Способ определения радиусов кривизны сферических поверхностей и устройство для его осуществления

(088.8)к технолога-оптикаение, 1983, с.1045.90Парня717.вочностр Сл Ж и поль- роизкрики о т осу и расповерхдиусовтей. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптико-механическом производстве при технологическом и аттестационном контроле радиусов кривизны сферических поверхностей оптических и механических деталей. Цельюизобретения является повышение точности измерений эа счет фокусировани Изобретение относися к измтельной технике и может быть изовано в оптико- механическомводстве, приборостроении и машистроении .при технологическом итестационном контроле радиусоввизны и отклонения от сферичносферических поверхностей оптичи механических деталей.Целью изобретения являетсяшение точности измерений за счществления фокусировки пучковна контролируемую поверхностьширение класса контролируемыхностей за счет обеспечения радиффузиопрограммных поверхнос пучков только на поверхность и расширение класса контролируемых поверхностей за счет обеспечения возможности определения радиусов кривизны диффузии отражающих поверхностей. Дляэтого формируют два световых пучкас изображением марки с помощью проекционных систем, фокусируют их наповерхность в точку с заданным радиусом кривизны симметрично относительно нормали в этой точке. Из отраженных пучков оптическая приемная система формирует иэображения марок,которые затем совмещают. Не изменяявзаимного расположения пучков,смещают их в исследуемую точку, вновь фокусируют их на поверхность и по смещению марок в плоскости изображечиясудят о радиусе кривизны в исследуемой точке. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - принципиальная оптическая схема оптического узла; на фиг.3 схема структуры двух изображений марки на светочувствительной поверхности фотоприемника.Устройство содержит основание 1 (фиг.1), на котором закреплены шпиндель 2 и кронштейны 3. Поворотный блок 4 шпинделя может вращаться вокруг вертикальной оси О 1-О. На его верхней плоскости установлен узел крепления и ориентации контролируемой детали. Столик 5 этого узла имеет по периферии четыре рукоятки, с помощьюдвух из которых выполняют наклоны оптической оси сферической поверхности : контролируемой детали вокруг двух взаимно ортогональных осей перпенди 5 кулярных оси 0-0, а с помощью двух других - линейное смещение вдоль этих двух осей.Для изменения положения контролируемой детали по высоте на столик 5 установлены одна из сменных втулок 6, отличающихся разной высотой, и механизм подъема. Последний состоит из втулки 7, оправы 8 со штифтом 9, входящим в паз втулки 7 для исключения поворота оправы 8 и обеспечения ее смещения по высоте при вращении навернутой на ее резьбу гайки 10. На механизме подъема установлена оправа 11, на поверхности 12 которой крепит ся контролируемая деталь 13.Измерительная часть устройства включает оптический узел 14 (фиг.2), закрепленный на измерительной пиноли15, которая имеет возможность линейного, перемещения на шарикоподнипниках 16 вдоль направления, образующего полярный радиус-вектор.Отсчет перемещений измерительнойпиноли осуществляется с помощью преобразователя 17 линейных перемещений.Этот преобразователь включает отражающую дифракционную решетку 18, закрепленную на пиноли 15, и фотоэлектрическую головку 19, измерительнаяинформация с которой поступает в вычислительное устройство пульта управления и информации. Приноль приводится в движение электродвигателем 20- через редуктор 21, ходовой винт 22 40и гайку 23. Для управления скоростьюдвижения пиноли в редукторе установлен тахогенератор 24.Измерительная часть устройствасобрана на кронштейне 25, закрепленном на поворотной части шпинделя 26вокруг оси 0-04, образующей полярнуюось поворота. Отсчет полярного углаэтого поворота осуществляется с помощью преобразователя угловых перемещений, состоящего из круговой шкалы27 и фотоэлектрической головки 28(привод этого поворота на фиг.1 не показан). В качестве шпинделя 26 спреобразователем угловых перемещений55возможно использование серийно выпускаемой оптической делительной головки ОДГЦ с цифровым отсчетом. Осиустройства Ои 0-0 выставлены с необходимой точностью перпендику-1лярно одна к другой и с допустимым их взаимным непересечением.Пульт управления и индикации из- Ъмерительной информации включает электронный блок 29 преобразования электрических сигналов изображений с анализатора оптического узла в угловые отклонения нормали сферической поверхности от полярного радиуса-вектора, блок 30 для преобразования сигналов с преобразователя линейных перемещений, блок 31 для управления перемещением измерительной пиноли и блок 32 для индикации измерительной информации.Для контроля установки положения сферической поверхности контролируемой детали относительно осей шпинделей 0-0 и 0 зустройство включает установленный на кронштейне 33 контактный индикатор 34.