контролируемой поверхности с меньшим числом кинематических пар, а также благодаря реализации в узле фиксации точек поверхности теневого метода измерения расстояния до поверхности.

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения мередионального профиля полированных поверхностей, содержащее узел базирования контролируемой детали, платформу, установленную с возможностью перемещения, оптический датчик, установленный на платформе с возможностью перемещений и выполненный в виде жестко связанных между собой автоколлимационного узла, предназначенного для определения положения нормалей к контролируемой поверхности в выбранных точках, и узла фиксации этих точек, механизмы с приводами и датчиками положений соответственно поворота платформы, поступательного перемещения платформы в плоскости, перпендикулярной оси ее поворота, сканирования оптического датчика, вычислительный блок, ко входам которого подключены выходы оптического датчика и

м

гз

датчиков положений, а к выходам - входы приводов механизмов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции устройства, оптический датчик выполнен в виде источника излучения, последовательно установленных по ходу излучения конденсора, круговой диафрагмы, двух светоделителей и объектива и установленных в ходе отражаемого от контролируемой поверхности излучения, напротив одного из светоделителей ножевого анализатора и по- зиционно-чувствительного фотоприемника, напротив другого светоделителя - второго

позиционно-чувствительного фотоприемника, механизм сканирования оптического датчика выполнен в виде кронштейна, имеющего возможность разворота вокруг оси, перпендикулярной к оси объектива датчика,

ось поворота платформы установлена на плече кронштейна параллельно оси его разворота.

©зо

фи.2

б)---6