Устройство для измерения линейных размеров

СООЗ ССВЕТСНИХСсаЕЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 1/5 С 01 В 11/00 РЕТЕНИЯ ОСУДАРСТНЕННЦЙ НОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯРИ ГННТ СССР(71) Украинский научно-исследовательский институт станков и инструментови Одесский государственный университет им. И,И.Мечникова(56) Лазерное сканирующее устройство - бесконтактный измерительный прибор ЬТЯ "2 уцо": Проспект фирмыОК 1 ЕЬ (ФРГ), 1986,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, Целью изобретения является повышение точности и производительности измерений за счет одновременного сканирования противоположных границ объекта двумя сим. метричными коллинеарными пучками одинакового порядка дифракции, Устройства содержит неподвижный излучатель 1, сканирующую дифракционную решетку 2, закрепленную на сканаторе 3, стоящем на направляющей, ,параллельной опти-71585668 50 ческой оси излучателя 1, неподвижнуюдифракционную решетку 5, параллельнуюрешетке 2. Эти решетки формируют двапучка лучей 1-го порядка дифракции,сканирующих параллельно оптическойоси навстречу друг другу и "прощупывающих" границы объекта 6. Фокусирующая система 7 направляет пучки нафотоприемники 10 и 11, информация скоторых поступает в электронную схему 12, Пучок лучей 2-го порядка диИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может бытьиспользовано для автоматизированного 20бесконтактного измерения линейных размеров, пространственного положения игеометрических параметров объектовв машиностроении, в частности в гибких производственных системах. 25Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений за счет одновременного сканирования противоположных границ объектадвумя симметричными коллинеарными щпучками одинакового порядка дифракции.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на Фиг. 2 основные элементы оптической схемы35устройства, линейные и угловые расстояния между ними; на фиг. 3 показаны траектории движения лучей, сканирующих границы объектов К 11 В играниць щ ли,з а также пояснен 40смысл основных обозначений; на Фиг4 структурная схема задающего генератора; на фиг. 5 и 6 - структуры первого и второго вариантов электронной схемы; на фиг. 7 - принципиальная схема Формирователя сигналов фотоприемников; на фиг. 8 и 9 показаны диаграммы основных сигналов задающего генератора и электронной схемыи входного формирователя,Устройство содержит излучатель 1(лазер), оптическая ось которого перпендикулярна плоскости штрихов ска-.нирующей дифракционной решетки 2,укрепленной на сканаторе 3 р стоящемна направляющей 4, параллельной оптической оси излучателя 1.Неподвижная дифракционная решетка 5 установлена параллельно плосфракции направляется на образцовуюмеру длины - спектрометрическую щельи попадает на фотоприемник 16, выходкоторого также подключен к электронной схеме 12. Устройство также снабжено преобразователем перемещений(интерферометр Майкельсона) для контроля расстояния между решетками, оптическая ось его совпадает с оптической осью пучка нулевого порядка дифракции. 2 з,п, Ф-лы, 9 ил. кости сканирующей решетки 2 и выполиена голографической трехмерной с синусоидальным законом модуляции диэлектрической проницаемостиКонтролируемый объект 6 помещен в рабочем пространстве между неподвижной решеткой 5 и Фокусирующей системой 7, состоящей из двух идентичных фокусирующих элементов 8 и 9, симметрично расположенных по отношению к оптической оси излучателя 1. В фокусах элементов 8 и 9 установлены соответственно фотоприемники 10 и 11, выходы кото" рых подключены к первому и второму входам электронной схемы 12, выход которой соединен с блоком 13 индикации, а входы синхронизации - с первым и вторым выходами задающего генератора 14, третий выход которого подключен к сканатору 3.