Способ активного контроля размеров изделия в процессе его шлифования

Способ активного контроля размеров изделия в процессе его шлифования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машино-, станко- и приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий, в первую очередь, с прерывистой поверхностью (золотников, плунжеров, шестерен, шлицевых и гладких валиков, сверл, фрез, зенкеров, разверток, метчиков, калибров, концевых мер длины, протяжек и др.) на операциях шлифования на кругло-, плоско- и других типах шлифовальных станков.

Современные контактные приборы активного контроля (ПАК) в процессе обработки изделия с прерывистой поверхностью должны включать для наконечника: датчик перемещений и управляемый фрикционный привод.

Датчики перемещений наконечника ранее массово создавали на основе индуктивных преобразователей с точностью на уровне 1-5 мкм, а теперь все чаще используют более точные оптические и в т.ч. растровые датчики.

Управляемые фрикционные приводы должны обеспечивать двунаправленное управляемое активное движение наконечника и возможность фрикционного проскальзывания в виде обратного, пассивного движения при ударном его выталкивании выступами перемещаемой детали.

Исследованиями показано, что для гарантированного механического контакта изделия и наконечника скорость движения последнего v_н должна быть на (10…15)% больше скорости съема v_с припуска с изделия, т.e. v_н=(1,10…1,15)⋅v_с (Леун В.И. «Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизионных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля». Докт. диссерт. С-Петербург, 1994). При проектировании ПАК учитывают значения v_с для разных этапов обработки: для чернового шлифования - v_черн=200…500 мкм/с; для чистового шлифования - v_чист=10…50 мкм/с; для выхаживания v_вых=0,5…2,0 мкм/с.

Таким образом, для управляемых фрикционных приводов в ПАК, создаваемых, как правило, на основе гидро-, пьезо- и электроприводов необходимо управлять скоростью движения наконечника v_н в широких пределах с соотношением скоростей для этапов чернового шлифования и выхаживания - v_черн/v_вых=1000. А с учетом потребности быстрого приближении к детали со скоростью не менее ~5 мм/с перед началом измерений это соотношение будет еще выше.

Одноконтактные ПАК более наглядны, поэтому для лучшей демонстрации предлагаемого будет представлен именно этот вариант.

Известен способ активного контроля линейных размеров изделий с прерывистыми поверхностями (способ-аналог), реализованный на основе устройства для линейных измерений (АС СССР №1328157, МПК B23Q 15/00, опубл. в бюл. №4, 10.02.2008), используют подвижный измерительный стержень с закрепленным на нем наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе пьезопривода, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством этого пьезопривода управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к вращающейся (или перемещающейся) поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью неподвижного магнитопровода с катушками индуктивности и подвижного сердечника, установленного на измерительном стержне, преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.

Недостатками данных способа-аналога являются:

1) ограничение точности измерений

- наводок и помех от высокочастотного высоковольтного сигнала управления пьезопривода,

- из-за температурных погрешностей наконечника и изделия,

- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,

2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:

- измерения шероховатости R_a и угла наклона α поверхностей выступов,

- проведения бесконтактных измерений,

- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,

- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.

3) сложная схема как управляемого регулятора скорости при его сборке, настойке и юстировке, так и схемы управления высоковольтного (напряжение сигнала управления ~1000-2000 В) пьезопривода.

Известен способ активного контроля линейных размеров изделий (способ-аналог), реализованный на основе устройства для активного контроля линейных размеров изделий (патент RU 2316420, МПК В24В 49/00, 10.02.2008), который заключается в том, что используют трехгранный подвижный измерительный стержень со сквозным отверстием с закрепленным на нем подвижным сердечником, а на его торце наконечником, за счет использования трех граней измерительного стержня фиксируют от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе электромагнитного исполнительного механизма, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством электромагнитного исполнительного механизма управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к перемещающейся поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью подвижного сердечника и магнитопровода с катушками преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.

