Устройство для измерения линейных размеров

Устройство для измерения линейных размеров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и производительности измерений за счет одновременного сканирования противоположных границ объекта двумя симметричными коллинеарными пучками одинакового порядка дифракции. Устройство содержит неподвижный излучатель 1, сканирующую дифракционную решетку 2, закрепленную на сканаторе 3, стоящем на направляющей, параллельной оптической оси излучателя 1, неподвижную дифракционную решетку 5, параллельную решетке 2. Эти решетки формируют два пучка лучей 1-го порядка дифракции, сканирующих параллельно оптической оси навстречу друг другу и "прощупывающих " границы объекта 6. Фокусирующая система 7 направляет пучки на фотоприемники 10 и 11, информация с которых поступает в электронную схему 12. Пучок лучей 2-го порядка дифракции направляется на образцовую меру длины - спектрометрическую щель и попадает на фотоприемник 16, выход которого 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.

СООЗ ССВЕТСНИХ

СОЮаЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51 j 5 С 01 В 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬ ТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4423822/24-28 (22) 05.04.88 (46) 15.08.90. Бюп. Р 30 (71) Украинский научно-исследовательский институт станков и инструментов и Одесский государственный университет им. И.И.Мечникова (72) А.В.Алексеев-Попов, Г.Я.Кивензор, П.П.Епишин и С.А.Гевелюк (53) 53 1.7 (088.8) (56) Лазерное сканирующее устройство — бесконтактный измерительный прибор„ LTS "Zygo" Проспект фирмы

ORIEL (ФРГ), 1986, „.ЯУ,„, 158566

2 (54) УСТРОЙСТВО лЛЯ 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

1585668

50 ческой оси излучателя 1, неподвижную дифракционную решетку 5, параллельную решетке 2. Эти решетки формируют два пучка лучей 1-ro порядка дифракции, сканирующих параллельно оптической оси навстречу друг другу и "прощупывающих" границы объекта 6. Фокусирующая система 7 направляет пучки на фотоприемники 10 и 11, информация с которых поступает в электронную схему 12. Пучок лучей 2-ro порядка диИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизированного 20 бесконтактного измерения линейных размеров, пространственного положения и геометрических параметров объектов в машиностроении, в частности в гибких производственных системах. 25

Цель изобретения — повышение точности и производительности измерений sa счет одновременного сканирования противоположных границ объекта двумя симметричными коллинеарными ф пучками одинакового порядка дифракции.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2основные элементы оптической схемы

35 устройства, линейные и угловые расстояния между ними; на фиг. 3 показаны траектории движения лучей, сканирующих границы объектов R,, R u границы щи,$ à также пояснен 40 смысл основных обозначений; на фиг ° 4структурная схема задающего генератора; на фиг. 5 и 6 — структуры первого и второго вариантов электронной схемы; на фиг. 7 — принципиаль- 45 ная схема формирователя сигналов фотоприемников; на фиг. 8 и 9 показаны диаграммы основных сигналов задающего генератора и электронной схемы и входного формирователя.

Устройство содержит излучатель 1 (лазер), оптическая ось которого перпендикулярна плоскости штрихов ска-. нирующей дифракционной решетки 2, укрепленной на сканаторе 3, стоящем на направляющей 4, параллельной оптической оси излучателя 1.

Неподвижная дифракционная решетка 5 установлена параллельно плосфракции направляется на образцовую меру длины — спектрометрическую щель и попадает на фотоприемник l6 выход которого 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 выпол1 иена голографической трехмерной с синусоидальным законом модуляции диэлектрической проницаемости ° Контролируемый 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 которых 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 t4, 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 ИПЛ-30 К1, неподвижный отражатель 17 которого укреплен на тыльной стороне решетки 5, а собственно интерференционный блок 18 прикреплен .к сканатору 3 так, что его

1585668.оптическая ось совпадает с оптической осью пучка нулевогo порядка дифракции, Устройство работает следующим образом.

