устройство измерения продольных и поперечных смещений

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ СМЕЩЕНИЙ, содержащее лазер, оптико-электронный преобразователь и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что оптико-электронный преобразователь выполнен в виде светоделительной призмы, предназначенной для разделения луча на два, последовательно установленных по ходу первого луча первого дефлектора, предназначенного для развертки луча в горизонтальной плоскости, первых краевых фотодатчиков и фотодатчиков горизонтальных перемещений, последовательно установленных по ходу второго луча поворотных призм, второго дефлектора, предназначенного для развертки луча в вертикальной плоскости, вторых краевых фотодатчиков и фотодатчиков вертикальных перемещений, фотодатчики горизонтальных и вертикальных перемещений размещены на соответствующих измерительных опорах, устанавливаемых на контролируемой поверхности с возможностью перемещения измерительных опор вдоль направления распространения первого и второго лучей соответственно, опоры с краевыми фотодатчиками жестко связаны с контролируемой поверхностью, регистрирующее устройство выполнено двухканальным, каждый из которых состоит из четырех преобразователей ток - напряжение, четырех компараторов-формирователей, четырех коммутаторов, реверсивного счетчика, кварцевого генератора, блока питания, блока управления, мультиплексора, блока определения нуля и знака смещения, двух двоичных счетчиков, индикаторов временных интервалов поперечного и продольного смещений и индикатора знака перемещения, при этом выходы фотодатчиков горизонтальных перемещений и первых краевых фотодатчиков горизонтальных перемещений и первых краевых фотодатчиков соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого преобразователей ток - напряжение, которые являются соответствующими входами первого канала двухканального регистрирующего устройства, а выходы фотодатчиков вертикальных перемещений и вторых краевых фотодатчиков соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого преобразователей ток - напряжение, которые являются соответствующими входами второго канала регистрирующего устройства, каждый канал которого содержит первый, второй, третий и четвертый компараторы-формирователи, входами подключенные к выходам соответствующих преобразователей ток - напряжение, причем выход первого компаратора в каждом канале подключен к первым управляющим входам первого, второго коммутаторов и первому информационному входу блока управления, выход второго компаратора подключен к второму управляющему входу первого коммутатора и первому управляющему входу третьего коммутатора, выход третьего компаратора соединен с вторым управляющим входом третьего коммутатора и первым управляющим входом четвертого коммутатора, выход четвертого компаратора соединен с вторыми управляющими входами второго и четвертого коммутаторов и вторым информационным входом блока управления, кварцевый генератор подключен к синхровходам каждого из коммутаторов и третьему информационному входу блока управления, реверсивный счетчик, первый и второй информационные входы которого связаны соответственно с выходами первого и четвертого коммутаторов, а выход соединен с входом индикатора временных интервалов поперечного смещения и входом блока определения нуля и знака смещений, выходом соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и входом индикатора знака перемещений, первый и второй двоичные счетчики входами подключены к выходам второго и третьего коммутаторов соответственно, а выходы соединены соответственно с первым и вторым информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, а выход - с входом индикатора временных интервалов продольного смещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к фотоэлектрическим позиционно-чувствительным лазерным измерителям перемещений, и может быть использовано для измерений продольных и поперечных смещений, в том числе, с целью определения величины отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей в станкостроении.

Известно устройство для измерения отклонений от прямолинейности, принятое за аналог, содержащее лазер, оптико-электронный преобразователь и регистрирующее устройство.

Оптико-электронный преобразователь представляет собой четырехквадратную фотодиодную матрицу, сигнал с выхода которой поступает на регистрирующее устройство. Измерения осуществляются при перемещении каретки с фотодиодной матрицей вдоль оси лазерного луча с фиксированным интервалом путем регистрации отклонений фотодиодной матрицы относительно луча.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность измерений, связанная с относительным непостоянством углового положения источника света и ОЭП, перераспределением интенсивности в сечении светового пучка и влиянием случайных вариаций показателя преломления из-за неоднородности воздушной среды на трассе измерений, высокая трудоемкость, большие временные затраты и процедурная сложность измерений.