Устройство содержит также дополнительную меру 15 длины, выполненную, например, в виде спектрометрической щели, центр которой лежит на оптической оси дифрагированного пучка, например, второго порядка, а кромки щели перпендикулярны плоскости сканирования, За щелью укреплен Фото- приемник 16, чувствительная площадка которого превышает ширину щели. Выход фотоприемника 16 подключен к третьему входу электронной схемы 12,Для расширения диапазона измерения устройство снабжено преобразователем перемещений для контроля среднего расстояния между решетками 2 и 5, например, интерферометром Майкельсона типа ИПЛК 1, неподвижный отражатель 17 которого укреплен натыльной стороне решетки 5, а собственно интерференционный блок 18 прикреплен к сканатору 3 так, что его.оптическая ось совпадает с оптической осью пучка нулевого порядка дифракции,Устройство работает следующим образом.5Пучок коллимированного монохроматического излучения от излучателя 1 падает по нормали на сканирующую дифракционную решетку 2, например голографическую, укрепленную на сканаторе, и движущуюся, например, по треугольному закону, Выделенные пучки +1 порядка, попадают на неподвижную дифракционную решетку 5 и диафрагируют вторично. Оптимальные углы для пучков + 1 порядков составляют Я = - (30-45 ). Размер решетки 5 выбирают равным диапазону измерения. Для измерения больших объектов решетки 5 может быть выполнена из двух симмет" рично расположенных частей. После дифракции падающих пучков на решетке 5 выделяют два коллинеарных пучка А, (+1, -1) и А (-1, +1), оптические 25 оси которых параллельны оптической оси излучателя 1.Вследствие сканирования расстояние между осями пучков изменяется. Эти измерительные пучки используются аналогично губкам микрометра для измерения расстояния между границами конт ролируемого объекта К,.и РНа Фиг. 3 а, б показаны траектории пучков А, и А 2, сканирующих с амплиту(дой 118 О( по отношению к точкам 18 О и -1 О, положение границ контролируемого объекта К и Е , фикл сация промежутков времениотсчитанных от моментов реверса навления сканирования до мо тов е х ка атемненияоменты пересеч определ ия границ ими осями бъектаучковинейный птичезволяекта и А 2 азмер оизмерит из соо ени л,+ 22 р В 1 - 1 (1 - 2 --- )ОТ Пронтрого анировании 6 и образцо" риной Б (трапокаэана на находят из одновременнолируемого объбъекта-щелия опорного пу к ши екторфиг.соотн а) размер объектшения: Аналогичные операции происходят при 50обратном ходе пучков Л и А 2.= К - В = 2 СК В (1 - 1 + 2 -Ол1 +28 )2 СзЭлектронная схема устройства работает следующим образом.Задающий генератор 14 состоит иэ последовательно соединенных кварцованного высокочастотного генератора 19 импульсов, делителя частоты 20 и подключенных к его выходу счетных триггеров 21 и 22 соответственно с прямым и инверсным входами (фиг. 8),Электронная схема 12 содержит соединенные фотоприемниками 10 и 11 входные формователи 23, выходы которых связаны со входами коньюнкторов ЗИ 24 и 25. Вторые входы коньюнкторов 24 и 25 подключены к входу 4, а третьи - к входу 5. К этим же входам 4 и 5 подсоединены входы коньюнк тора 26, его выход связан с опорными входами узлов 27 и 28 нормирования, измерительные входы которых подключены соответственно к выходам коньюн" кторов 24 и 25. Выходы узлов 27 и 28 соединены со входами сумматора 29, подключенного по входу буферного накопителя 30 значений 2(л +Г )/Ту необходимых для измерения размера объекта б.При работе с образцовой мерой длины, щелью 15, в электронную схему 12 (см. Фиг. 6) введен еще один Формирователь 23, соединенный с фоториемником 16, два буферных накопителя 31 и 32 значений С, / Г 22/ сэ необходимых для измерения положения границ объекта йи К При этом второй вход коньюнктора 26 отсоединен от входа 5 схемы и подключен к выходу вновь введенного формирователя 23. Таким образом, буферный накопитель 30 служит теперь для накопления значений (+ 2)/ э, необходимых для измерения размеров объекта 6 по сравнению с шириной щели 15.