Устройство для бесконтактного измерения профиля деталей Советский патент 1993 года по МПК G01B21/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля деталей.

Известно устройство, состоящее из источника света, фокусирующей системы, масть которой закреплена на вибраторе, оптико-электронного канала, анализирующего отраженный от детали свет, и блока обработки данных. Недостатками устройства являются недостаточная точность измерений и длительное время измерения формы детали.

Известно также принятое за прототип устройство для бесконтактного измерения расстояний, содержащее источник света с модулятором, светоделитель, объектив, три оптико-электронных канала, каждый из которых состоит из линзы, диафрагмы и фотоприёмника, причем в одном из каналов диафрагма установлена перед, а во втором - за фокусом, а в третьем - в фокусе линзы. Устройство содержит также электронные схемы сравнения и обработки сигналов и механизм перемещения измеряемой детали. При использовании этого устройства координату детали определяют по нулевой разности сигналов двух оптико- электронных

Недостатком подобного устройства является относительно низкая точность измерений (погрешность ±0,1 мкм) и длительное время измерения,

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия,.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее источник света, коллиматор, первый светоделитель; первый объектив, блок перемещения детали, второй делитель и два оптико-электронных канала, подключенных к блоку обработки данных, и включающих в себя последовательно размещенные объектив, диафрагму и фотоприемник, причем водном канале диафрагма установлена перед, а в другом - за фокальной плоскостью объектива, между коллиматором и первым делителем дополнительно установлен третий делитель, за которым установлен объектив, в фокальной плоскости которого расположено зеокало. закрепленное .на вибраторе, подключенном к генератору электрических сигналов, а первый делитель расположен на пути луча, отраженного от зеркала, а затем от третьего делителя и фотоприемники оптико-электронных каналов подключены к блоку обработки данных через усилитель- ограничитель.

Между третьим делителем и вторым объективом установлен четвертый делитель, за которым расположен пятый делитель и два оптико-электронных канала, подключенных через усилитель-ограничитель к блоку обработки данных.

Вибратор может быть выполнен в виде пьезокерамической пластины, а генератор электрических сигналов, соединённый с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжения.

Между вибратором и зеркалом может быть расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком .обработки данных.

Противоположенная по.отношению к объективу поверхность зеркала может находиться в одном из плеч интерферометра

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Майкельсона, который соединен с блоком обработки данных.

На фиг.1 и 2 представлено предлагаемое устройство; на фиг.З - графики зависимости электрических сигналов от координаты и времени.

Устройство содержит последовательно установленные источник излучения, например, лазер 1, коллиматор 2, третий и четвертый светоделители 3 и 4, четвертый объектив 5, зеркало 6, закрепленное на вибраторе 7, подключённом к генератору электрических сигналов 8. Пятый делитель 9 установлен на пути отраженного от зеркала, а затем от четвертого делителя 4 луча, Пятый и шестой объективы 10,11 установлены за пятым делителем 9, Третья и четвертая диафрагмы 12, 13 установлены одна перед, другая - за фокальными плоскостями объективов 10,11. Третий и четвертый фотоприемникй 14, 15 установлены за диафрагмами 12,13. Первый делитель 16, установлен на пути луча, прошедшего третий и четвертый делители 3. 4, четвертый объектив 5 и отраженного затем зеркалом б и третьим делителем 3.

Первый объектив 17 установлен за первым делителем 16. Вблизи его фокальной плоскости расположена измеряемая деталь 18, закрепленная на блоке 19 перемещения детали. Второй делитель 20 установлен на пути отраженного от детали 18, а затем от первого делителя 16 луча. Второй и третий объективы 21. 22 установлены за вторым делителем 20, первая и вторая диафрагмы 23, 24 установлены одна перед и другая за фокальными плоскостями объективов 21,22. Фотоприемники 14, 15 и .25, 26 попарно подключены к усилителям-ограничителям 27,28 соответственно, которые соединены с блоком обработки данных 29.

Устройство дополнительно снабжено пьезокерамической пластиной 30, расположенной между зеркалом 6 и вибратором 7 (фиг.1) и соединенной с генератором электрических сигналов 8, подключенным к блоку обработки данных 29.

