накладной прибор для измерения геометрических параметров цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей

Формула изобретения

1. Накладной прибор для измерения радиуса цилиндрической поверхности, включающий корпус, снабженный поворотными башмаками, опирающимися двумя контактными элементами на измеряемую цилиндрическую поверхность, и установленный на корпусе измерительный преобразователь, отличающийся тем, что измерительный преобразователь выполнен в виде двух координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей, каждый из которых оптически связан с отражательным элементом, закрепленным на оси поворота противолежащего башмака, посредством оптической системы, в которой оптически сопряженные полупроводниковый лазер, коллимирующая линза, разделительный блок призм смонтированы между башмаками, причем отражательные элементы выполнены в виде призм с прямыми двугранными углами, при этом каждый из координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей соединен с вычислителем, снабженным оперативным запоминающим устройством и устройством с записью программы вычислений.

2. Накладной прибор для измерения радиуса цилиндрической поверхности по п. 1, отличающийся тем, что между отражательными элементами и установленными последовательно по ходу оптического луча фокусирующими линзами размещены дифракционные решетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения геометрических параметров цилиндрической поверхности деталей, а именно к измерению радиусов кривизны тел вращения в тяжелом машиностроении.

Широко известны накладные приборы для измерения радиусов кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей, содержащие корпус в виде короткой штанги, опирающейся на измеряемую поверхность с помощью закрепленных по концам штанги опорных элементов, например роликов или призм, и измерительный преобразователь, размещенный на корпусе по его центральной оси (Рубинов А. Д. Контроль больших размеров в машиностроении. Справочник. Л.: Машиностроение, Ленинградское отд., 1982, с.127-130).

Измерение известными приборами осуществляется путем контроля геометрических элементов дуги, стягиваемой хордой, проходящей через точки опоры, расстояние между которыми известно. В качестве контролируемого геометрического элемента, как правило, используется высота сегмента, образованного хордой и стягиваемой ею дугой. При измерении крупногабаритных деталей отклонения высоты сегмента от номинального значения несоизмеримо малы по сравнению с величиной радиуса, что предъявляет исключительно высокие требования к точности измерения высоты сегмента. Кроме того, отрицательное влияние на точность измерения оказывают изгибные деформации корпуса от усилия прижатия прибора к измеряемой детали, а также деформации от температурных градиентов в корпусе прибора.

Известен накладной прибор для измерения радиусов кривизны цилиндрических поверхностей, содержащий два опорных башмака, соединенных между собой гибкой лентой (Рубинов А.Д. Контроль больших размеров в машиностроении. Справочник, Л.: Машиностроение, Ленинградское отд., 1982, с.135).

В известном приборе определение радиуса кривизны цилиндрической поверхности осуществляется путем измерения длины дуги между осями башмаков и угла между ними, измерение которого производится посредством гравитационных инклинометров. Использование в качестве контролируемого элемента указанного угла снижает погрешность измерения радиуса кривизны. Однако приборы такой конструкции не нашли применения из-за отсутствия компактных и высокоточных инклинометров.

Наиболее близким к изобретению является накладной прибор для измерения радиуса кривизны цилиндрических поверхностей крупногабаритных деталей, включающий корпус, снабженный поворотными башмаками, опирающимися двумя контактными элементами на измеряемую цилиндрическую поверхность, и установленный на корпусе измерительный преобразователь. Контактными элементами поворотных башмаков являются призмы, попарно установленные на двух линейках, а измерительный преобразователь размещен по центральной оси прибора. В процессе измерения прибор самоустанавливается на цилиндрической поверхности детали и при ее вращении преобразователь фиксирует отклонение реальной поверхности от идеальной средней окружности, образованной семейством касательных (Бирюков Г. С., Серко А.Л. Измерения геометрических величин и их метрологическое обеспечение. М.: Стандарты, 1987, с. 328-329).

После соответствующей калибровки измерение радиуса кривизны известным прибором может осуществляться по отклонениям от номинального значения высоты сегмента, определяемого точками касания, что обуславливает (как и в первом аналоге) недостаточную чувствительность прибора к приращениям радиуса и повышает погрешность измерения. Кроме того, на точности измерений отрицательно сказываются изгибные деформации корпуса от механического воздействия и температурных градиентов.

Задачей изобретения является создание накладного прибора, обеспечивающего высокую точность измерения геометрических параметров цилиндрических поверхностей крупногабаритных деталей.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности измерений за счет снижения погрешностей, повышения чувствительности прибора к приращениям радиуса и исключения влияния изгибных деформаций корпуса.

Указанный технический результат достигается тем, что в накладном приборе для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности, включающем корпус, снабженный поворотными башмаками, опирающимися двумя контактными элементами на измеряемую цилиндрическую поверхность, и установленный на корпусе измерительный преобразователь, согласно изобретению, последний выполнен в виде двух координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей (КЧФЭП), каждый из которых оптически связан с отражательным элементом, закрепленным на оси поворота противолежащего башмака, посредством оптической системы, в которой оптически сопряженные полупроводниковый лазер, коллимирующая линза, разделительный блок призм смонтированы между башмаками, причем отражательные элементы выполнены в виде призм с прямыми двугранными углами, при этом каждый из координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей соединен с вычислителем, снабженным оперативным запоминающим устройством и устройством с записью программы вычислений.

