Измерительный комплекс для контроля шероховатости поверхностей Советский патент 1993 года по МПК G01B21/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным рефлектометри- ческим методом двух параметров шерохова- торти, а также индикатрис отражения и пропускания различных поверхностей, например, в условиях оптического производ- стЈа.

Известно устройство для измерения ше- ро оватости, содержащее канал формиро- ва-ния зондирующего излучения, канал регистрации отраженного излучения и.ме- хайизм для прямолинейного перемещения фотоприемника в плоскости распространения зондирующего и зеркальной составляю- ще|й отраженного излучения.

Данное устройство обладает рядом конструктивных недостатков. Так, напри- мёр, при перемещении фотоприемника одновременно изменяется и угол регистрации отраженного излучения, что вносит дополнительную погрешность при сравнении йн- теНсивностей нескольких составляющих отраженного излучения и определение параметров шероховатости. Зеркальная составляющая отраженного излучения может быть зарегистрирована только при одном значении угла падейия зондирующего излучения на поверхность, что при обычной нерегулярной структуре микронеровностей поверхностного слоя приводит к дополнительной погрешности в оценке ее интенсивности. Кроме того, отсутствует возможность регистрации индикатрис отражения и пропускания контролируемой поверхности, что существенно снижает информативность результатов контроля качества поверхностей. В другом устройстве для измерения шероховатости канал формирования зондирующего излучения и канал регистрации отраженного излучения неподвижны, а объект контроля установлен в механизм перемещения, обеспечивающий его поворот вокруг оси, перпендикулярной к плоскости распространения зондирующего и зеркальной составляющей отраженного излучения и проходящей через контролируемую точку поверхности.

ел

с

ч

ю ел

hO

ч XI

Конструкция этого устройства также обладает рядом существенных недостатков. При регистрации нескольких диффузных составляющих отраженного излучения одновременно изменяется и угол падения зондирующего излучения на подложку, что вносит существенную дополнительную погрешность при сравнении их интенсивно- стей а, следовательно, и в определение параметров шероховатости. Кроме того, как и в предыдущем устройстве, зеркальная составляющая отраженного излучения может быть зарегистрирована только при одном значении угла падения зондирующего излучения на поверхность, отсутствует также возможность регистрации индикатрис отражения и пропускания контролируемой поверхности. Однако по-совокупности существенных признаков данное устройство наиболее близко к заявляемому и может быть принято в качестве прототипа.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что измерительный комплекс для контроля шероховатости поверхностей, содержащий канал формирования- зондирующего излучения, канал регистрации отраженного излучения и механизм поворота объекта контроля вокруг оси, перпендикулярной к плоскости распространения зондирующего и зеркальной составляющей отраженного излучения и проходящей через контролируемую точку поверхности, дополнительно снабжен механизмом поворота фотоприемника, регистрирующего отраженное излучение, вокруг той же оси, проходящей через контролируемую точку поверхности.

При этом, угол регистрации отраженного излучения, при любом положении фотоприемника, будет оставаться неизменным, дополнительно появляется возможность регистрации нескольких значений интенсивно- стей.зеркальной составляющей отраженного излучения при различных значениях угла падения зондирующего излучения на контролируемую, поверхность, а также возможность регистрации индикатрис отражения и пропускания контролируемой поверхности для получения дополнительной информации о ее качестве. Эти свойства заявленного изобретения не совпадают также со свойствами других известных технических решений.

На фиг. 1 изображен общий вид комплекса; на фиг.2 - кинематическая схема ком- плекса; на фиг.3 - блок светофильтров комплекса; на фиг.4 - структурная схема комплекса.

Измерительный комплекс для контроля шероховатости поверхностей состоит из последовательно расположенных на основании 1: источника монохроматического

излучения 2, диафрагмы 3, блока светофильтров 4, блока поляризации 5, модулятора 6 и линзы 7, оптические оси которых находятся на одной прямой, параллельной основанию, а также фотоприемного устройства 8,

установленного с возможностью вращения в горизонтальной плоскости посредством привода вращения 9, механизма сканирования 10 с механизмом его поворота 11 и системы управления 12,

Механизм сканирования 10 состоит из предметного столика 13 со сменными центрирующими защитными элементами (на рис. не показаны) и приводов горизонтального 14 и вертикального 15 перемещений.

