Интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относитея к контрольно- измерительной технике, а именно, к лазерной интерферометрии и может быть использовано для контроля геометрических параметров изделий.

Целью изобретения является расширение области использования за счет также и

разбраковки объектов контроля по форме, повышение быстродействия контроля.

Способ пояснется графическим материалом.

На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации данного способа на основе лазерного акустооптического интерферометра с волоконно-оптическим преобразователем; на фиг. 2 представлены функции преобразования измерительной схемы на основе акустооптоэлектронной положительной обратной связи (ПОС) совместно со схемой управляемой фазовой автоматической подстройки частоты (УФАПЧ) для различных значений Кп.

Фиг. 3 поясняет способ образования поля допуска и возможность его смещения. Кроме того, на ней изображены диаграммы выходных логических сигналов измеритель- ной схемы, которые соответствуют положению поверхности объекта.

Устройство (фиг.1) реализующее способ содержит источник монохроматического излучения 1, коллиматор 2, акустооптический преобразователь 3, схему ввода-вывода излучения для оптического волокна 4, волоконно-оптический преобразователь (ВОП) 5, контролируемый, объект 6, элементы оптической схемы интерферометра 7, фотоприёмное устройство (ФПУ) 8, управляемый фазовый детектор (УФД) 9, усилитель (У) 10, генератор управляемый напряжением (ГУН) 11, импульсный формирователь (ИФ) 12, устройство управления (УУ) 13.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение лазере 1 направляется колли матрром 2 на акустооптический преобразователь 3, где оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. После преобразователя 3 нулевой порядок дифракции Е (0) оптической схемой 4 вводятся в излучательное одномодовое волокно ВОП 5 и направляется на контролируемый объект 6. Между ВОП 5 и контролируемой деталью имеется воздушный зазор (свободное пространство), являющийся составной частью световодной структуры. Отраженное излучение попадает в приемное одномодовое волокно ВОП 5, кол- лимируется схемой вывода 4 и направляется в оптическую схему интерферометра 7. Первый порядок дифракции Е (+1), проходя через оптическую схему интерферометра 7, пространственно совмещается и интерферируется с измерительным оптическим потоком Е (0) на входе ФПУ 8.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе ФПУ 8 электрического измерительного сигнала, который поступает на измери- тельный вход УФД 9. Совместная электрическая схема УФД 9, У 10, ГУН 11 образуют систему УФАПЧ, Выходной частотный сигнал этой системы поступает на кварцевый излучатель акустооптичесмэго

,-

преобразователя 3 и на опорный вход УФД 9.

При достижении разности фаз между частотными сигналами после ГУН 11 и ФПУ

8 значения 2 ж на выходе УФД 9 формируется перескок напряжения, который поступает на входУ 10 и ИФ 12. На выходе ИФ 12 формируется три логических сигнала а, Ь, с, которые индицируют, положение поверхности объекта (фиг.З). Сигнал р соответствует тому, что поверхность объекта находится А пределах поля допуска - И Ьс 12. Появление сигналов а и с означает то, что поверхность объекта вышла за границу поля

допуска в ту или иную сторону, соответственно: а - 1Х И, с - Ix la. Сигналы, после ИФ 12 поступают на входУУ 13. С помощью УУ 13, в зависимости от комбинации логиче- ских состояний на входе, в У 10 устанавливается соответствующий коэффициент усиления, Соответствие между комбинацией логических состояний после ИФ 12 и коэффициентами усиления У 10 приведено в таблице. Абсолютные значения КуС1 и КуС2

соотносятся следующм образом: Кус1 Кус230

35

40

С помощью УУ 13 также осуществляется перестройка УФД 9 путем введения дополнительного фазового рассогласования между измерительным и опорным частотными сигналами для реализации функции смещения поля допуска, а также для введения необходимой коррекции при изменении

условий окружающей среды.

Сущность способа заключается в сочетании трех физических эффектов, реализованных в данной измерительной схеме. I. Известно, что в функции преобразования цепи акустооптоэлектронной ПОС имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига оптического потока и изменением выходной частоты определяется в соответствии со следующим выражением

Af Kn Луэ.

где Кп - коэффициент пропорциональности, МГц/рад.

Наличие линейного участка определяется смещением объекта на величину пространственного периода, который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2 тс. При превышении этого значения проявляется нелинейное св ойство аку- стооптоэлектронной ПОС, заключающееся в резком, почти мгновенном скачкообразном изменении частоты сигнала (частотный перескок) к своему первоначальному значению, при котором фазовый сдвиг был равен 0. Событие, означающее то, что частотный перескок произошел, несет информацию об определенном значении фазового сдвига входного оптического потока ( ДуЭ - 2 те) и используется в данной схеме для фиксирования момента перехода поверхности детали через границу поля допуска.