На измерительной пиноле 15 установлен оптический узел (фиг.2), который состоит из источника 35 света, например светодиода с длинноволновой областью спектра излучения, конденсатора 36, марки 37, выполненной в виде прозрачной щели на непрозрачной подложке, и диафрагмы 38. Далее по ходу лучей установлены линза 39, светоделительное зеркало 40, делящее пучок света от источника света на два пучка, две проекционные системы, одна из которых содержит два зеркала 41 и 42 и объектив 43, а другаязеркало 44 и объектив 43. Оптические оси объективов 43 и 43 проекционных систем расположены в полярнокоординатной измерительной плоскости устройства и пересекаются в точке фокусирования объективов на оси полярного радиуса-вектора под равнымиуглами к последнему. Каждая из проекционных систем проектирует изображение марки на контролируемую поверхность объекта измерений. В обратномходе лучей (после их отражения отконтролируемой поверхности) изображения марки формируются приемной оптической системой, образованной элементами двух указанных проекционныхсистем и светоделительным зеркалом40 и включающей также линзу 45 и отсчетно-измерительный блок 46. Последний состоит из куб-призмы с полупрозрачной гипотенузной гранью, ди1562691 40 5афрагмы 47, фотоприемника 48, кубпризмы 49, марки 50 и окуляра 51.Устройство работает следующим образом.Перед началом измерений контролируемая деталь устанавливается так, чтобы ось ее сферической поверхности была совмещена с осью вращения О-О поворотного блока 4 (фиг.1) шпинделя 2, а вершина сферической поверхности ,находилась на заданном расстоянии О,О з от полярной оси устройства О -О, например на номинальном размере радиуса сферы. На фиг,2 в качестве приме ра взята плосковыпуклая линза, хотя может быть любая другая. При ориентации линзы сначала вращениемдвух рукояток наклона столика 5 добиваются, чтобы при вращении шпинделя 2 торцо вое биение плоскости 12 оправки 11, в которой крепится контролируемая деталь, было минимальным в допустимых пределах. Контроль биения производится по индикатору 34, закрепленному, 25 в,стойке на.кронштейне 3. Затем индикатор 34 устанавливается так, чтобы он контактировал с измеряемой сферической поверхностью в ее периферийной части, При вращении шпинделя 2 с помощью поворота двух других рукояток столика 5 смещают контролируемую деталь .по двум взаимно перпендикулярным направлениям так, чтобы радиальное биение детали 13 было так 35 же минимальным в допустимых пределах,После этого вращают гайку 10, которая не имеет возможности осевого перемещения по внутренней резьбе, благодаря чему оправа 8, на резьбу которой навернута гайка 10, смещается по высоте. Вращением гайки 10. добиваются, чтобы вершина О, находилась на определенном расстоянии О О от 45 полярной оси О -О , Контроль располо 3жения по высоте осуществляется с помощью того же индикатора 34, перед настройкой выставленного, например, по концевым мерам определенную высоту от установочной поверхности стойки с выдерживанием размера Н (фиг.2). С помощью гайки 10 настройка по высоте производится микрометренно в небольшом диапазоне, а весь диапазон55 расположения по высоте разрых сферических поверхностей от выпуклых до вогнутых осуществляется с помощью разновысоких сменных втулок 6. 6При настроенной для измерений контролируемой детали 13 выбранное для контроля меридиональное сечение ее сферической поверхности перпендикулярно полярной координатной оси поворота устройства, а координатная ось полярного радиуса-вектора (линии перемещения измерительной пиноли 15, фиг.1) совмещена с осью сферической поверхности, Это положение соответствует нулевому отсчету полярного углас преобразователя угловых перемещений, При этом пучок лучей от источника 35 излучения (фиг.2) с помощью конденсатора 36 освещает марку 37 находящегося в фокальной плоскости объектива 39. Пройдя диафрагму 38 и линзу 39, лучи света с помощью светоделительного зеркала 40 направляются в две проекционные системы, которые проектируют с помощью зеркал 41 и 42 и объектив 43 в одной системе и спомощью зеркала 44 и объектива 43 в другой два изображения марки на измеряемую сферическую поверхность в ее вершине. Оптические оси объективов 43 и 43 проекционных систем находятся в плоскости полярного радиусавектора устройства и в плоскости меридионального сечения сферическойповерхности, наклонены под равнымиуглами к полярному радиусу-векторуи пересекаются на радиусе-векторе вточке, которая находится в фокальной,плоскости объективов 43 и 43 и в которой проектируются два иэображениямарки 37. При наведении проекционныхсистем на контролируемую поверхностьточка пересечения осей этих системсовмещается с вершиной О сферической поверхности, При отражении отнее оба пучка лучей света проходят вобратном ходе оптические элементыпроекционных систем и с помощью светоделительного зеркала 40 направляются в линзу 45 приемной оптическойсистемы. С помощью линзы 45 и кубпризмы 49 с полупрозрачной гипотенузной гранью два изображения марки проектируются в плоскости марки 50, наблюдаемой через окуляр 51, в плоскости диафрагмы 47, расположенной перед фотоприемником 48. На фиг.2 показан в качестве примера двухэлементный фотоприемник, но вместо него возможно, использование других многоэлементных фотоприемников (4-квадратных,линейных и матричных приборов с зарядовой связью и т.