Известно устройство для измерения отклонений от прямолинейности, принятое за прототип, содержащее лазер, ОЭП и регистрирующее устройство. Оптико-электронный преобразователь содержит светоделительную призму, оптически связанную с лазером и с первым и вторым фотопреобразователями, при этом выход второго фотопреобразователя соединен с первым входом сумматора, а выход первого фотопреобразователя соединен с входом фильтра, постоянная времени которого зависит от текущей дальности между лазером и первым фотопреобразователем, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход которого, в свою очередь, соединен с входом регистрирующего устройства.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность измерений, связанная с перераспределениями интенсивности в сечении светового пучка, влиянием случайных вариаций показателя преломления из-за неоднородности воздушной среды вдоль трассы измерений, погрешностями электронной схемы, высокой трудоемкостью, большими временными затратами и процедурной сложностью измерений.

Целью изобретения является повышение точности, автоматизация измерений и, как следствие, снижение трудоемкости, уменьшение временных затрат и существенное упрощение процедуры измерений.

Указанная цель достигается тем, что устройство содержит лазер, ОЭП и РУ, а ОЭП светоделительную призму, оптически связанную с лазером и с первым дефлектором, обеспечивающим развертку луча в горизонтальной плоскости и через поворотные призмы с вторым дефлектором, обеспечивающим развертку луча в вертикальной плоскости, первый дефлектор оптически связан с фотодатчиками горизонтальных перемещений и первыми краевыми фотодатчиками, второй дефлектор с фотодатчиками вертикальных перемещений и вторыми краевыми фотодатчиками.

Регистрирующее устройство содержит два идентичных измерительных канала, при этом выходы фотодатчиков горизонтальных перемещений и первых краевых фотодатчиков и выходы фотодатчиков вертикальных перемещений и вторых краевых фотодатчиков соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого преобразователей ток-напряжение, которые являются соответствующими входами регистрирующего двухканального устройства, каждый канал которого содержит первый, второй, третий и четвертый компараторы-формирователи, входами подключенные к выходам соответствующих преобразователей ток-напряжение, причем выход первого компаратора в каждом канале подключен к первым управляющим входам первого, второго коммутаторов и первому информационному входу блока управления, выход второго компаратора подключен к второму управляющему входу первого коммутатора и первому управляющему входу третьего коммутатора, выход третьего компаратора соединен с вторым управляющим входом третьего коммутатора и первым управляющим входом четвертого коммутатора, выход четвертого компаратора соединен с вторыми управляющими входами второго и четвертого коммутаторов и вторым информационным входом блока управления. Кварцевый генератор подключен к синхpовходам каждого из коммутаторов и третьему информационному входу блока управления, реверсивный счетчик, первый и второй информационные входы которого нагружают соответственно выходы первого и четвертого коммутаторов, а выход соединен с входом первого индикатора временных интервалов и входом блока определения нуля и знака смещений, выходом соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и входом индикатора знака перемещений. Первый и второй двоичные счетчики входами подключены к выходам второго и третьего коммутатора соответственно, а выходы соединены соответственно с первым и вторым информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, а выход с входом второго индикатора временных интервалов.

На фиг. 1 приведена оптико-геометрическая схема и показано взаимное расположение основных функциональных элементов устройства; на фиг. 2 эпюры токовых импульсов, формируемых с помощью краевых и регистрирующих импульсных фотодатчиков горизонтального и вертикального сканирования; на фиг. 3 блок-схема регистрирующего устройства.

Устройство содержит лазер 1, ОЭП и двухканальное регистрирующее устройство.

ОЭП содержит светоделительную призму 2; первый дефлектор-многогранная цилиндрическая зеркальная призма горизонтального сканирования 3; поворотные призмы 4,5; второй дефлектор многогранная цилиндрическая зеркальная призма вертикального сканирования 6; первые краевые фотодатчики 7; фотодатчики 8 горизонтальных перемещений, вторые краевые фотодатчики 9, фотодатчики 10 вертикальных перемещений.

Каждый канал регистрирующего устройства содержит первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14 преобразователи ток-напряжение; первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18 компараторы-формирователи; первый 19, второй 20, третий 21, четвертый 22 коммутаторы; блок 23 управления; кварцевый генератор 24; реверсивный счетчик 25; индикатор 26 временных интервалов для идентификации поперечных смещений; индикатор 27 знака перемещений; блок 28 определения нуля и знака смещений; первый 29 и второй 30 двоичные счетчики; мультиплексор 31; индикатор 32 временных интервалов для идентификации продольных смещений; блок 33 питания.

