Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров

(19 51)5 6 01 В 11/О ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ .(57) Изобретение относится к измерительнойтехнике в машиностроении и используется в составе автоматизированногоизмерительного комплекса, управляемогоот микроЭВМ для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в томчисле и в условиях ГАП, Цель изобретения -712775,А 1 зона контролируемых пучок лучей от источника оллиматор 2, вводится о отверстия и там с азного зеркала светодеется на два пучка. Эти ассеиваются поверхноой детали (отверстия) 11. бирается линзами 4 и 5 х зеркал 6 и 7 и отражационно-чувствительный иде двух отдельных раснности. Сигналы от фоусилитель 9 попадают в По расстоянию между щенности в двух распре- ется размер отверстия, инаты максимума осняется на микроЭВМ,расширение диапа объектов, При этом 1 света, пройдя к внутрь измеряемог помощью клинообр лителя,3 расщепля пучки света далее р стью контролируем Рассеянный свет со на поверхности дву ется ими на пози фотоприемник 8 в в пределений освеще топриемника через блок 10 обработки. максимумами осве делениях определя Вычисление коорд вещенности выпол 1 з.п,ф-лы, 3 ил.10 15 20 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике в машиностроении и используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ для бесконтактного измерения линейных внутренних размеров, в том числе и в условиях ГАП.Известно оптическое устройство для бесконтактного измерения линейных размеров, например толщины изделия, с использованием двух световых лучей, падающих на поверхность исследуемого объекта под определенным углом О, Лучи создают на поверхности объекта два освещенных пятна, расстояние между которыми зависит от удаления головки измерительного датчика от поверхности исследуемого объекта. Расстояние Я и смещение О исследуемой поверхности относительно ее номинального положения связаны следующим выражениемЗ=гойд О,где 0 - угол наклрна светового луча к исследуемой поверхности,При изменении положения поверхности объекта световые пятна сближаются или удаляются в зависимости от того, удаляется или приближается поверхность по отношения к головке датчика. В головке датчика измерителя имеется система линз и оптическое сканирующее устройство, которое при обзоре поверхности вырабатывает два импульса с интервалом времени, соответствующим времени последовател ьного сканирования световых, пятен. В таком случае временной интервал между импульсами пропорционален расстоянию между пятнами и в соответствии с приведенной формулой является мерой линейного смещения, Устройство может быть автоматизировано и использоваться в ГАП.Его недостатком является узкая функциональная возможность для целей измерения внутренних размеров, Измеряемое отверстие должно иметь размеры, превышающие габариты устройства вместе с источником лазерного излучения, которое целиком должно размещаться внутри измеряемого отверстия. Измерения проводятся в одноточечной схеме, поэтому искомый размер определяют как замыкающее звено измерительной размерной цепи, Обеспечение дополнительных точек контакта на измеряемой поверхности затруднено для тонкостенных деталей и деталей, изготовленных из мягких материалов.Известно другое оптическое устройство - интерференционный нутромер для бесконтактных относительных измерений диаметров отверстий. Пучки лучей подают на противоположные стенки измеряемого отверстия, затем, отразившись от них, идут обратно по прежним направлениям и интерферируют с пучками, прошедшими через опорное плечо интерферометра, В результате в поле зрения окуляра образуются две системы интерференционных полос, по величине смещения которых судят об изменении диаметра измеряемого отверстия,К недостаткам данной методики можно отнести возможность измерений диаметров отверстий только с зеркально отражающими поверхностями, т,е. шероховатостью не более 0,04 мкм по параметру йа В противном случае происходит диффузное оассеяние световых пусков при их отражении от поверхности и образование интерференционных полос становится невозможным. Невозможность автоматизации данного устройства, а также его повышение чувствительности к температурным колебаниям и другим внешним воздействиям резко ограничивают его применимость в ГАП.