Оптико-электронное устройство измерения размеров изделий

(5)5 6 УДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ ЗОБРЕТЕ ОРСКОМУ СВИДЕ В в а е т в О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ РИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ И(71) Научно-исследовательский институтприклаДной математики.и кибернетики приГорьковском государственном университете им. Н.И,Лобачевского(54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, в системахактивного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках и при формированииизделий с помощью пластической деформации. Цель изобретения - измерение размеров изделий, вращаемых в процессеобработки на станках. При вращении сканатора в виде дискообразного оптическогодвугранного клина с одинаковыми углами Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, в системах активного контроля размеров деталей, обрабатываемых на металлорежущих и шлифовальных станках.Известно устройство контроля размеров изделий, в котором сканатором является вращающееся зеркало и используется параллельный световой пучок лазера для сканирования в пространстве установки контролируемого изделия, Оптический тракт содержит основной объектив, форми,9 50., 1 747876 наклона гранеи к его плоскому основанию, установленного перпендикулярно к оси вращения изделия, параллельные оптической оси объективов и сдвинута от нее на половину радиуса диска относительно оси вращения иэделия, Световое пятно за один его полуоборот совершает движение по полукругу, Если обрабатываемое изделие имеет номинальный диаметр, то полуокружность загораживается изделиЕм в течение половины периода сканирования и возникают им;пульсные сигналы, которые с помощью электронного блока превращаются в меандр, Если изделие имеетбольший диаметр, то в выходном сигнале возникает постоянная составляющая одногознака. НекотороеО различие в углах наклонов каждой из половин клина усредняется в процессе измере- . (Я ния электронным блоком и измерителями, поскольку время измерений существеннопревышает Т, Это же обстоятельство приво- Я дит к усреднению выходного сигнала при наличии неровностейна поверхности обрабатываемого изделия, обусловленных обрабатывающим инструментом. 1 ил,рующий параллельный световой пучок приемный объектив, направляющий лучи фотоприемник. В процессе вращения зе кала узкий пучок света перемещается и раллельно самому себе. Контролируемо изделие при этом периодически экранируе свет от попадания через второй объектив фотоприемник.Счетчик подсчитывает число импульсо высокочастотного заполнения во время пе ремещения пучка света вдоль объекта изме рений. Подсчет начинается с момента, когд лучи проходят над первым концом объектаи кончается, если сигнал указывает на другой конец объекта. Устройство содержит также схему прекращения счета при наличии ложных сигналов,Для прототипа, а также других известных устройств контроля размеров иэделий путем сканирования с помощью узкого параллельного луча с прохождением обоих краев изделия, т.е, с размахом сканирования, превышающем его поперечные размеры, характерны следующие недостатки. При этом световой диаметр линз объективов должен превышать поперечные размеры контролируемых иэделий, что практически исключает воэможность его применения для крупных изделий, Так как сканирование происходит с помощью узкого пучка лазерных лучей, желательно с целью повышения точности измерений сделать этот пучок как можно более узким. Однако этому препятствует наличие естественной угловой расходимости параллельных лучей, которая обратно пропорциональная поперечному диаметру пучка дЬ р =). Поэтому ширина пучка должна существенно превышать длину световой волны А,С целью измерения размеров иэделий, вращаемых в процессе обработки на станках, а также устранения укаэанных выше недостатков аналогов в изобретении осуществляется принцип слежения эа размерами изделияс одного его края с применением специального сканатора. Устройство содержит источник света и последовательно установленные вдоль его оптической оси диафрагму, сканатор, два объектива, фото- приемник и электронный блок преобразования информации. Положительный эффект достигается путем выполнения сканатора в виде дискообразного двухгранного оптического клина с одинаковыми углами наклона граней к его основанию. Ось вращения клина перпендикулярна к оси вращения,изделия и сдвинута от нее на половину радиуса диска, Точка образования изображения отверстия диафрагмы первым объективом сопряжена через второй обьектив с поверхностью фотоприемника и расположена с противоположной стороны от точки прикосновения инструмента и иэделия,На чертеже показана схема оптического тракта устройства применительно к обработке цилиндрической детали в тот момент, когда достигнут требуемых размер детали.