На фиг. 8 представлены диаграммы основных сигналов Б - Б электрон 1 и( ной схемы 12, поясняющие принцип ее работы, заключающийся в формировании входных сигналов, выделения промежут ков времени от момента реверса до моментов затемнения сканирующего пучка,г тени о м у 1. Устройство дл ных размеров, соде связанные иэлучате измерения линейащее оптически узел сканировастему, задающий орого связан с узектронную схему, ический узел и50 ния, генер лом окусирующую с тор, выход ко анирования, эащую хрономет ндикации, вых с входом эле и ч а ю щ е е соде блок од отоприемник связ троннои схемы,с я тем, что,т с. целью повыше водительности(ия точности и произизмерений, оно снабже(риемником, узел скалнен в виде пары иден(ионных решеток, плосно вторым фото нирования выло тичных дифракт нормировании на промежутки времени,равные Т/2 илиФормирователь 23 состоит из двухпоследовательно соединенных дифференцирующих звеньев, триггеров Шмитта,5формирователей импульсов по передними задним фронтам, коиьюнкторов и выходного КБ-триггера., Преобразование сигналов на входесхемы формирователя, поясненное диаграммами на фиг, 9 состоит в двойном дифференцировании входного сигна-,ла Ц , имеющего пологую форму, плавающую постоянную составляющую. По этимпричинам невозможно непосредственноприменение порогового элемента, тогда как совместная обработка сигналовпосле одинарного Ж ) и двойного(О ( ) дифференцирования позволяетточйо определить моменты наиболее резкого изменения интенсивности пучковизлучения А , А, и А, т.е. моментыпрохождения оптической оси каждогоиз пучков мимо границы объекта 6 или 25щели 15,Затем осуществляется формированиепродифференцированных сигналов в прямоугольные (Б- П ) и определениеположения соответствующих Фронтов 30(П 1 ь П(з ) управляющих входами КБтриггера, на выходе которого Формируется окончательный сигнал ПВыполнение формирователя 23 обеспечивает самосинхронизацию при обработке сигналов и, таким образом, поз 35воляет .избежать воздействия случайных импульсных помех как в оптическом тракте, так и на входе электронкости которых перпендикулярны оптической оси излучателя, а среднее расстояние между решетками выбирается из условия 12 шЛ где Ь - диапазон измерений; Й - период решетки; ш - порядок дифракции; 3 - длина волны излучения, первая решетка установлена с возможностью колебаний вдоль оптической оси, а вторая неподвижна, плоскости дифракции обеих решеток совпадают с плоСкостью измерения, фокусирующая система выполнена в виде двух одинаковых фокусирующих элементов, расположенных в плоскости измерения сим" метрично оптической оси, в фокусах которых размещены первый и второй фотоприемники, соединенные соответст венно с первым и вторым входами элект ронной схемы.2. Устройство по п. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено образцовой концевой мерой длины, выполненной в виде спектрометрической щели, плоскость которой перпендикулярна оптической оси пучка лучей любого, кроме нулевого и первого порядка дифракции, а кромки щелей перпендикулярны плоскости сканирования, и, третьим фотоприемником, размер чувевь ствительнои площадки которого пр шает апертуру щели, а выход фотоприемника подсоединен к третьему входу электронной схемы.3. Устройство по пп. 1 и 2, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, оно снабжено измерительным преобразователем взаимного положения дифракционных решеток, выполненным в виде интерферометра Мейкельсона, отражатель которого укреплен на тыльной поверхности подвижной дифракционной решетки, интерференционный блок измерительного преобразователя связан с корпусом узла сканирования установленного с. возможностью перемещения вдоль оптической оси излучателя, совпадающей с оптической осью интерферометра Мейкельсона, а фотоприемный узел преобразователя подключен к входу блока индикации.1585668 и,Составитель В,Шабановадактор Л.Пчолинская Техред Л.Сердюкова Корректор С.Шекмар роизвоцственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагари аказ 2321 Тираж 495НИИПИ Государственного комитета по изобретениям113035, Москва, Ж, Раушская н Подписноеоткрытиям при ГКНТ ССР д. 4/5