п,), светочувствительная поверхность фотоприемника оптически сопряжена с диафрагмой 38,5В этом исходном положении измерений электрические сигналы с фотоэлектрической головки 19 поступают в блок 30 преобразования сигналов с преобразователя линейных перемещений, сигНалы световых марок - с ФотоприемНика оптического узла 14 в электронНый блок 29 преобразователя сигналов Изображений марки с фотоприемника, а электрические сигналы полярного угЛа с фотоэлектрической головки 28 в блок 32 для индикации измерительНой информации. Эти сигналы соответствуют начальным отсчетным значениям полярного радиуса-вектора 0 0 Н, угла д=О отклонения нормали в вершине О сферической поверхности от полярного радиуса-вектора и полярного угла (=О. В плоскости сетки и на светочувствительной поверхнос ги Фотоприемника две световые марки совмещены 25 (Фиг,З), их энергетические центры соОтветственно С 1 и С г совпадают с энергетическим центром С двух наложенных изображений марки и с линией раздела двух элементов Фотоприемника, 30В процессе измерения радиусов кривизны сферической поверхности поворачивают измерительную пиноль на Ьолярные угпывокруг полярной оси О з-О шпинделя 26, при этом координатная ось полярного радиуса-вектора Оз-О занимает новое положение Оз-О, как это показано на фиг.2, При этом точКа пересечения оптических осей проекционных систем перемещается по сфе О ре 52 и совпадает с точкой М сферической поверхности. Из-за этого два изображения марки в плоскости анализа (сетки и фотоприемника) смещаются в противоположные стороны одно отно сительно другого. По сигналу с электронного блока 29 или вручную через блок 31 для упрвления работой электродвигателя 20, осуществляющего через редуктор и механическую передачу винт - гайка перемещение измерительной пиноли с установленным на ней оптическим узлом, производят перемещение пиноли до тех пор, пока два изображения марки не совместятся одно с другим. При этом осуществляется совмещение (наведение) точки пересечения оптических осей проекционных систем с точкой М измеряемой сферической поверхнос ги, и производят отсчет значения полярного радиуса-вектора. За счет этого повышается точность наведения и измерения радиуса- вектора путем удваивания расстояния смещения изображений марок.При наведении на точку М сферической поверхности и при отклонении нормали поверхности в этой точке от направления полярного радиуса-вектора пучки лучей, проектирующих изображения марки на поверхность, при отражении от последней отклоняются на угол 2 Д, Главные (центральные) лучи пучков наклонены относительно оптических осей объективов проекционных систем, а в приемной оптической системе они совмещаются и пересекают плоскость фотоприемника в точке С , смещенной от линии раздела элементов фотоприемника на величину йа, как это показано на фиг.З,б, Смещение энергетического центра двух наложенных и совмещенных изображений марки определяет разностный сигнал с двух элементов фотоприемника, по величине которого при тарировке прибора может быть измерен угол д отклонения нормали в точке М. Тарировка может быть произведена по образцовому оптическому клину.Рассмотренный ход оптических лучей в приемной оптической системе устройства имеет место как для поверхностен с зеркальным отражением, так и для тех поверхностей, которые при своей структуре, характерной для шлифовальных поверхностей с диффузным рассеиванием нормально падающего на них регулярного светового потока видимой области спектра, приобретают свойства зеркального отражения при наклонном падении светового излучения длинноволновой области спектра, как это осуществляется в предлагаемых решениях.Погрешности наведения на точку М вызывают смещение изображений в разные .стороны на одинаковую величину,ДЬравную(Фиг.З,в), но при этом энергетический центр С наложенных и частично перекрывающих одно другое изображений марки сохраняет прежнее неизменное положение, определяемоевеличиной угла Дф.Определив значение угла д, выполняют вычисление радиусов кривизныК сверической поверхности по зависимостиз 1 п Ж1 +з 1 п егде Н - значение радиуса-вектора ввершине сферической поверхОности при нулевом значенииполярного угла;полярный угол в точке профиля меридионального сечениясферической поверхности Д(- угол отклонения нормали ксферической поверхности относительно полярного радиуса-вектора, причем знаки"+", " в " угла определяются 20направлением отклонения нормали в сторону увеличенияили уменьшения полярного угла соответственно,Поворачивая контролируемую деталь 25вокруг оси О 1 - О, можно аналогичнопроизвести измерение радиусов кривизны в разных меридианальных сечениях.