Между отражательными элементами и установленными последовательно по ходу оптического луча фокусирующими линзами размещены дифракционные решетки.

Наличие в приборе измерительного преобразователя в виде двух КЧФЭП, каждый из которых оптически связан с отражательным элементом, закрепленным на оси поворота противолежащего башмака, причем центр каждого из КЧФЭП располагается в точке с нулевым влиянием изгибных деформаций корпуса, позволяет измерять радиус кривизны посредством контроля угла поворота башмаков с повышенной точностью за счет того, что углы поворота отсчитываются от прямой линии, проходящей через центры вращения башмаков.

В случае изгиба корпуса световые лучи при входе в отражательные элементы и на выходе из них смещаются параллельно самим себе, что не вызывает смещения лучей в фокальных плоскостях фокусирующих линз, то есть не изменяет отсчеты, снимаемые с КЧФЭП.

Закрепление отражательных элементов на осях поворота башмаков при установке каждого из преобразователей в противолежащих точках корпуса увеличивает базу измерения угла их поворота, которая соизмерима с длиной корпуса, при этом угол поворота отраженного луча удваивается по сравнению с углом поворота отражательного элемента в силу известного в оптике свойства. Это повышает чувствительность прибора к превышениям радиуса и снижает тем самым погрешность измерения.

Дифракционные решетки, размещенные между отражательными элементами и фокусирующими линзами, приводят к появлению дополнительных дифракционных максимумов, что позволяет снизить погрешность измерения радиуса кривизны и расширяет диапазон измеряемых углов.

Количество дифракционных максимумов определяется особенностями дифракционной решетки. Например, при диаметре светового луча на решетке около 10 мм, шаге решетки около 0,1 мм, длине волны 0,8 мкм в угле 30^o расположено около 120 максимумов, угловое расстояние между которыми около 25". Наличие строгой математической связи между угловым положением максимума с известным порядковым номером и параметрами решетки позволяет расчетным путем определить угол поворота каждого из отражательных элементов по всей совокупности максимумов, перемещающихся по линейной матрице КЧФЭП.

Известно, что угловое расстояние между нулевым максимумом и максимумом с порядковым номером n существует следующая зависимость:



где ₁,₂,..._n - углы между нулевым максимумом и максимумом n-го порядка;

- длина волны лазера;

n - порядковый номер максимума;

d - шаг дифракционной решетки.

Основным условием отсутствия вероятности потери информации о положении отражательного элемента является наличие на чувствительной поверхности КЧФЭП не менее двух дифракционных порядков одновременно. Высокая точность измерений требует выполнения предварительной калибровки прибора с использованием нулевого максимума.

Таким образом, применение дифракционных решеток дает два положительных эффекта:

- увеличивается точность измерения координат световых пятен на оси чувствительности КЧФЭП за счет осреднения случайных погрешностей по всем максимумам;

- расширяется диапазон углов поворота опорных башмаков, которые могут быть измерены, т.к. веер световых пучков, создаваемых дифракционной решеткой, жестко связан с положением максимума нулевого порядка и немного перекрывает угловой размер диапазона измерений, определяемого длиной чувствительной поверхности КЧФЭП.

Алгоритм обработки информации, снимаемой с КЧФЭП, заключающийся в вычислении координаты энергетического центра (центра тяжести) светового пятна в соответствии с выражением:



где Х_о - координата энергетического центра светового пятна;

X_i - координаты центра каждой площадки;

I_i - фототок на каждой отдельной площадке;

позволяет достичь чувствительности к смещению светового пятна порядка 0,2 мкм. При этом погрешности, связанные с разбросом чувствительности отдельных элементов КЧФЭП, геометрическими положениями, неравномерностью чувствительности в пределах каждого элемента, сглаживаются за счет большого числа освещенных площадок. Это обеспечивает снижение погрешности измерения углов поворота башмаков и повышает точность определения радиуса кривизны.

На основании предварительного вычисления и усреднения координаты световых пятен вычислителем производится расчет углов поворота башмаков и определение радиуса кривизны измеряемой цилиндрической поверхности.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлено схематическое изображение измерительной части прибора - продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А с фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б с фиг. 1; на фиг.4 - схема калибровки прибора; на фиг.5 - диаграмма распределения световой энергии, возникающей на чувствительной поверхности КЧФЭП; на фиг.6 - геометрическая схема измерения предлагаемым прибором.

Накладной прибор по изобретению (фиг.1, 2) содержит корпус 1 с башмаками 2, установленными с возможностью поворота вокруг осей 3 и опирающимися на измеряемую цилиндрическую поверхность 4 опорными роликами 5. Измерительный преобразователь прибора включает два КЧФЭП 6, оптически сопряженных с соответствующими противолежащими отражательными элементами, центр каждого из которых расположен на корпусе 1 в точках с нулевым влиянием изгибных деформаций корпуса на величину измеряемых углов поворота башмаков 2. КЧФЭП 6 связаны с отражательными элементами, закрепленными на осях 3 посредством оптической системы, которая включает оптически сопряженные полупроводниковый лазер 7, коллимирующую линзу 8, разделительный блок призм 9, отражательные элементы 10 в виде призм с прямыми двугранными углами, дифракционные решетки 11, фокусирующие линзы 12.