В состав устройства. помещенного вкорпус, связанный со станиной и допускающий поперечное его перемещение, входят источник света 1, диафрагма с малым отверстием 2, дискообразнйй двухгранный клин с приводом вращения (двигатель не пока-,зан),обрабатываемая цилиндрическая деталь 4, основной 5 и вспомогательный 6объективы, фотодиод 7,5 Объектив 5 при отсутствии клина 3 создает иэображение освещенного отверстиядиафрагмы 2 в точке О, являющейся пересечением образующей АВ цилиндра 4, соответствующего требуемому размеру10 обрабатываемого изделия, с оптическойосью объективов 5 и 6, Объектив 6 создаетиэображение точки 0 наповерхности фотодиода 7, Линия СО, совпадающая с осьювращения клина 3, пересекает образующую15 АВ в точке Р, Светодиод 1 установлен надсерединой одной половины клина, К фотодиоду 7 подключен вход электронного блока, содержащего последовательносоединенные усилитель, компаратор, диф-.20 ференцирующие. цепочки, соединенные сразными входами нечетного триггера.Устройство функционирует следующимобр".зом,В результате вращения клина 3 свето 25 вое пятно за один его полуоборот совершает движение по траектории (полукругу) 8, азатем это движение повторяется в том женаправлении с частотой, превышающей вдва раза частоту вращения клина. Если об 30 рабатываемое изделие 4 имеет диаметр,указанный на чертеже, то полуокружность 8загораживается изделием в течение половини периода сканирования Т(Т = - аещ ). ВТВ дщ235 фотодиоде 7, на поверхности которого фокусируется изображение светового пятна,движущегося по траектории 8, возникаютимпульсные сигналы, которые с помощьюэлектронного блока превращаются в ме 40 андр на выходе триггера), с постоянной составляющей, равной нулю, т.е, с одинаковойдлительностью положительных и отрицательных импульсов( т 1 =т 2). Если изделиеимеет больший диаметр, чем указанный на45 рисунке, то г 1 ) т 2 и в выходном сигналевозникает постоянная составляющая одного знака, В противоположном случае знакпостоянной составляющей меняется на противоположный. Выделение этого аналогово 50 го сигнала осуществляется с помощьюфильтра нижних частот, содержащегося в. электронном блоке устройства, Можно также измерять цифровым способом непосредственно длительности импульсов и р и т 2. Тогда, как это можно показать с помощьюрешения соответствующей геометрическойзадачи, отклонение от номинального размера изделия Х можно найти с помощью выра- жения-, (1 -- Т) (2)где х - радиус окружности сканирования.Справедливость выражения (1) видна изТтого,что при х 1 =х 2 1 х=О, и прих 1 ффх; х.- х; ц = Т х= -хо. Таким образом,предельная зона обзора устройства составляет+ хо реальная - х - х, а ее линейный2участок согласно (2) -0,1 х (в зависимости от требуемой точности шкалы), Поскольку хо может составлять несколькомиллиметров, данное устройство допускаетвозможность заведомо уменьшить скоростьобработки по мере приближения к номинальному размеру (при точении и шлифовании), а.также производить переналадку впределах нескольких миллиметров изменения размеров без перемещения корпусавсего измерителя, размещенного на станине. Иэ выражений (1) и (2) видно, что измеряемая величина зависит только отХ 1отношения Т которое не зависит от скорости вращения, а также от х определяемого геометрией оптического тракта инаклоном углов клина, Некоторое различиев углах наклонов каждой из половин клинаусредняется в процессе измерения электронным блоком и измерителями х 1 и х 2поскольку время измерений существеннопревышает Т. Это обстоятельство приводитк усреднению выходного сигнала при наличии неровностей на поверхности обрабатываемого изделия, обусловленныхобрабатывающим инструментом,.Таким образом, отказ от принципа сканирования параллельным пучком света всего поперечного размера изделия и введение в качестве сканатора двухгранного клина дает следующий положительный эффект.- позволяет проводить измерения в 5 процессе обработки вращаемых иэделий; .- введение двухгранного вращающего-.ся клина допускает высокую скорость сканирования (удвоение по сравнению со скоростью двигателя привода), что приво дит к повышению точности измерений из-залучшего усреднения показаний.Ожидаемая точность измерений, проверенная на макетах устройства, составляет +0,1-+1 мкм.15Формула изобретенияОптико-электронное устройство измерения размеров изделий, содержащее корпус и размещенные в нем источник света и20 последовательно установленные вдоль егооптической оси диафрагму, сканатор, объектив, второй объектив. фотоприемник и электронный блок преобразования, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью измерения разме 25 ров изделий, вращаемых в процессе обработки на станках, корпус установлен настанине станка с возможностью перемещения, сканатор выполнен в виде дискообраэ. ного оптического двугранного клина с30 одинаковыми углами наклона граней к егоплоскому основанию; установленного так,что его ось вращения перпендикулярна коси вращения изделия, параллельна оптической оси объективов и сдвинута от нее на35 половину радиуса диска относительно осивращения изделия, а точка образованияизображения отверстия диафрагмы первымобъективом оптически сопряжена через второй объектив с поверхностью фотоприемни 40 ка и расположена с противоположнойстороны от точки соприкосновения обрабатывающего инструмента и изделия,17 П 876 7г Составитель 8;КлимТехред М,Моргентал Корректор Н.Ревска бче дактор В ф,Заказ 2492 ТираЖ ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва., Ж, Раушская наб 4/5 Пройзводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101