Недостатками данного способа-аналога являются:

1) ограничение точности измерений

- из-за температурных погрешностей наконечника и изделия,

- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,

2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:

- измерения шероховатости R_a и угла наклона α поверхностей выступов,

- проведения бесконтактных измерений,

- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,

- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.

Наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности предлагаемому изобретению является способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности (способ-прототип, патент RU 2557381, МПК В24В 49/00, G01B 7/12, 10.06.2015), включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника с заданной скоростью в направлении к поверхности изделия до возникновения механического контакта между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, используют наконечник из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, посредством лазерного излучения создают входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня и освещают им под заданным углом падения внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника, при этом в зоне контакта наконечника с изделием формируют отраженный световой поток и тепловой поток, интенсивность которого связана с температурой наконечника, направляют упомянутые потоки через упомянутое отверстие измерительного стержня для измерения их параметров, отделяют отраженный световой поток от теплового, преобразуют измеряемый параметр отраженного светового потока в электрический сигнал для расчета текущей координаты наконечника, измеряют интенсивность теплового потока и формируют второй электрический сигнал, связанный с текущей температурой наконечника, с учетом которого корректируют значение линейного размера обрабатываемого изделия.

В этом способе-прототипе также входной световой поток радиально смещают от оси измерительного стержня, на внутренней стороне боковой поверхности наконечника выделяют две противоположные рабочие площадки с заданными углами наклона и используют их в качестве первой и второй зон отражения, освещают входным световым потоком первую зону отражения, передают входной световой поток внутри наконечника ко второй зоне отражения для создания отраженного светового потока.

Кроме того, в этом способе-прототипе число зон отражения устанавливают больше двух и включают в это число зон рабочую зону отражения.

Помимо этого, в данном способе-прототипе входной световой поток радиально смещают от продольной оси измерительного стержня, перед тыльной поверхностью наконечника устанавливают оптическую систему, с помощью которой отклоняют распространяющийся входной световой поток для освещения рабочей зоны отражения в наконечнике и формируют отраженный световой поток, отклоняющийся оптической системой.

Также в этом способе-прототипе задают значение угла падения входного светового потока на рабочую зону отражения в наконечнике.

В этом способе-прототипе также в качестве измеряемого параметра отраженного светового потока используют фазовый набег.

Недостатками этого способа-прототипа являются следующие:

1) ограничение точности измерений

- из-за температурной погрешности изделия,

- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,

2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:

- измерения шероховатости R_a и угла наклона α поверхностей выступов,

- проведения бесконтактных измерений,

- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,

- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.

Указанная задача обеспечиваются тем, что способ активного контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности, включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника в направлении к поверхности изделия, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, использование наконечника из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, создание посредством лазерного излучения входного светового потока с его направлением через сквозное отверстие измерительного стержня, освещением им внутренней стороны лицевой поверхности наконечника, отражением от нее с появлением в зоне контакта наконечника с изделием отраженного светового потока, формированием наконечником теплового потока, интенсивность которого связана с его температурой, использование отраженного светового потока для создания выходного электрического сигнала, измерение интенсивности теплового потока и формирование второго выходного электрического сигнала, связанного с текущей температурой наконечника, корректировкой с учетом этого значения размера изделия, обеспечивают между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны механический контакт или зазор для осуществления соответственно контактных или бесконтактных измерений, освещение внутренней стороны лицевой поверхности наконечника осуществляют фокусированным входным световым потоком с расположением его фокуса вне наконечника, при этом наконечником принимают второй тепловой поток, формируемый изделием,