Устройство работает следующим образом.

В качестве излучателя используется одночастотный Не-Ne лазер 1 (см.фиг. 1). Световой пучок проходит через светоделительную призму 2 и делится на два луча, один из которых, проходя без отклонения дальше, попадает на грань вращающейся с постоянной угловой скоростью многогранной цилиндрической зеркальной призмы 3 и разворачивается в горизонтальной плоскости по экрану юстируемого двухщелевого импульсного фотодатчика 8 горизонтальных перемещений.

Второй луч, отраженный под углом 90^о по отношению к первому, проходя через поворотные призмы 4 и 5, также направляется на грань многогранной цилиндрической зеркальной призмы 6 и разворачивается в вертикальной плоскости по экрану юстируемого двухщелевого импульсного фотодатчика 10 вертикальных перемещений. Краевые фотодатчики 7 и 9 служат для ограничения сектора сканирования и формирования опорных стробимпульсов. Фотодатчики вертикальных и горизонтальных перемещений выполнены в отдельных корпусах закрепляемых на измерительных опорах, которые, в свою очередь, закрепляются на контролируемой поверхности связями, допускающими перемещение измерительных опор и корпусов с фотодатчиками вдоль направления распространения лазерного луча. Краевые фотодатчики также в корпусном исполнении закрепляются на опорах, которые, в свою очередь, жестко закрепляются на контролируемой поверхности в непосредственной близости от дефлекторов.

Элементы А и Б при необходимости служат для предварительной юстировки блока сканирования.

Луч лазера сканируется по поверхности экранов двухщелевых импульсных фотодатчиков 8 и 10. При прохождении луча через щелевые фотодатчики с частотой _o формируется периодическая последовательность колоколообразных токовых импульсов. Положение этих импульсов во времени однозначно связано с пространственным положением краевых и щелевых фотодатчиков (L_o, L_io, L_i) и расстояниями между ними (l_o l_i). Измеряя временные интервалы между импульсами, можно получить информацию о смещении.

Временной интервал t_oп между опорными импульсами с краевых фотодатчиков 7, 9 связан с угловой скоростью вращения зеркальной призмы _o, шириной просвета l_o и расстоянием от призмы до диафрагмы L_oсоотношением

t_оп arctg(l_o/L_o)

(1)

Очевидно, что положение опорных импульсов можно считать строго фиксированным во времени при условии достаточной стабилизации угловой скорости вращения призмы.

Интервал между импульсами с регистрирующих фотодатчиков 8,10 при его максимально допустимом удалении

t_io arctg(l_i/L)

(2)

Измеряя t_io имеем результатом L_io или L_i, при измерении интервала t_i в любом положении фоторегистрирующих фотодатчиков в зоне измерений (см.фиг.2).

Однако измерение t_i или t_i не дает информации о поперечном смещении. Поперечное смещение измеряют по интервалу t_i а так как

t_i arctg(x/L_i)

(3) то смещение

x=L_itg(_ot_i)

(4)

Расчет показывает, что, поскольку угловое расхождение лазерных пучков Не-Ne лазеров 0,002 рад, путем диафрагмирования легко ограничить пятно лазерного пучка диаметром 1,5-2 мм в плоскости экрана двухщелевых импульсных фотодатчиков 8, 10 в положении их максимального удаления от блока сканирования. В этом случае габариты экрана, положение и размеры щелевых диафрагм фотодатчиков легко оценить.

Для того чтобы реализовать точность измерений смещений x 0,1-1,0 мкм, необходимо измерять временные интервалы между измерительными и опорными импульсами длительностью в 10⁵ раз более короткой чем t_oпСледовательно, длительность счетных импульсов при t_oп= 10 м/с равна

₂ t_oп /10⁵ 10^-2 10^-5 10^-7 c (5)

Таким образом ясно, что счетная часть электронной схемы измерений вполне может быть выполнена на интегральных микросхемах 531 серии (быстродействие до 30 МГц).

С учетом t_oп= 10^-2 с и параметров оптико-механического сканирования легко определить угловую _o и циклическую n6000 об/мин скорость вращения зеркальной призмы с единственной отражающей гранью.

Несложно пересчитать скорость вращения для случая использования многогранных призм.