Цель изобретения - расширение диапазона контролируемых объектов за счет измерения отверстий с шероховатой поверхностью.Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно установленные в оптически связанные источники света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы,установленные по одной в каждом пучке, и регистратор, введены два зеркала, установленные по одному по ходу пучков света после соответствующих собирательных дина, регистратор выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом О, определяемым неравенство 90О180, Зеркала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника излучения.Устройство позволяет проводить измерение линейных внутренних размеров отверстий как с зеркальными, так и диффузно отражающими поверхностями, включая также легко деформируемые детали(тонкостенные или выполненные из мягких материалов). Устройство используется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от мик- роЭВМ, и легко может быть включено в состав ГАП.На фиг. 1 изображено устройство, принципиальная схема, на фиг, 2 - график распределения освещенности на площадке фотоприемника; на фиг. 3 - ход лучей в оптической системе при различных размерах контролируемого отверстия.Устройство содержит источник 1 света, 5 коллимирующую оптическую систему 2, светоделитель 3, фокусирующие линзы 4 и 5 зеркала 6 и 7, позиционно-чувствительный фотоприемник 8, усилитель 9 электрическо-, го сигнала и электронный блок 10 обработки 10 сигналов.Устройство работает следующим образом.Световой пучок от лазерного источника 1 проходит коллимирующую оптическую си стему 2, светоделителем 3 расщепляется на два пучка, которые подают на поверхность измеряемого отверстия 11 в двух противо-. положных точках.Рассеянные поверхностью отверстия 20 световые пучки проходят через фокусирующие линзы 4 и 5 и, отражаясь от граней зеркал б и 7, попадают на позиционно-чувствительный фотоприемник 8 в виде двух. отдельных распределений освещенности 25 (фиг. 2). Электрические сигналы от позиционно-чувствительного фотоприемника усиливаются, преобразуются в цифровую форму. Дальнейшая обработка сигналов заключается в вычислении координаты 30 максимума освещенности каждого из двух полученных распределений освещенности.Разность координат пропорциональная внутреннему размеру измеряемого отверстия. 35Значения выходных электрических сигналов зависят не только от интенсивности засветки той или иной ячейки (элемента) позиционно-чувствительного фотоприем-, ника, но и случайным образом от статиче ского разброса значений чувствительности к освещенности отдельных ячеек. Поэтому имеется вероятность смещения максимума сигнала по адресам ячеек по отношению.к его истинному значению, которое соответствовало бы наибольшей освещенности. Это в конечном счете приводит к погрешности определения внутреннего размера отверстия изделия, так как он фиксирует по разности координат размещения ячеек, дающих максимальный сигнал в обоих рас 50 пределениях, Точность отсчета координат может быть существенно повышена путем ного участка позиционно-чувствительного фотоприемника. Программируется вычисление на ЭВМ координаты центра тяжести линейки, состоящей из чувствительных эле- ментов фотоприемника, причем вместо соответствующей обработки на ЭВМ выходных сигналов всех ячеек в пределах засвечен масс элементов используют значения электрических сигналов, пропорциональных освещенности,Алгоритм вычисления координаты центра имеет вид)(ХЕ;где Е - значение сигнала засвеченного элемента матрицы позиционно-чувствительного фотоприемника;Х - координата засвеченного элемента.Вычисленная таким образом координата лучшим образом соответствует максимуму функции распределения освещенности, чем координата ячейки с максимальным сигналом. Увеличивается также разрешающая способность позиционно-чувствительного фотоприемника, которая ранее определялась размерами его отдельного элемента, Теперь при описанной системе обработки ее результат может представлять собой дробное число, что соответствует положению максимума освещенности светового пятна между двух элементов, которое нельзя было зафиксировать раньше.