Устройство дополнительно Содержит интерферометр Майкельсона, образованный источником излучения, например, лазером 31, зеркалами 6 и 32, делителем 33 и фотоприемником 34, подключенным к блоку обработки данных 29.

Устройство работает следующим образом.

Луч света от источника излучения, например, лазера 1 проходит через коллиматор 2, на выходе которого он представляет собой почти плоскую волну. Затем околли- мированный пучок лучей проходит через третий и четвертый делители 3. 4 и фокусируется четвертым объективом 5 на зеркало б, которое с помощью вибратора 7, подключенного к генератору электрических сигна- лов 8, колеблется симметрично относительно фокальной плоскости четвертого объектива 5. Отраженный от зеркала 6 луч проходит через объектив 5 и разделяется четвертым делителем 4. Отраженный от четвертого делителя 4 луч попадает на пятый делитель 9 и затем в два оптико-электронных канала, каждый из которых образован объективом 10 (11), диафрагмой 12 (13) и фотоприемником 14 (15). Различие между каналами заключается в том, что в одном из них диафрагма расположена перед, а в другом за фокальной плоскостью объектива. Часть прошедшего через четвертый делитель 4 луча отражается от третьего делителя 3, проходит первый делитель 16 и фокусируется первым объективом 17 на поверхность детали 18, которую можно перемещать в трех направлениях X, У; Z с возможностью измерения этих перемещений. Отраженный от детали 18 луч вторично проходит объектив 17 и, отражаясь от первого делителя 16, разделяется вторым делителем 20 на два луча, идущих по идентичным оптико-электронным каналам, каждый из которых образован объективом 21 (22), диафрагмой 23 (24) и фотоприемником 25 (26). При неподвижном зеркале 6 находящемся в фокальной плоскости объектива 5, при перемещении детали 18 вдоль луча (по оси Z) график зависимости разности сигналов с фотоприемников 25 и 26 имеет вид, .представленный на фиг.За. Аналогичный вид будет иметь график зависимости разности сигналов с фотоприемников 14, 15 при перемещении зеркала 6. При его колебаниях относительно фокальной плоскости объектива 5 график зависимости разности сигналов с фотоприемников 14, 15 будет иметь вид, представленный на фиг.Зб. После прохождения этого сигнала через усилитель - ограничитель 27 (28) он будет иметь вид трапецеидальных импульсов (фиг.Зв). Точно такой же вид будет иметь график зависимости сигнала от времени с фотоприемников 25,26 в том случае, если поверхность детали совпадаете фокальной плоскостью первого объектива 17. Если поверхность детали 18 не совпадает с фокальной плоскостью первого объектива 17, то длительность отрицательного и положительного полупериодов будет различна. Зная параметры оптической схемы и частоту колебаний зеркала 6 и измерив разность длительности отрицательного и положительного полупериодов, можно рассчитать расстояние между поверхностью детали 18 и канальной плоскостью

первого объектива 17. Таким образом, определяется координата детали Z. Если задавать различные координаты X. и Y и измерять координату Z, то можно опреде- 5 лить форму детали 18. В случае ухода среднего положения зеркала 6 из фокальной плоскости объектива 5 длительности положительного и отрицател ьного полупериодов сигнала с усилителя-ограничителя 27 не бу10 дут совпадать, и блок обработки данных 29 будет вводить в расчет поправку. Кроме того, вибратор 7 можно выполнить в виде пье- зокерамической пластины 30, на которую кроме переменного напряжения можно по-;

5 давать постоянную составляющую с генератора электрических сигналов 8, соединив его с блоком обработки данных 29, при этом вибратор 7 закреплен неподвижно и сигналы на него не подаются. Или эту же пластину

0 30 можно установить между вибратором 7 и зеркалом 6 и подавать на ее постоянное напряжение с генератора 8 при смещении среднего положения зеркала 6 относительно фокальной плоскости второго объектива

5 5. Противоположная по отношению к объективу 5 сторона зеркала 6 может составлять одно из плеч интерферометра Майкельсона. Зная с помощью интерферометра положения зеркала 6, при котором разность сигнэ0 лов с усилителя-ограничителя 28 образуется в ноль, и зная параметры оптической схемы, можно рассчитать координату Z поверхности детали 18.

