(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ НЕСООСНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ
Изобретение касается измерительного устройства для одновременного измерения несоосноти и направления, при котором измеряемые значения отклонений соосности и направления относительно установленной оси измерения имеются в виде электрического аналогового сигнала. Прибор для измерения несоосности и направления работает в связи с источником света, который высылает параллельный пучок световых лучей. Возможности его применения и его радиус действия зависят от мощности источника света. Известны измерительные устройства различных исполнений, которые соединяют в себе функции прибора для измерения несоосности и нап)завления. Описание изобретения к экономическому патенту ДД18222 содержит описание прибора для измерения несоосности и направления классического вида,, с которым возможно проводить различные измерения хотя одним устройством, но только поочередно. Измерительная головка состоит из системы зрительных труб с объективом, окуляра и пластины (штриховой репродукции) в задней фокальной плоскости объектива. На измерительной головке укреплено зеркало с маркировкой креста. При измерении несоосности объектив устанавливается так, что зеркало находится в плоскости предмета. Маркировка креста на зеркале отображается тогда в плоскости изображения от объектива на пластины (штриховой репродукции). Каждое отклонение от совпадения обеих маркировок можно узнать и оценить с помощью окуляра как отклонение от соосности. При измерении направления используется тоже оптическая система, только при этом объектив фокусируется на бесконечность. В ход лучей зрительной трубы вводится наплывом риска, а после отражения в зеркале предмета риска снова отображается на пластине (штриховой репродукции). Каждое опрокидывание зеркала ведет к отклонению от совпадений обеих рисок и может быть замеряно как отклонение направления. Этот принцип автоколлимации применяется тоже в описании изобретения SV 416556. Измерительная головка построена подобно, а объектив можно фокусировать выборочно или на отражательную систему у измеряемого предмета, или на бесконечность. Отражательная система при этом исполнении образована особо. Она содержит объектив, окуляр и два зеркала. Такая двойная зеркальная система позволяет фиксировать возникновение двух наложенных изображений рисок уже в отражательной системе как при измерении направления, так и при измерении несоосности. Изображение и оценка происходят обычным путем в измерительной головке устройства. Обе измерительные системы имеют недостатки. Измерение несоосности и направления можно проводить всегла только по очереди и фокусное расстояние объектива при переходе с одного вида измерения на другой нужно изменить (учесть расстояние между измеряемым предметом и измерительной головкой) . Известны также приборы для измерения несоосности и направления, которые позволяют проводить оба измерения одновременно. В описаниях изобретений DD 86508 и GB 841165 представлены устройства с двумя системами объективов. Один из объективов фокусируется при этом на зеркало предмета или на перекрестке у предмета, а Б измерительной головке сравнением с неподвижным штриховым делением определяется отклонение от оси объектива. Второй объектив служит для оценки параллельного хода луча. Оцениваемые изображения рисок лежат в одной плоскости изображения друг на друге или рядом. Обе измерительные системы выполнены относительно сложно, так как принцип действия обычного прибора для измерения несоосности и направления остается почти неизменным. Кроме возможности одновременного измерения остаются или даже увеличиваются все другие недостатки. Так необходимое деление пополам интенсивности света обязательно отрицательно сказывается на достигаемой точности измеряемого расстояния. В описании изобретения к патенту DE OS 1548480 представлен прибор для измерения несоосности, который использует лазерный источник света и предпочитает вмес то визуального фотоэлектрическое оценивание результата измерения. Лазерный световой пучок попадает на подразделенный на четыре квадранта фотоэлектрический приемник и каждое отклонение пучка света из центра квадрантного фотоприемника вызывает в отдельных фотоэлектрических преобразователях изменение фототока. Величина изменения является мерой для измерения несоосности. Если фототок в одном преобразователе повышается, то в противоположном преобразователе он уменьшается. Поэтому для упрощения электронной схемы эти элементы соединены с элементами формирования разности. Подобным образом происходит оценивание несоосности пучка света в других измерительных устройствах, которые представлены в описаниях изобретений к патентам DE AS 2000828 и DE OS 1911956 и GB 1178007. Описание изобретения к патенту DE OS 2208004 показывает расположение преобразователей в мостовой схеме. По своему действию эта схема не отличается от элементов формирования разности. Все известные электронные .схемы оценки представляют собой только замену обычного визуального определения измеренных значений при измерении несоосности и направления. Они не касаются принципа действия измерительного устройства. Необходимо найти простую оптическую конструкцию для измерителя несоосности и направления при быстром и одновремнном определении измеряемых значений для нескольких координат и при высоком комфорте обслуживания. Измерительное устройство должно обеспечивать измерения также на большие измеряемые расстояния. В основе изобретения лежит задача заменить часть оптического определения измеряемой величины оценкой с помош,ью электронных средств. В устройстве для одновременного измерения несоосности и направления, содержащем источник света, со сфокусированным на бесконечно.сть пучком световых лучей, измерительную головку, состоящую из измерителя несоосности и лежащего в ходе лучей измерителя несоосности разделителя пучка лучей для отфильтровывания другого хода лучей, в измерительной плоскости измерителя несоосностй расположен блок фотоэлектрического преобразования, преобразователи которого электрически разделены друг от друга и упорядочены в плоскости преобразования, для оценки несоосности к преобразователям подключена электронная схема оценки, в измерительной плоскости отфильтрованного хода лучей расположен другой идентично собранный блок фотоэлектрического преобразования, два расположенных на одном месте плоскости преобразования, преобразователя из обоих блоков фотоэлектрического преобразования подключены к первому элементу формирования разности, причем между преобразователями и входами этих первых элементов формирования разности имеется электрическая связь, для оценки отклонения направления существует известная электронная схема оценки, входы которой электрически связаны с выходами первых элементов формирования разности. Схемы оценки имеют при этом одинаковое строение и содержат два элемента формирования разности, входы которых соответственно соединены с диаметрально противоположными преобразователями или первыми элементами формирования разности. которые подключены к соответственно диаметрально противоположным преобразователям обоих блоков фотоэлектрического преобразования. Первые элементы формирования разности содержат еще регулирующие усиление элементы для согласования информационных каналов или для поверки индикатора измеряемой величины. Блоки фотоэлектрического преобразования состоят предпочтительно из четырех преобразователей, образованных в виде круговых сегментов. Непосредственно перед каждым преобразователем расположены кольцевые диафрагмы. В одном исполнении устройства измеритель несоосности выполнен в виде зрительной трубы, в плоскости изображения которой расположен блок фотоэлектрического преобразования, а в отфильтрованном ходе лучей вне плоскости,изображения, относящейся к этому ходу лучей оптической системы, расположен второй блок фотоэлектрического преобразования. В фокальной плоскости объектива зрительной тру.бы находится диафрагма с отверстием. В другой конструкции без оптической системы линз в ходе лучей измерителя несоосности блок фотоэлектрического преобразования расположен на оптически более коротком расстоянии за входным зрачком измерительной головки, чем блок фотоэлектрического преобразования в отфильтрованном ходе лучей. Фокусированный на бесконечность пучок световых лучей состоит предпочтительно из пучка лазерного света, оптически расширенного в диаметре. Преимущество изобретения состоит в том, что при простой и надежной оптической конструкции и относительно малых затратах схемных элементов конструкции обеспечивается быстрое и точное определение измеряемых значений по двум координатам для измерения как несоосности, так и направления. Результат измерения можно сделать видимым или записать для дальнейшей оценки и применения. Использование расширенного лазерного пучка света в связи с кольцевой диафрагмой перед фотоэлектрическими преобразователями приносит то преимущество, что фотоэлектрические преобразователи расположены внутри светового пучка в области самых больших изменений яркости. Это обеспечивает высокую чувствительность измерения. Для выверки измеряемого объекта и измерительной головки не требуются сложные юстировочные работы. Как только световой пучок охватывается измерительной головкой, непосредственно после установки на нуль можно начинать измерение. На фиг. 1 изображена оптическая и электронная часть измерительной головки измерителя несоосности и направления согласно изобретению; на фис. 2 - другой вид исполнения оптической части. Весь измеритель несоосности и направления состоит из источника света (не показан), который высылает параллельный пучок световых лучей из измерительной головки 1 для определения измеряемых значений. Измерительная головка 1 в свою очередь содержит оптическую часть и систему электронных схем. Для измерения несоосности в оптической части измерительной головки 1 расположена система зрительных труб, состоящая из объектива 2, диафрагмы 3 с отверстием, окуляра 4, кольцевой диафрагмы 5 и блока 6 фотоэлектрического преобразования. В ходе лучей зрительной трубы находится разделитель 7 пучка лучей для отфильтровывания другого хода лучей. В отфильтрованном ходе лучей имеются диафрагма 8 с отверстием, кольцевая диафрагма 9 и блок 10 фотоэлектрического преобразования. Для выверки измерительной головки 1 сначала оптическая ось зрительной трубы приводится в точное соответствие с осью параллельного пучка световых лучей. Зрительная труба выполнена так, что плоскость объекта лежит в непосредственной близости от входного отверстия измерительной головки 1,ча блок 6 фотоэлектрического преобразования находится в принадлежащей плоскости изображения. Плоскостью объекта называют плоскость в параллельном ходе лучей, которая изображается в плоскости изображения. Плоскость измерения характеризует положение блока б фотоэлектрического преобразования. Кручение измерительной головки 1 вокруг своего входного отверстия не действует на блок 6 фотоэлектрического преобразования. Этим блоком 6 фотоэлектрического преобразования можно определить только отклонения от соосности. Кольцевая диафрагма 5 непосредственно перед блоком б фотоэлектрического преобразования гарантирует высокую чувствительность измерения, так как она расположена внутри пучка световых лучей в области наибольшего изменения интенсивности. Наибольшие отклонения от соосности вызывают в блоке 6 преобразования уже большое изменение фототока. Предпосылкой является пучок световых лучей с неравномерным распределением интенсивности по радиусу, например, как это имеет место при лазерном источнике света. Дл5 лучшей стабильности по направлению применяют расширенный лазерный пучок света. За счет этого можно без изменения соотношения освещенности блоком б фотоэлектрического преобразования измерять большие измеряемые расстояния при малом расхождении пучка световых лучей.
Диаграма 3 с отверстием в фокальной плоскости объектива 2, а также диафрагма 8 с отверстием в отфильтрованной части хода лучей служат для устранения влияний рассеянного света. В части хода лучей за фокальной плоскостью, но вне плоскости изображения этого хода лучей, расположен блок 10 фотоэлектрического преобразования. Плоскость измерения выбрана так, что диаметр части пучка лучей света на этом месте соответствует диаметру пучка лучей на блоке 6 преобразования. Это приносит дополнительное преимущество, что оба блока б и 10 преобразования могут иметь одинаковую конструкцию и одинаковые размеры. Плоскость объекта, относящаяся к положению блока 10 преобразования, лежит далеко перед входным отверстием измерительной головки 1. На блоке 10 преобразования эта фиктивная плоскость объекта отображается Это вызывает смещение пучка световых лучей из центра блока 10 преобразования как при несоосности, так и при отклонениях направления измерительной головки 1.
Блоки 6 и 10 преобразования состоят соответственно из преобразователей, которые упорядоченно расположены в плоскости преобразования. В блоке 6 преобразования это преобразователи 11, 12, 13 и 14 в форме круговых сегментов. Блок 10 собран таким же образом и содержит преобразователи -15, 16, 17 и 18. За счет этого деления на четыре круговых сегмента возможно определение положения пучка световых лучей в плоскости измерения. Плоскость преобразования и плоскость измерения здесь идентичны. Если, например, пучок световых лучей смещается на блоке преобразования вверх, тогда повышается фототок в преобразователе 12, в то время как в преобразователе 14 он уменьшается. Оценка несоосности и преобразования значений измерения в электрические выходные сигналы происходит в электронной схеме 19 оценки с дифференциальными усилителями 20 и 21. При несоосности дифференциальный усилитель 20 посылает электрический выходной сигнал, фиксирующий изменение смещения в направлении у. Для этого выходы соединены с преобразователями 12 и 14. Выходной сигнал у имеет значение нуль, если фототоки преобразователей 12 и 14 одинаковы по величине. Каждое смещение равновесия в пользу преобразователя 12 или 14 вызывает или позитивный или негативный выходной сигнал у. Отклонения от соосности в направлении х определяется таким же образом оценкой фототоков в преобразователях 11 и 13. С дифференциального усилителя 21 получают соответствующий выходной сигнал х. Часть пучка лучей на блоке 10 фотоэлектрического преобразования отклоняется из своего среднего положения как при отклонениях измерительной головки 1 от направления, так и от соосности. Каждое изменение фототока в
преобразователях 15, 16, 17 или 18 состоит из изменения на основе отклонений направления и изменения на основе отклонений от соосности.
Но уже имеются результаты измерения отклонения от соосности. За счет образования разности между фотосигналами тех преобразователей обоих блоков фотоэлектрического преобразования 6 и 10, которые расположены на одинаковом месте плоскости преобразования, возможно отделить друг от друга слагаемые. Для этого в электронной схеме оценки содержатся первые дифференциальные усилители 22 и 23, 24 и 25 и последующая схема оценки 26 с двумя дифференциальными усилителями 27 и 28. Дифференциальный усилитель 22 связан с преобразователем 11 и 16 и на выходе появляется сигнал, эквивалентный отклонению направления измерительной головки 1 в отрицательное направление Дифференциальный усилитель 23 определяет из фотосигналов преобразователей 13 и 18 соответствующий позитивный сигнал.
Предпосылкой для правильного образования разности является то, что исходящие от блока 6 преобразования фотосигналы имеют точно такую же величину, как и содержащиеся в фотосигнале блока 10 преобразования и происхрдяЩие от несоосности слагаемые. В случае необходимости позитивные или отрицательные входы дифференциальных усилителей 22, 23, 24 и 25 могут оцениваться так, что получается равенство сигналов.
Выходные сигналы дифференциальных усилителей 22 и 23 содержат только информацию об отклонении направления измерительной головки 1. Если установлено согласование в направлении оси измерительной головки 1 и пучка световых лучей, то оба выходных сигнала одинаковой величины. Параллельное смещение обеих осей не имеет последствий. Только если оси образуют угол, то составляющая у этого угла влияет на выходные сигналы дифференциальных усилителей 22 и 23. В зависимости от направления угла один сигнал увеличивается, а другой сигнал уменьшается. Образованием разности в дифференциальном усилителе 28 определяется сигнал по направлению.Для этого выходы дифференциальных усилителей 22 и 23 связаны с входами дифференциального усилителя 28.