Поскольку устройство реализует двухточечную схему измерения, то совмещение линии измерения с измеряемым диаметром в общем случае производится известным способом, при котором измерительная головка перемещается в соответствующих плоскостях до получения экстремальных значений измеряемого размера,Для определения граничных значений внутреннего угла клинообразного зеркала светаделителя 3, а также угла наклона зеркал б и 7 принимается условие, чтобы отраженный луч Л выходил параллельно подающему лучу Л и внутренней поверхности измеряемого отверстия (в случае круглого отверстия параллельно образующей цилиндра) (фиг, 3). Положение зеркала 7 характеризуется углом наклона у его грани по отношению к зеркалу светаделителя 3, При этом исходным параметром считается угол наклона а грани зеркала светаделителя 3 по отношению к поверхности П. Угол а в эксплуатации устройства должен составлять более 45 и менее 90, т.е, находится в интервале 45 - 90, а внутренний угол О зеркала светоделителя 3 - соответственна в интервале значений 180О90. В противном случае, например при меньших значениях углов а и О, луч ОО перемещается от вертикали влево и, отразившись ат поверхности П, не попадает на зеркало 7,1712775 45 50 Угол между направлениями падающегои отраженного лучей в точке О (угол отклонения) в = 180 - 23; С другой стороны, угол в, как внутренний между параллелями Л и П и пересечением ОО, является дополнительным до 180 к углу 1800 - 2 а, т.е. а= =2 а. Приравнивая эти выражения одного и того же угла щ, получим 3 = 900 - а Тогда внутренний угол между зеркалами 6 и 7 равен =23= 180-2 а= 1800 - О, так как 2,а= О.В треугольнике АВС имеем для суммы углов (180- у)+(180- а)+ф=180. После подстановки в последнее равенство полученного выражения для угла ф.имеем у= =2700 - 2 а, или у= 2700 - О, При уменьшении угла у и следовательно угла ц, отраженный от зеркала светоделителя 3 луч поворачивается в сторону от оси отверстия к его стенке. Предельно допустимое уменьшение угла у и следовательно угла ц, по сравнению с полученными равенствами для этих углов, определяется размером измеряемого отверстия, При неограниченном уменьшении1углов у иотраженный луч Л не выйдет из отверстия и будет срезан его кромкой.При увеличении размера измеряемого отверстия (фиг. 3, новое положение нижней стенки увеличенного отверстия П обозначено штриховой линией) луч 0 О, отразившись от П, не попадает на зеркало 7 независимо от значения угла у, В таком случае для расширения пределов измерения рекомендуется перемещать, например с помощью микровинта, зеркало 7 вдоль оси головки в новое положение 7(обозначено штриховой линией).Устройство позволяет бесконтактным оптическим способом, используя двухточечную схему, проводить автоматические измерения линейных внутренних размеров сквозных и глухих отверстий как с зеркальными, так и диффузно отражающимиповерхностями, включаятакже легко деформируемые детали (тонкостенные или 5 выполненные из мягких материалов), Нетребуется высокая стабильность источникаизлучения, поскольку практически важна фиксация ячейки фотоприемника, имеющей относительный максимум освещенности по 10 сравнению с другими ячейками, Устройствоиспользуется в составе автоматизированного измерительного комплекса, управляемого от микроЭВМ, и легко может быть включено в состав ГАП,15 Формула изобретения 1, Оптическое устройство измерения линейных внутренних размеров, содержащее последовательно установленные и оптиче ски связанные источник света, коллимирующую оптическую систему, светоделитель, выполненный в виде клинообразного зеркала, формирующего два пучка света, две фокусирующие линзы, установленные по 25 одной в каждом пучке, и регистратор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых объектов, оно снабжено двумя зеркалами, установленными по одному по ходу, пучков 30 света после соответствующих фокусирующих линз, регистратор выполнен в виде позиционноо-чувствительного фотоприемника, а клинообразное зеркало выполнено с внутренним углом О, определяемым неравенст вом 90д 1800. 2. Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых линейных размеров, зер кала установлены с возможностью перемещения вдоль оси источника света,1712775Составитель М, Минин дактор М. Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор Л, Бе аказ 528 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбйнат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарин