Устройство для контроля углов поворота объекта Советский патент 1980 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике а именно к оптическим и оптико-электронным угломерным приборам, предназначенным для определения углового положения одного объекта относительно другого.

Известны оптические ,и оптико-электронные угломерные устройства, которые вклю чают визуальный ил.и оптико-электронный автоколлиматор и специальный отражатель. При этом визуальные автоколлИ|Маторы снабжаются окулярными измерительными приспособлениями,позволяющими измерять смещения изображений марки автоколлиматора, пропорциональные величинам измеряемых углов,- либо фотоэлектрическИ|МИ регистрирующими системами. Выходные сигналы которых пропорциональны величинам .измеряемых углов 1.

Недостатком этих устройств является невысокая точность измерений углов, обусловленная тем, что смещение изображения марки зависит от одного из ко4л.имационных углов поворота отражателя.

Наиболее близки|М по технической сущности к изобретению является устройство для контроля углов поворота объекта, содержащее формирователь излучения, скрепляемый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугранных

углов которого имеет отступление от 90°, и регистрирующее устройство, установленное по ходу излучения от отражателя 2.

Недостаток устройства - невысокая точтость измерений углов поворота, связанная с тем, что уголковый отражатель не обеспечивает точного измерения угла скручива.ния.

Целью изобретения является повышение

10 точности измерений.

Указанная цeл) достигается тем, что в устройстве для контроля углов поворота объекта двугранные углы отра жателя выполнены с заведомо заданными отступле15ниями от 90°.

Кроме того, заведомо заданные отступления от 90° имеют равные величины и одинаковые знаки или равные величины и разные знаки.

20

Заведомо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла в случае использования в качестве уголкового отражателя триппель-призмы определяется из условия:

25

6з -б У2 1/

где п - показатель преломления триппель30призмы, равный

/г--1

1 +

/г

(А-Л/)2

б - заданное отступление от 90° двугранных углов, .имеющих равные абсолютные величины;

А - единичный орт падающего луча;

N - едЕничйый Орт .но р|Мали шередней

грани триппель-пр.измы; л - показатель преломленля .материа- ла отражателя.

Заведомо заданные отступления от 90° третьего двугранного угла в случае выполнения уголкового отражателя в виде тройного зеркала определяются из условия: Дбз -

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого, устройства; на фиг. 2 и 3 - характер изображения авто.коллимационных марок в плоскости анализа (плоскости размещения измерительного устройства или фоторегистрир.ующей системы); на фиг. 4 - ориентация уголкового отражателя относительна системы координат при наличии -погрешностей двух прямых двугранных углов; на ф.иг. 5 - характер изображения марок, отраженных от отражающих граней уголкового отражателя с двумя погрещностями в плоскости анализа.

Устройство содержит формирователь излучения, выполненный из автоколлиматора, включающего объектив /, фоторегистрирующие системы 2 и 3, установленные в фокальной плоскости объектива 1. Между объективом ,и фоторегистрирующей системой установлен светоделительный элемент 4, образующий боковой-канал, в котором в фокальной плоскости объектива расположена светящаяся марка 5, выполненная, например, в виде светодирда. На фиг. 1 верщина )толкового отражателя 6 расположена в начале базовой системы координат XYZ.

Устройство работает Ьледующим образом.

Лучистый поток от марки 5 с помощью светоделительного элемента 4 и объектива / направляется на уголковый отражатель 6. Особенностью уголкового отражателя является то, что все три прямых двугранных угла выполнены с отступлевиямя от 90°, отражатель ориентирован определенным образом относительно оптической оси автоколлиматора. Вследствие наличия ошибок прямых двугранных углов уголковый отражатель при отражении разделяет падающий на него параллельный пучок на щесть пучков, которые расположены попарйо в трех плоскостях, не совпадающих друг с другом. Отраженные пучки в каждой паре составляют равные углы с падающими. Уголковый отражатель с тремя дефектным,и углами описывается щестью матрицами вида (каждая матрица описывает один отраженный

I,

т

(1)

К., -1

т.2

к k 1

где 2, 3, i, 4, tn элементы реальных матриц (),| ;/i:, k,, l., а, b, с - грани уголкового отражателя, от которых отразился данный пучрКй

Последовательность а, Ь, с обозначает последовательность отражений луча от граней уголжового отражателя. Пусть уголковый отражатель разв нзлся на малые углы ф, /., ip относительно осей ОХ, ОУ, OZ соответственно. При условии осевого хрда падащего на 10 луча (уравнение орта А падающего луча в системе координат XYZ -ll