Для определения составляющей отклонения направления, идентичным образом преобразователи 12 и 15 соединены с дифференциальным усилителем 25, а преобразователи 14 и 15-с дифференциальным усилителем 24. Из обоих выходных сигналов поток в дифференциальном усилителе 27 образуется сигнал по направлению 5 Дифференциальные усилители 27 и 28 образуют вместе схему оценки 26. Фиг. 2 показы ет оптическую часть 29 измерителя несоосности и направления в другом исполнении без оптических систем линз. В качестве источника излучений используется лазерный световой источник 30, который образует параллельный пучок световых лучей. Диаметр пучка световых лучей согласован с фотоэлектрическими средствами приема. Источник 30 света может быть жестко соединен с объектом измерения, а на оси измерения на некотором расстоянии расположена измерительная головка 29. Источник 30 света и измерительная головка 29 тоже заменяемые. Измерительная головка 29 содержит разделитель 31 пучка лучей, блоки 32 и 33 фотоэлектрического преобразования и кольцевые диафрагмы 34 и 35. Непосредственно за входным отверстием измерительной головки 29 в ходе пучка световых лучей расположен разделитель 31 пучка лучей, котор 1Й отфильтровывает часть хода лучей и направляет на блок 32 фотоэлектрического преобразования. Если только расстояние от входного отверстия измерительной головки 29 до блока преобразования очень короткое, то опрокидывание измерительной головки 29 может только крайне незначительно вывести пучок световых лучей из установленного центрального положения на блоке 32 преобразования. А отклонение от соосности действует своей полной величиной. Итак, блок преобразования 32 служит определению отклонений от соосносБлок 33 преобразования расположен в отфильтрованной части хода лучей на более большом расстоянии от входного отверстия измерительной головки 29. Это большее отдаление влечет за собой то, что отклонение направления заметно значительно сильнее. Выходной сигнал состоит снова из составляющей направления и соосности, так как несоосность также действует, как и в блоке 32 преобразования. Тем самым имеются снова одинаковые соотношения (как в фиг. 1}, а измеряемые значения отклонения направления и несоосности могут определяться при той же системе электронных схем, при предпосылке, что.каждый из блоков 32 и 33 фотоэлектрического преобразования состоит из четырех квадрантных преобразователей. Перед блоками 32 и 33 преобразования в пучке световых лучей в области максимального изменения интенсивности расположены кольцевые диафрагмы 34 и 35. В качестве блоков 6, 10, 32 и 33 преобразования могут, применяться также чувствительные к положению фотоэлектрические приемники с чувствительностью, зависяшей от положения вдоль прямой. Формула изобретения 1. Устройство для одновременного изме-рения несоосности и направления, содержащее источник света, со сфокусированным на бесконечность пучком световых лучей, измерительную головку, состоящую из измерителя несоосности и лежащего в ходе лучей измерителя несоосности делителя пучка лучей для отфильтровывания другого хода лучей, расположенный в плоскости измерения измерителя несоосности блок фотоэлектрического преобразования, преобразователи которого электрически отделены друг от друга и упорядочены в плоскости преобразования, и электронную схему оценки, отличающееся тем, что, в плоскости измерения dTфильтрованного хода лучей расположен другой идентичный блок фотоэлектрического преобравания, к двум соответственным, расположенным на одинаковом месте плоскости преобразования, преобразователям обоих блоков фотоэлектрического преобразования подключены входы первых элементов формирования разности, входы электронной схемы оценки, электрически соединены с выходами первых элементов формирования разности. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что схемы оценки выполнены идентичными. 3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что схемы оценки содержат вторые элементы формирования разности, входы которых связаны соответственно с диаметрально противоположными преобразователями или первыми элементами формирования разности, которые относятся соответственно к диаметрально противоположным преобразователям обоих блоков фотоэлектрического преобразования. 4.Устройство по пп. 1 и 3, отличающееся тем, что первые элементы формирования разности содержат регулирующие усиление элементы. 5.Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что каждый из двух блоков фотоэлектрического преобразования состоит из четырех образованных в виде круговых сегментов преобразователей. 6.Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что перед каждым блоком электрического преобразования расположена кольцевая диафрагма.. 7.Устройство по пп. 1-&, отличающееся тем, что измеритель несоосности выполнен в виде зрительной трубы, в плоскости изображения которой расположен блок фотоэлектрического преобразования, а в отфильтрованном ходе лучей вне плоскости изображения, относящейся к этому ходу лучей оптической системы, расположен второй блок фотоэлектрического преобразования. 8.Устройство по п. 7. отличающееся Tenvi, что в фокальной плоскости объектива зрительной трубы расположена диафрагма с отверстием.