Кроме измерения радиуса кривизнычерез вычисление по указанной формуле, с помощью устройства можно определить отклонение радиуса кривизныконтролируемой сферы как разностьмежду первым значением полярного радиуса-вектора, отсчитываемым при наведении на вершину этой сферы, кото 35рую устанавливают от полярной оси нарасстоянии номинального значения радиуса сферы, и между каждым из последующих значений полярного радиуса-, 4 Овектора, отсчитываемым при наведениина разные точки поверхности сферы,которая может быть шлифованной илиполированной. Спомощью предлагаемогоустройства возможно также определение радиуса кривизны проверяемой полированной сферы как разности междузначениями полярного радиуса-векто- .ра, отсчитываемыми при каждом значении полярного угла при наведении на 50точку контролируемой сферы и на центркривизны этой сферы.Кроме контроля сфер, способ и уст-ройство могут быть использованы дляконтроля точности формы других криво 55линейных поверхностей второго и болеевысоких порядков (гиперболоидов, параболоидов, эллипсоидов и т,д.), Точность формы этих поверхностей может определяться по двум параметрам: по углуотклонения нормалей к фактической поверхности от нормали к расчетной в тех же точках профиля меридионального сечения поверхности, по асферичности поверхности, как ее отступлению от сферы ближайшего радиуса или других сфер сравнения.Угол у отклонения нормалей определяется по формуле( Е+ ЛЧ) Чрснсч фгде е. - полярный угол в точке профиля меридионального сечения проверяемой криволинейной поверхности;Де - измеренное значение углаотклонения нормали к криволинейной поверхности относительно текущего значения полярного радиуса-вектора;расчетное значение угларссчнормали к криволинейнойповерхности относительнополярного радиуса-векторавыбранной сферы сравнения.Линейная величина асферичности определяется аналогично, как отклонение радиуса кривизны для сферических шлифованных или полированных поверхностей.Формула изобретения1. Способ определения радиусов кривизны сферических поверхностей, заключающийся в том, что формируют световой пучок с изображением марки, фокусируют пучок на контролируемую поверхность в исследуемой точке, формируют из отраженного пучка изображение марки и определяют радиус кри 1 визны, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения класса контролируемых поверхностей, предварительно формируют дополнительный световой пучок с изображением марки, направляют основной и дополнительный пучки в точки контролируемой поверхности с заданным радиусом кривизны так, что направления их распространения симметричны относительно нормали в данной точке и лежат в меридиональной плоскости, проходящей через исследуемую точку, фокусируют изображения марок на по-верхность в точке с заданным радиусом кривизны, формируют изображениямарок из отраженных основного и дополнительного пучков, совмещают этиизображения и смещают основной и дополнительный пучки в меридиональнойплоскости при заданном их взаимномрасположении до освещения ими исследуемой точки, фокусируют дополнительный пучок с изображением марки наповерхность в исследуемой точке иформируют иэ отраженного дополнительного пучка изображения марки а определение радиуса кривизны осуществляют по смещению марок в плоскостиизображения. 2. Устройство для определения радиусов кривизны сферических поверхностейсодержащее основание, размещенные на основании узел крепления и ориентирования контролируемой поверхности относительно оси узла и измерительную пиноль установленную с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси узла крепления, и поступательного перемещения вдоль оси, перпендикулярной оси поворотапиноли, и оптический узел, включающий последовательно установленныеисточник света, марку, диафрагму,первую проекционную систему и оптическую приемную систему, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности и расширения койтролируемых поверхностей, оно снабжено отличительно-измерительным блоком для определения поперечного смещения марки, размещенного в плоскости изображения приемной системы оптического узла, а оптический узелвыполнен с второй проекционной системой, проекционные системы установлены так, что их оптические оси расположены в плоскости, перпендикуляр 20 ной оси вращения пиноли, и ориентированы под углом друг к другу, оптитическая проекционная система размещена так, что ее оптическая ось расположена в плоскости установки проек 25 ционных систем и совпадает с биссектрисой угла, образованного перемещением оптических осей проекционныхсистем,156269 б г г оставитель В.Бахтиехред Л.Олийнык Корректор М.Кучерява едакто Подписно Т СС ри Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул агарина, 1 О Заказ 1054 Тираж ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москва