Главной заботой при реализации устройства будет проблема стабилизации скорости вращения _o Оценки показывают, что девиация частоты вращения, для надежного обеспечения указанной точности измерений, определяемой длительностью счетных импульсов, не должна превышать

0,001%

(6)

Очевидно, что эта задача является наиболее сложной в рамках реализации устройства, но по отношению к другим, широко используемым в практике измерений, устройствам (автоколлиматорным, интерференционным, лазерно-фотометрическим и др.), практически единственной.

Устройство свободно от всех недостатков, присущих известным устройствам в связи с относительной простотой реализации оптико-механической системы.

Конструктивно устройство может быть выполнено в виде двух блоков.

Блока сканирования лазерного луча, все элементы которого размещаются в одном общем корпусе. Крепление элементов жесткое, взаимная юстировка оптических элементов производится только на стадии метрологических испытаний. Крепление корпуса блока сканирования жесткое к платформе, обеспечивающей возможность плавного перемещения блока в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью микрометрических винтов, при подготовке системы к изменениям.

Блока регистрации. Фотодатчики вертикального и горизонтального сканирования и соответствующие схемные решения электронных блоков формирования реперных импульсов вертикального и горизонтального смещений должны быть выполнены в отдельных корпусах, закрепляемых на измерительных опорах, которые, в свою очередь, закрепляются на контролируемой поверхности связью, допускающей перемещение измерительной опоры и корпуса с фотодатчиками вдоль направления распространения лазерного луча. Крепления корпусов с датчиками к измерительной опоре выполнены с жесткими связями, позволяющими регулировать положение этих корпусов в горизонтальном и вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной к лазерному лучу (на фиг.1 указанные направления отмечены обоюдоострыми стрелками) с помощью микрометрических винтов, при подготовке системы к измерениям. Краевые фотодатчики (с соответствующими схемными решениями, также в корпусном исполнении закрепляются на опорах, которые жестко фиксируются на контролируемой поверхности в непосредственной близости от дефлекторов.

Для формирования светового пучка в устройстве используется одномодовый Не-Ne лазер ЛГН-208А непрерывного режима работы, предназначенный для использования в прецизионных фотоэлектрических и оптико-механических системах.

Оптико-электронный преобразователь выполнен с использованием светоделительной призмы, трех простых прямоугольных призм, двух многогранных вращающихся зеркал с внешним отражающим слоем, фотодиодов ФД-256.

Регистрирующее устройство имеет два идентичных канала для одновременного измерения отклонений от прямолинейности в двух ортогональных плоскостях, при этом преобразователи ток-напряжение выполнены на микросхемах К 284 УД1А, а другие исполнительные устройства выполнены с использованием микросхем К 544 УД2,КР 531 ТВ9, ЛАЗ, ИЕ16, 155 АП26, АЛС338Б, кварц 30 МГц.

Как показали расчеты, при использовании вполне доступной отечественной элементной базы можно реализовать измерения временных интервалов с ошибкой на уровне 10^-5 10^-7 по отношению к опорной частоте сканирования. При этом, измерения отклонений в вертикальной и горизонтальной плоскостях будут осуществляться с точностью не хуже 0,5-0,1 мкм/м по всей длине измерений.

Основная проблема в реализации устройства сводится к необходимости жесткой стабилизации частоты и скорости развертки лазерного луча, что является непростой, но вполне разрешимой задачей с учетом допустимости измерений при сравнительно низких частотах сканирования лазерного луча.

Достоинством устройства является также то, что достигается большая простота регистрации и обработки результатов измерений, существенно снижаются квалификационные требования к пользователю, обеспечивается возможность процессорной реализации алгоритма, что позволяет автоматизировать процесс измерений.

Сканирование лазерных пучков в двух взаимно-ортогональных направлениях и обработка результатов измерений с помощью ЭВМ позволяют измерять неплоскостность и непараллельность в указанных направлениях, а также различные виды кручений, волнистость поверхностей и координату точки измерений, развивать на основе этого устройства измерители других параметров, в частности определять погрешности позиционирования деталей, измерение радиальных биений и угловых отклонений, несоосности шпинделя и пиноли, отклонений от параллельности направляющих суппорта и оси вращения, угловые отклонения суппорта и пиноли и т.д. Таким образом, при определенных доработках, устройство допускает многообразные применения для целей измерений в машиностроении.