интенсивность которого связана с температурой изделия, и направляют этот поток вместе с первым тепловым потоком, причем выделяют часть отраженного светового потока и формируют на его основе первый отраженный световой поток, который вместе с двумя тепловыми потоками направляют вдоль оси сквозного отверстия измерительного стержня для измерения, при этом выбирается фиксированное значение погружения наконечника во впадины между выступами и осуществляют синхронизацию этих погружений наконечника по движению впадин и выступов изделия, причем отделяют два тепловых потока от первого отраженного светового потока, измеряют его с синхронизацией по движению впадин и выступов изделия, а в результате этого судят о текущей координате наконечника во время механического контакта между изделием и наконечником, при этом с тыльной стороны наконечника размещают оптические элементы, которыми выделяют из отраженного светового потока, по меньшей мере, две разные боковые части, преимущественно, в вертикальной плоскости, в виде второго и третьего отраженных световых потоков, направляя их через сквозное отверстие измерительного стержня, радиально смещенными, по разные стороны от его оси, преобразуя в третий и четвертый выходные электрические сигналы с измерением этих сигналов и соответственно интенсивности второго и третьего отраженных световых потоков с синхронизацией по движению впадин и выступов изделия, по уровням которых судят об индикатрисе отражения и ее наклоне и соответственно о шероховатости R_a и угле наклона α поверхности выступов, при этом посредством вышеупомянутого лазерного излучения создают второй входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня радиально смещенным с одной стороны от его оси, преимущественно, в горизонтальной плоскости, и освещают им внутреннюю сторону лицевой и/или боковой поверхностей наконечника и формируют на них, по меньшей мере, одну зону отражения с полным внутренним отражением и созданием четвертого отраженного светового потока, который

направляют через сквозное отверстае измерительного стержня, преимущественно, также в горизонтальной плоскости, фазовый сдвиг которого преобразуют в пятый выходной электрический сигнал, по изменениям которого судят о перемещении наконечника, при этом для двух тепловых потоков осуществляют фотоэлектрическое преобразование с разделением друг от друга для измерений их интенсивностей, измеряют интенсивность второго теплового потока, и формируют шестой выходной электрический сигнал, по которому судят о температуре изделия, с учетом чего корректируют значение размеров изделия, причем управляют с помощью привода скоростью перемещения наконечника и меняя посадку и характер резьбового соединения измерительного стержня, осуществляют синхронизацию изменений параметров последней по движению впадин и выступов изделия, при этом отводят наконечник от изделия с измерением его перемещений и располагают вблизи фокуса первого входного светового потока.

Другим отличием изобретения является то, что привод создают на основе механически соединенных электродвигателя, редуктора с возможностью изменения передаточного отношения электрическим сигналом, фрикционно-винтового механизма, связывающего вал редуктора с измерительным стержнем и преобразующего вращение первого в линейное перемещение второго, при этом фрикционно-винтовой механизм реализуют на основе винтовой передачи с резьбовым соединением, причем задают параметры и их значения резьбового соединения, а в качестве измеряемого параметра первого отраженного светового потока используют интенсивность и фазовый сдвиг.

Еще одним отличием изобретения является то, что для изменения посадки в резьбовом соединении винтовой передачи фрикционно-винтового механизма используют, по меньшей мере, один подвижный элемент с

возможностью изменения его толщины и/или формы от изменений электрического сигнала.

Предлагаемый способ поясняется рисунками.

Фиг. 1 представляет устройство, реализующее предлагаемый способ.

На фиг. 2 изображена оптическая схема устройства при бесконтактных измерениях, где L_в, L_нл и L_нт - координаты поверхности выступа, лицевой и тыльной поверхностей наконечника.

Фиг. 3 показывает с тыльной стороны наконечника оптическую систему и прохождение через него оптических (световых) и тепловых потоков.

На фиг. 4 и 5 изображены схемы прохождения оптических потоков с освещением (фиг. 4) и без освещения (фиг. 5) рабочей зоны.

Фиг. 6 демонстрирует ход оптических и тепловых потоков в процессе бесконтактных измерений.

На фиг. 7 и 8 изображен фрикционно-винтовой механизм в поперечном А-А (фиг. 7) и продольном В-В (фиг. 8) разрезах с подвижным элементом на основе пьезопластины.