II. Исследования акустооптоэлектрон- ной ПОС показывают, что коэффициент пропорциональности Кп в уравнении (1) зависит только от внутренних параметров акустооп- тического преобразователя. Введение же в цепь акустооптоэлектройной ПбС схемы позволяет управлять параметром Кп через коэффициенты передачи звеньев УФД, У,.ГУН в соответствии с выражением

Кп К дет Кус Кгун.(2)

где Кдет- коэффициент преобразозания управляемого фазового дет.жтора, В/рад, Куг - коэффициент усиления усилителя, КГун - коэффициент преобразования генератора управляемого напряжением, МГц/В.

При изменении Кп возникает возможность управления величиной пространственного периода согласно формуле

L

V3

1

:-1 (3)

4JTL.AOM Кдет Кус Кгун

где V3e - скорость распространения звуковой волны в воде, м/ч,

. LAOM расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем, м.

Анализ данного функционального выражения показывает, что для различных значений Кп можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом, как показано на фиг, 2. Это дает возможность на основе лазерного интерферометра синтезировать функцию преобразования с пространственным пери

одом значительно превышающим длину волны источника излучения А .

II (.Установлено, что для ВОП, состоящего из излучательного и приемного световр5 дов, существует зона чувствительности - рабочий участок зазора между торцом преобразователя и деталью, который соответствует диапазону максимальной передачи оптической мощности, превосходящей порог чувст10 вительности ФПУ. Согласно конструкции, оптический поток распространяется по следующему пути: излучательное волокно - поверхность детали - приемное волокно. . Способ реализуют в работе следующим

15 образом. -- . .

Коэффициент передачи звеньев схемы УФАПЧ выбираются такими, чтобы в рабочем участке зазора были сформированы два частотных перетока. При прохождении по20 верхности детали всей зоны на координатах li и 2 в измерительной схеме произойдут частотные перескоки. Они приведут к формированию соответствующих логических сигналов на выходах измерительной схемы.

25 Наличие двух прсстранственно-чувстви- -тельных координат h и 12 приводит к образованию единственного поля допуска 12, с помощью которого задается макси- мальное смещение поверхности объекта

30 Almax 12 - ii. Изменением коэффициентов передачи звеньев УФАПЧ можно управлять шириной .поля допуска - задавать его необходимого :значения.

Возможность введения дополнительно35 го фазового рассогласования УФД позволяет осуществлять смещение поля допуска в предела; всего рабочего участка зазора.

Таким образом, на основе предлагаемо40 го способа можно проводить бесконтактное

ощупывание исследуемых поверхностей с

целью разбраковки изделий при отклоне нии от заданных размеров, а также созда.вать различные измерительные алгоритмы,

45 которые приведут к устранению необходимости движения измерительной головки по траектории, подобной форме поверхности детали, и за счет этого к существенному повышению быстродействия контроля.

50 Формула изобретения

1, Интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий, заключающийся в том, что когерентное, излучение направляют на объект и принима55 ют посредством волоконно-оптического .преобразователя, между торцом которого и объектом создают зазор, опорное излучение совместно с выходным излучением волоконно-оптического преобразователя

подают на фотоприемное устройство, сигнал с фотоприемного устройства подают на вход измерительной схемы, в которой регистрируют) фазовое рассогласование Д, вызванное смещением поверхности контролируемого объекта, и при достижении значения Ду 2я формируют частотный перескок, подают его на акустооптический преобразователь и используют в качестве информативного логического сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования за счет также и разбраковки объектов контроля по форме.

0

изменением зазора до достижения следующего значения Др 2я формируют второй частотный перескок, расстояние между частотными перескоками выбирают соответствующее полю допуска L, используют измерительную схему с переключаемым коэффициентом преобразования Кл, моменты переключения которой выбирают соответствующими частотным перескокам.

2. Способ по п.1, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия контроля, регулируют величину поля допуска изменением параметров Кп.

Фиг.2

значение

пространственного периода

Изобретение относится к. контрольно- измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для создания измерительных головок, используемых для контроля геометрических параметров изделий на коор- динатно-измерительных машинах (КИМ) и в бесконтактных интерференционных проф- илографах в метрологии, приборостроении и точном машиностроении. Цель изобретения - расширение области использования за счет также и разбраковки объектов контроля по форме, повышение быстродействия контроля за счет исключения перемещения преобразователя по траектории, подобной форме поверхности объекта. Предлагаемый способ заключается в том, что в измерительный канал интерференционной схемы включен волоконно-оптический преобразователь (ВОЛ), выполненный в виде подводящего и отводящего световодов. Между торцом ВОП и объектом контроля создают зазор, значение которого включает пространственный интервал, соответствующий двум частотным перескокам в интерференционной схеме. Участок, ограниченный двумя частотными перескоками, образует поле допуска L, который задает максимальное смещение объекта контроля. Управлением параметрами интерференционной схемы Кп добиваются регулировки величины поля допуска и производят его смещение. Выход, смешение объекта контроля за границу поля допуска приводит к формированию соответствующих логических сигналов, которые означают, что объект контроля вышел за границу поля допуска в ту или иную сторону. 1 з.п.ф-лы.Зил., 1 табл. (Л ы Х| ы