Каждый из приводов 14 и 15 выполнен в виде каретки 16, двигателя 17, червяка 18 и зубчатой рейки 19, причем червяк 18 связан с выходным валом двигателя 17, а зубчатая рейка смонтирована на каретке 16.

Предметный столик 13 смонтирован на каретке 16 привода горизонтального линейного перемещения 14, а последний смонтирован на каретке 16 привода вертикального перемещения 15. Этим обеспечивается сканирование по площади 5x5 мм поверхности. с шагом 0,25 мм. Механизм поворота п механизма сканирования 10 выполнен в виде червячной передачи, червяк 20 которой связан с рукояткой регулировочного пёремещения (на рис. не показана), а зубчатое колесо 21 связано жестко поводком 22 с осью механизма сканирования 10, установленного на стойке 23. Механизм поворота 11 обеспечивает поворот механизма сканирования в диапазоне от 0° до 60° с шагом 0,5°.. Блок светофильтров 4 состоит из диска 24 с отверстиями, выполненными на равном расстоянии друг от друга по окружности,

светофильтров 25 с различными коэффициентами пропускания, размещенными в отверстиях диска 24 и привода вращения 26, состоящего из двигателя, выходной вал которого связан через зубчатую передачу (на

рис. не показана) с осью диска 24.

Блок поляризации 5 состоит из полуволновой пластины и поляроида (на рис. не показаны) и обеспечивает излучение линейно-поляризованного излучения, необходимото только для контроля многослойных, поляризационных зеркал.

Фотоприемное устройство 8 размещено на кронштейне 27, смонтированном на стойке 23 и связанном с ведомым зубчатым

колесом 28 цилиндрической зубчатой передачей привода вращения 9, а ведущее колесо 29 связано с выходным валом двигателя 30, выполненного, например, в виде шагового двигателя. Фотоприемное устройство 8 имеет возможность вращения в диапазоне 7,5-180° с дискретом отсчета 1°.

Фотоприемное устройство 8 состоит из фотоприемника 31. основного и дополнительного объективов 32, установленных так, что между ними коллимируется пучок лазерного излучения, из интерференционного сретофильтра 33, установленного .между объективами для обеспечения помехозащищенности и из полевой диафрагмы 34, установленной перед фотоприемником 31 в задней фокальной плоскости дополнитель- нргр объектива 32, которая исключает влияние посторонних засветок на работу фртоприемника 31. Размер диафрагмы 34 соизмерим с размером сфокусированного пятни на измеряемой поверхности.

Источником монохроматического излучения 2 является лазер газовый ЛГ-79-1.

Система управления комплекса 12 состоит из блока управления, в.качестве которого использован вычислительный комплекс ВУМС-28-025, блока усиления 36 и блока регистрации 37, связанных с исполнительными устройствами посредством блока согласования 38.

Измерительный комплекс для контроля шероховатости поверхностей работает следующим образом.

Пучок излучения, выходящий из источника монохроматического излучения 2, проходит через диафрагму 3, которая устраняет влияние отраженных бликов от элементов оптической схемы на генерацию лазера, далее - через блок светофильтров 4, модулятор 6 и линзой 7 фокусируется на контролируемой поверхности в пятно небольших размеров. Поскольку интенсивность зеркально-отраженного излучения на пять-шесть порядков больше, чем интенсиву норть диффузно-отраженного излучения, в канал формирования зондирующего излучения введен блок светофильтров 4 для выравнивания уровня сигналов на фотоприемнике 3.1.

Блок светофильтров 4, по команде с блока управления 35, устанавливается с помощью привода вращения в одно из двенадцати положений в зависимости от нужной кратности ослабления.