) орт отраженного луча в общем

А

случае определяется матрицей:

1

+ йзф-т к

ВаЬг -

+ /3

где вторая и третья строки матрицы определяют отклонения орта от1ражен ного пучка от плоскостей ZOX и XOI соответственно. Как следует из анализа формулы, для того, чтобы по отклонению пучка можно было измерить угол скручивания ф независимо от коллимационных углов х и я, необходимо выполнение условия:

т (3)

С другой стороны, для того, чтобы по отклонению пучка можно было определить коллимационные углы х и -ф независимо от угла скручивания ф, необходимо, чтобы выполнялись условия:

т. 0

(4) 1Й, ,| 0

Выбирая величины и знаки погрешностей углов уголкового отражателя, а также его ориантировку, можно добиться, чтобы равенство (3) выполнялось для матриц, описывающих одну пару отраженных пучков, а система .уравнений (4) - для матриц, описываЕОщих другую пару отраженных пучков. Переходя к реальным выражениям элементов матриц отраженных пучков, можно записать следующие уравнения:

1) Для пары пучков с- последовательностями отражений с, а, b (п1ервый пучок пары, фиг.1), Ь, а, с (второй пучок цары):

АЗ cos Tjjo + V3 sin i|Jo О ( | k 0) т . cos xo + sin sin ifio + -i- Vs cos г|)о 0; ((АзИ 0) 2). Для пары пучков с последовательностями отражений а, Ь, с (первый пучок), с, Ь, а (второй пучо1к): mi - sin хо + cos sin tfio + ,+V .cosij:o 0 . () (ориентация пучка не зависит от х и |)). В вышеприведенных уравнениях Шз 2636 + U+ «(б.бг); /п, 25з(« + 1)-«(Si-ба); Дз 2б2-(л+ 1)+п(бз-60; Ai -2б2(л + i;-«(бз+ 6i); Уз 2б,(и +;)-n(бз+б2); Уl 26,(я + ) -Ь «(63-62); фо, Хо - углы, определяющие ор,иентацию уголкового отражателя относительно системы координат XYZ (фиг. 1); Хо - угол между ребром двугранного угла, имеющего ошибку 6з и осью OZ; угол хо считается положительным, если ось OZ совмещается с ребром вращением отнюситель но оои ОУ горотнв часовой, стрелки (на фиг. Хо положителен); фо - угол между проекцией ребра двугранного угла, имеющего ошибку 62, и осью О У; угол фо считается положительным, если О У совмещается с проекцией ребра враще нием относительно оси OZ против часовой стрелки (на фиг. I трилзображенном поло жении УО угол ifo отрицателен). В вышеприведенных выражениях: (/г npii этом п описывается выражением / t I я-- - 1 ) орт падаюш его на отражател пучка; орт нормали к передней грани от ражателя; показатель преломления мате риала отражателя. Решая вышеуказанную систему уравн ний, определяют знаки 6i, 63 и 6з, соотнош ния между ними и угол хо. Зададимся -фо -45°, при этом отраж тель расположен симметрично относительн плоскости ZOX (положение, показанное н фиг. 1). При этом условии система уравн ИИ упрощается. Решая первое уравнение истемы, получаем: б, -Ь 6 О римем-б2 -6, . Преобразовав осавшиеся два уравнения получаем: 5,.-8FT|/4 ±1 I/ 2«2 -f 1 8,2(/г 4- 1)+ 28(д- 1) tg п - Ь(п) + S(/f-f 2) Так .как параметр п неявно зависит от о, система уравнений не решается алгебаическими методами и может быть решена помощью ЭВМ. Так, например, для отраателя, изготовленного из стекла К8 (п 1,5163), решение системы уравнений дает 6з - 1,2368 6; хо 43°36.(7) Таким образом, при выполнении условий (5) и (7), используя первую пару отраженных пучков, можно измерять углы х и ijj, а используя вторую пару пучком, - угол ф, независимо друг от друга. Необходимо отметить, что в случае изготовления уголкового отражателя в виде тройного зеркала, для которого п п , система (6) решается алгебраически: 6з - 2 о, (хо-45°). Аналогично можно показать, что если 62 6, 6i -6, то для /г 1,5163, 6з 1,2368 6. Как показали расчеты, пара отраженных пучком с последовательностями отражений а, Ь, с и с, Ь, а соответственно (пучки 9, 10 на фиг. I) при выполнении условий (5) и (6) лежит в плоскости XOY, и пучки откло-нены от падающего пучка на угол Д 46/г. Данные пучки чувствительны лишь к углу скручивания ф. Пары отраженных пучков с .последовательностью отралсений с, а, Ь и Ь, а, с соответственно отражаются уголковым отражателем в направлении, обратном падающему, лучу (пучки 7 и 8). Данные пучки чувствительны лишь к углам тр и х. Пара пучков с последовательностями от 1ажений Ь, а, с и с,а,Ь не используется и при построении угломера не препятствует регистрации отклонения двух пар рабочих пучков, так . лежит в плоскости XOY, При этом каждый из пучков отклонен от падающего пучка на угол Д2 2|/35/г. Таким образом, в фокальной плоскости автоколлиматора образуются шесть изображений марки фиг. 2). При этом изображения 9 и 10 отклонены от центра на величины 46n/i, где /i - фокусное расстояние объектива автоколлиматора, изображеЕияУ и 8 совпадают друг с другом и с оптической осью автоколлиматора, изображения // и У2 отклонены от центра на величину 2 1/3 бл /, и не совладают с 9 и 10. В случае разворота контролируемого объекта, а следовательно, и связанного с ним отражателя на малые углы ф, х, г|) относительно осей ОХ, ОУ, OZ, соответственно, как показывают расчеты, пуЧ|Ки 9 и 10 синхронно повернутся на угол ф относительно оптической otH автоколлиматора, что вызовет линейное, смещение изображений 9 и