Элементы оптической системы размещены в корпусе 1 таким образом, что лазер 7, коллимирующая линза 8, разделительный блок призм 9 установлены в нижней его части между башмаками 2, не препятствуя своим расположением ходу отраженного луча, а отражательные элементы 10 с дифракционными решетками 11 и фокусирующие линзы 12 расположены вблизи осей 3 башмаков 2. При этом отражающие элементы 10 посредством держателей 13 с зажимными устройствами 14 закреплены непосредственно на осях 3, а дифракционные решетки 11 - на отражательных элементах 10. Для достижения большей компактности прибора на чувствительной поверхности КЧФЭП установлена призма 15 (фиг.3). Каждый из КЧФЭП соединен своими выходными контактами с вычислителем 16, снабженным оперативным запоминающим устройством и устройством с записью программы вычислений, реализующей процедуру вычисления радиуса кривизны измеряемой поверхности 4 с идентификацией порядкового номера дифракционных максимумов, создаваемых дифракционными решетками 11.

Для калибровки прибора используют прямолинейный эталонный брус 17 и расчетные концевые меры 18 (фиг.4).

Предлагаемый накладной прибор работает следующим образом. Для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности 4 прибор предварительно калибруют с помощью бруса 17 и расчетных концевых мер 18 (или без них). Перед установкой на эталон зажимные устройства 14 должны быть ослаблены, а перед снятием с эталона затянуты, в результате чего отражательные элементы 10 жестко закреплены на осях 3 башмаков 2, а прибор подготовлен в заданном диапазоне радиусов кривизны. Откалиброванный прибор устанавливают на измеряемую поверхность 4, при этом башмаки 2 опорными роликами 5 самоустанавливаются на поверхности и принимают строго определенное положение, соответствующее измеряемому радиусу. Лазер 7, коллимирующая линза 8 и разделительный блок призм 9 формируют два параллельных пучка света, направляемых на противоположные отражательные элементы 10. После выхода из отражательных элементов каждый отраженный пучок лучей имеет угловое положение, соответствующее угловому положению одного из отражателей, а значит, и одного из башмаков. Пучки лучей дифрагируют на дифракционных решетках 11 и фокусируются линзами 12 на чувствительной поверхности КЧФЭП 6. Благодаря дифракционной решетке на указанной поверхности КЧФЭП вместо одного светового пятна возникает совокупность геометрически связанных между собой пятен. КЧФЭП преобразует энергию световых пятен в импульсы фототоков, которые несут информацию о координате каждого из пятен (фиг. 5).

Вычислитель 16 определяет координаты пятен, усредняет их, вычисляет угол поворота башмаков и радиус кривизны цилиндрической поверхности на данном участке измерения и выдает эту информацию на цифровое табло.

Измеряемые углы поворота опорных башмаков определяются следующими соотношениями:

₁= _{расч.эт.1изм.1},

₂= _{расч.эт.2изм.2},

где _{расч.эт.1,2} - углы, задаваемые эталоном по предварительному расчету;

_изм.1,2, измеряемые углы поворота опорных башмаков.

При этом измеряемые приращения углов _изм.1,2 определяются соотношением:



где Х_o - координата энергетического центра светового пятна при измерении детали;

Х_эт - координата энергетического центра светового пятна при установке на эталон;

L - расстояние от главной точки фокусирующего элемента до чувствительной поверхности КЧФЭП.

Расчет измеренного значения радиуса детали (фиг. 6) производится в соответствии со следующим выражением:

R = f(A,H,B,r,₁₂),

где А - расстояние между осями поворота башмаков;

Н - высота оси поворота башмаков над прямой, проходящей через центры опорных роликов каждого башмака;

В - расстояние между осями опорных роликов в одном башмаке;

r - радиус опорного ролика;

₁,₂ - углы поворота опорных башмаков.

Прибор предлагаемой конструкции обеспечивает высокую точность измерения. Так, при длине корпуса прибора около 800 мм погрешность измерения угла составит примерно 0,25"".

Эта точность не является избыточной, т.к. при измерении диаметра крупногабаритных деталей необходимо учитывать макрогеометрию поверхности, выражающуюся в наличии волнистости, в присутствии высших гармоник погрешностей в линейных дуговых координатах поверхности.

Погрешность измерения предлагаемым прибором гладкой детали при отсутствии погрешностей формы составляет величину не более 0,01 мм при диаметре 1000 мм.

Рассмотренное устройство позволяет получить информацию об отклонениях формы поперечных сечений любых цилиндрических поверхностей любого диаметра путем пошагового контроля отклонений текущего радиуса кривизны. Открывается возможность создания алгоритмов восстановления истинной формы поверхности по результатам многократных измерений при перемещении прибора с некоторым шагом по всему контуру детали. При этом естественно погрешность измерения накапливается, что и требует высокой чувствительности в каждой точке измерения.