Пучок коллимированного монохроматического излучения от излучателя 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 Q = — (30-45 ). Размер решетки 5 выбирают равным диапазону измерения. Для измерения больших объектов решетки 5 может быть выполнена из двух симметрично 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 Р

На фиг. 3 а, б показаны траектории пучков А, и Аг, сканирующих с амплиту( дой 1>tg 0Ä по отношению к точкам

1 tg О и -1 tg О, положение границ контролируемого объекта R u R . Фики сация промежутков времени отсчитанных от моментов реверса направления сканирования до моментов затемнения, и, определяемых как моменты пересечения границ объекта

R, и R г оптическими осями пучков

А и А позволяет измерить линейный г размер объекта L из соотношения

Аналогичные операции происходят при 50 обратном ходе пучков Л1 и Аг.

При одновременном сканировании контролируемого объекта 6 и образцо" вого объекта-щели 15 шириной S (траектория опорного пучка показана на фиг. За) размер объекта находят из соотношения:

= R — R = 2tg В (1 — 1 + о л (., + E

+ S -------)

2С з

Электронная 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 коньюнкторов 24 и 25. Выходы узлов 27 и

28 соединены со входами сумматора

29, подключенного по входу буферного накопителя 30 значений 2(+ )/Т ьi Ф Ф 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 фаториемником 16, два буферных накопителя 31 и 32 значений С / Г ь г/ 7 необходимых для измерения положения границ объекта R < и К

При этом второй вход коньюнктора 26 отсоединен от входа 5 схемы и подключен к выходу BHQBb введенного формирователя 23. Таким образом, буферный накопитель 30 служит теперь для накопления значений (i„ + iz)/ з, необходимых для измерения размеров объекта 6 по сравнению с шириной щели 15.

На фиг. 8 представлены диаграммы основных сигналов U — U электрон1 1о ной схемы 12, поясняющие принцип ее работы, заключающийся в формировании входных сигналов, выделения промежут ков времени от момента реверса до моментов затемнения сканирующего пучка,.

6 превращении их в числовую форму и

1585668 нормировании на промежутки времени, равные Т/2 или

Формирователь 23 состоит из двух последовательно соединенных дифференцирующих звеньев, триггеров Шмитта, 5 формирователей импульсов по передним и задним фронтам, коньюнкторов и выходного RS-триггера., Преобразование сигналов на входе схемы формирователя, поясненное ди аграммами на фиг. 9 состоит в двой ном дифференцировании входного сигна-, ла U, имеющего пологую форму, плавающую постоянную составляющую. По этим причинам невозможно непосредственно применение порогового элемента, тогда как совместная обработка сигналов после одинарного (U „) и двойного (U ) дифференцирования позволяет точйо определить моменты наиболее рез кого изменения интенсивности пучков излучения А, А, и А, т.е. моменты прохождения оптической оси каждого из пучков мимо границы объекта 6 или 25 щели 15.

Затем осуществляется формирование продифференцированных сигналов в прямоугольные (U — U ) и определение положения соответствующих фронтбв (U1 — U ), управляющих входами RSтриггера, на выходе которого формируется окончательный сигнал Ug.

Выполнение формирователя 23 обеспечивает самосинхронизацию при обработке сигналов и, таким образом, поз35 воляет .избежать воздействия случайных импульсных помех как в оптическом тракте, так и на входе электронного.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения линейных размеров, содержащее оптически связанные излучатель, узел сканирования, фокусирующую систему, задающий генератор, выход которого связан с узлом сканирования, электронную схему, содержащую хронометрический узел и

50 блок индикации, выход фотоприемника связан с входом электронной схемы, отличающееся тем, что, с. целью повышения точности и производительности измерений, оно снабжено вторым фотоприемником, узел ска55 нирования выполнен в виде пары идентичных дифракционных решеток, плоскости которых перпендикулярны оптической оси излучателя, а среднее расстояние между решетками выбирается из условия 1

Л

2mЛ где L — диапазон измерений;

d — - 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 симметрично оптической оси, в фокусах которых размещены первый и второй фотоприемники, соединенные соответст венно с первым и вторым входами электронной 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 чувствительной площадки которого превышает 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.

1535668

Фиг.2

1585668

l 585668

Фиг,7

1585668 и, и„

Составитель В.Шабанова

ТехРед Л.Сердюкова

Корректор С.Шекмар

Редактор Л.Пчолинская

Заказ 2321 Тираж 495 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С СР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101