10 (в разныесто:р0;ны) навелич;ину46«./i ф (фиг. 3). Регистрация этого Линейного смещения пучка9 при помощи позиционночувствительной регистрирующей системы (ПЧРС) позволяет измерить угол ij).

Аналогично можно показать, что изображения 7 и 8 сместятся относительно начального положения (в разные стороны), причем величина смещения относительно плоскости XOY составляет 46/i i|;, а относительно ZOX - 46/ix.

Регистрация этих линейных смещений при помощи двухкоординатной ПЧРС 3, позволяет измерить углы х и ф.

Таким образом, реализуя соотнощения между величинами и знаками оц1ибок Т1рямых двугранных углов и параметрами ориентации УО, найденными при рещении уравнений (5) и (6), можно добиться независимого измерения всех трех углов разворота ф, X, ф.

Необходимо также отметить, что подобный отражатель позволяет реализовать одинаковые по порядку величины коэффициентов передачи между величиной поворота отражателя и величиной поворота отраженного луча по всем трем измеряемым углам:

по углу ф коэффициент передачи равен 4би,

по углам X и if) - 46(« равно -1,5 и не изменяет порядка коэффициента передачи). Это обстоятельство позволяет выполнить устройство малогабаритным, работающим либо на больших дистанциях, либо при больших диапазонах измеряемых углов.

Предлагаемое устройство может найти применение для Решения щирол ого круга у(етрологических задач, связанных с измерением трех угловых координат объекта с высокой точностью.

Формула изобретения

Устройство для контроля углов поворота объекта, содержащее формирователь излучения, скрепляемый с контролируемым объектом уголковый отражатель, один из двугранных углов жоторрго .имеет отступление от 90°, и регистрирующее .устройство, установленное по ходу излучения от отражателя, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерений, остальные двугранные углы выполнены с заведомо заданными отступлениями от 90°.

2.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что заведомо заданные отступления от 90° имеют равные величины и одинаковые знаки.

3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что заведомо заданные отступления на 90° имеют равные величины и разные

знаки.

4.Устройство по пи. , отличающееся тем, что заведо.мо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла определяется из условия:

бз - б

где п - показатель преломления триппель.. призмы, равный

п- - 1

1 -J(

1

б - заданные отступления от 90° двугранных углов, имеющи,х равные абсолютные величины;

А - единичный орт падающего луча;

N - единичный орт нормали к передней грани триппель-призмы;

п - показатель преломления материала отражателя.

,5. ,Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что заведо1мо заданное отступление от 90° третьего двугранного угла определяется из условия:

бз -/28.

55 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР № 511520 G 01 В 11/26 от 1974 г.

2 Авторское свидетельство СССР 60 № 557261 G 01 В 11/26 от 1976 г. (прототип).

fu.5