Зависимость уровня электрического

5 сигнала в прототипе не только от величины отклонения измеряемой детали от фокзль- ной плоскости, но и от коэффициента отражения и угла наклона детали к оптической оси объектива, не позволяет измерить по

0 уровню сигнала величину этого отклонения. Поэтому необходимо для определения координаты добиваться совмещения поверхности детали с фокальной плоскостью. Использование дополнительных оптико5 электронных каналов и сканирование изображения источника вблизи фокальной плоскости обеспечивает возможность опре- . деления величины отклонения поверхности от фокальной плоскости объектива с высо0 кой точностью тем, самым уменьшается время измерения профиля детали.

Форм у л а и з о б р е т е н и я 1. Устройство для бесконтактного измерения профиля деталей, содержащее источ5 ник света, коллиматор, первый светоделитель, первый обьектив, блок перемещения детали, второй делитель и два оптико-электронных канала, подключенных к блоку обработки данных, первый канал состоит из последовательно установленных

второго объектива, первой диафрагмы и первого фотоприемника, второй канал состоит из последовательно установленных третьего объектива, второй диафрагмы и второго фотоприемника, в первом канале диафрагма установлена перед, а ЁО втором - за фокальной плоскостью объектива, о т- л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено установленными последователь- но после коллиматора третьим светоделителем, четвертым светоделителем, четвертым объективом и зеркалом, закрепленным на вибраторе в фокальной плоскости четвертого объектива, установленным по ходу отде- ленного четвертым светоделителем светового потока, пятым светоделителем и установленными по ходу каждого из разделенных пятым светоделителем, световых потоков соответственно третьим оптико- электронным каналом, идентичным первому, и четвертым оптико-электронным каналом, идентичным второму, генератором, подключенным к вибратору, двумя усилйтелями-ограничи- телями, включенными соответственно между выходами первого и второго канала и блоком обработки данных и между третьим и четвертым каналами и блоком обработки данных, первый объектив связан с четвертым объективом через первый, третий и четвертый светоделители.

2. Устройство по пЛ, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что вибратор выполнен в виде пьезокерамической пластины, а генератор электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжения.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что между вибратором и зеркалом расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком обработки данных.

4. Устройство по п.1, от л и ч а ющ ее- с я тем, что оно снабжено интерферометром Майкельсона, а противоположная по отношению к объективу поверхность зеркала является зеркалом в одном из плеч Интерферометра.

V

L

V

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля деталей. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения. Устройство содержит источник света, коллиматор, первый светоделитель, первый объектив, устройство перемещения детали, второй делитель, два оптико-электронных канала, подключенных через -усилитель-ог- раничитель к блоку обработки данных и включающих в себя последовательно размещенные объектив, диафрагму и фбтоприем- ник, причем в одном канале диафрагма установлена перед, а в другом - за фокальной плоскостью объектива. Между коллиматором и первым делителем дополнительно установлен третий делитель, за которым установлен объектив, в фокальной плоскости которого расположено зеркало, закрепленное на вибраторе, подключенном к генератору электрических сигналов, а первый делитель расположен на пути луча, отраженного от зеркала, а затем от третьего делителя. Между третьим делителем и вторым объективом установлен четвертый делитель, за которым расположёны пятый делитель и два оптико-электронных канала, подключенных через усилитель-ограничитель к блоку обработки данных. Вибратор может быть выполнен в виде пьезокерамической пластины, а генератор электрических сигналов, соединенный с блоком обработки данных, представляет собой генератор переменного и постоянного напряжений. Между вибратором и зеркалом может быть расположена пьезокерамическая пластина, подключенная к генератору электрических сигналов, соединенному с блоком обработки данных. Противоположная по отношению к объективу поверхность зеркала может находиться в одном из плеч интерферометра Майкельсо- на, который соединен с блоком обработки данных. 3 ил. « (5

./

t

г)