Зеркально отраженное излучение, отразившись от контролируемой поверхности изделия, закрепленного на предметном столике 13 механизма сканирования 10, попадает в фотоприемник 8, установленный по команде с блока управления 35 в положение, соответствующее углу зеркального отражения ©з .

В фотоприемнике 8 пучок излучения проходит через объективы 32, светофильтр

33, полевую диафрагму 34 и п.опадает на светочувствительную площадку фотодиода 31, соединенного с блоком усиления 36 и регистрации сигнала 37, где регистрируется интенсивность зеркально отраженного излучения в первом направлении з .

Для измерения интенсивностей диффузно-отраженного излучения по команде с блока управления 35 производится последовательное перемещение фотоприемника 8 в положения, соответствующие двум раз-, личным углам диффузного отражения 0д1™ и 0д2 . При этом, производится регистрация интенсивностей диффузных составляющих отраженного излучения д/1 и Д2 .

Затем, по команде с блока управления 35, или в ручном режиме, механизм поворота 11 производит установку изделия в положение, соответствующее другому значению

угла падения зондирующего излучения на контролируемую поверхность, цикл измерений повторяется и регистрируется следующая последовательность значений интенсивностей зеркально з и.диффузно

отраженных д/2 и потоков излучения и т.д. до получения значений 3 и 1Д1 Д2, где I - необходимый объем выборки наблюдений, определяемый из условия уменьшения случайной составляющей погрешности измерения до заданного значения. .

Два параметра шероховатости поверхности в контролируемой точке могут быть определены расчетным путем по известной функциональной зависимости, связывающей их со значениями интенсивностей зеркально 3 и диффузно отраженных дгл дг- потоков излучения (см.например, А.А.Кучин, К.А.Обрадович. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. Л.,

Машиностроение, 1981, с.159):

fifi.Ј

: lVf(cosei K s,nert

t;

, V

Ш „ 2,-И (cos ©g+ ,f . s)n eЈl . t

($.(Ј«$

где О - среднеквадратическое .отклонение высоты микронеровностей-от средней линии профиля поверхности, мкм;

а-корреляционная длина или шагмик- ронеровностей. мкм;

А-длина волны зондирующего излучения, мкм,

Решение системы уравнений и определение параметров шероховатости ти а производится автоматически блоком управления 35 по заданной программе.

Перемещение изделия для контроля шероховатости в других точках поверхности осуществляется по командам с блока управления 35 с помощью механизма сканирования 1Q по взаимно-перпендикулярным координатам X и Y,

Индикатрисы отражения и пропускания поверхности в контролируемой точке регистрируются при неизменном значении угла падения зондирующего излучения на поверхность, близким к нулю и изменении угла

установки фотоприемника 8 с помощью механизма перемещения 30 в необходимых пределах.

Использование предложенного изобретения позволяет существенно повысить точность измерения двух параметров шероховатости различных поверхностей за счет уменьшения случайной погрешности, расширить функциональные возможности и повысить информативность результатов контроля за счет одновременной регистрации индикатрис отражения и пропускания контролируемой поверхности.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений. В измерителе обеспечивается вращение изделия вокруг оси, перпендикулярной зондирующему потоку, и синхронное с ним вращение канала 8 регистрации, в котором одним и тем же фотоприемником 31 регистрируется как зеркальная составляющая светового потока отраженного от шероховатой поверхности изделия, так и несколько диффузных составляющих, что позволяет оценить индикатрису рассеивания. 4 ил,

Фррмул а и зобретени я

Измерительный комплекс для контроля шероховатости поверхностей, содержащий канал формирования зондирующего излучения, канал регистрации отраженного излучения с фотоприемником и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и

2 5 4 56

информативности, он. снабжен механизмом перемещения изделия вокруг оси, проходящей через точку контроля и перпендикулярной к оптической оси зондирующего канала, и механизмом перемещения канала регистрации на заданном расстоянии вокруг оси поворота изделия, механизмы перемещения и фотоприемник канала регистрации подключены к блоку обработки сигналов.

4 О 8 27

18 19

Фиг. 2.

49 13 18 16

Фиг..5.

и 36