На фиг. 9-11 показаны варианты винта: при создании резьбы вибронакатыванием (фиг. 9, 10) или путем намотки на стержень проволоки с заливкой ее компаундом (фиг. 11).

На фиг. 1 изображены индикатор 1, система управления 2, измерительный преобразователь 3, состоящий из корпуса 4, наконечника 5 с защитным покрытием 6, закрепленного на подвижном измерительном стержне 7 с возможностью линейных перемещений ΔL с помощью направляющей 8, привода 9, включающий фрикционно-винтовой механизм, созданный на основе винта 10, фрикционного элемента 11, подвижного элемента 12, электродвигателя 13 с ротором 14, механически связанным со валом редуктора 15; оптический измеритель 16, неподвижное зеркало 17, оптическая система 18, изделие 19 с прерывистой поверхностью, шлифовальный круг (не обозначен).

Оптический измеритель 16 (фиг. 2) имеет электрические вход и шесть выходов, окно для приемопередачи оптических, тепловых потоков и состоит из измерителя параметров поверхности 20, лазера 21, модулятора разности хода 22, низкогерентного 23 и высококогерентного 24 измерителей, пирометра 25, семи светоделителей 26, зеркала 27 и двух оптических фильтров 28 и 29.

Наконечник 5 выполнен из высокопрочного оптически прозрачного материала: алмаз, рубин, сапфир, карбид кремния или представителей корундовых кристаллов и условно имеет лицевую (спереди), боковую (сбоку) и тыльную (сзади) поверхности. Его лицевая и боковая поверхности могут иметь криволинейную выпуклую форму, близкую по форме к плоской в области, непосредственно прилегающей к зоне контакта с изделием 19 - рабочей зоне с ∅≤1-3 мм. Наконечник 5 используется одновременно в качестве отражателя оптического потока, распространяющегося внутри устройства, и окна для приемопередачи внешних оптических и тепловых потоков и может быть плоско-выпуклой собирающей линзой, а его тыльная поверхность с креплением к измерительному стержню 7 может быть плоской и иметь отражающее напыление.

Защитное покрытие 6 имеет отверстие по месту и размеру зоны контакта наконечника 5 с изделием 19 и защищает большую часть его внешней поверхности от механических воздействий, налипания стружки, результатов металлообработки, остатков смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и создает условия полного внутреннего отражения для оптических потоков.

Измерительный стержень 7 может быть выполнен в виде шестигранной трубки, встроенной в направляющую 8 поступательного перемещения, преимущественно качения, предотвращающей его повороты вокруг своей оси. С одной стороны он прикреплен к наконечнику 5 при герметизации эластичной гофрированной трубкой, а с другой стороны в него введен фрикционный элемент 11.

Привод 9 включает фрикционно-винтовой механизм, состоящий из соединения винтового стержня 10 (условно - «винт») с фрикционным элементом 11. Винтовой стержень 10 выполнен в виде цилиндра с наружной резьбой, скругленной на вершинах подобной круглой резьбе или резьбе Эдисона, с малой высотой выступов h, преимущественно, не более 100 мкм. На него надет фрикционный элемент 11 (условно - «гайка»), подобный втулке или чашке, прикрепленный к измерительному стержню 7, внутренняя поверхность которого может быть также резьбу, сопряженную с винтом 10. В паре винт 10-фрикционный элемент 11 последний может быть изготовлен из менее твердого материала, образуя пары в т.ч. материалы с малым трением, например, нержавеющая сталь - фторопласта и другие подобные.

Вдоль фрикционного элемента 11 встроен электрически управляемый подвижный элемент 12, например, на основе пьезопластин (фиг. 1, 8), электрический вход с сигналом U_фв, подключенный ко второму выходу системы управления 2. Изменение сигнала U_фв меняет толщину или форму подвижного элемента 12, усиливая или ослабляя обжимание винта 10 фрикционным элементом 11 и меняя посадку, характер резьбового соединения от зазора до натяга (фиг. 7, 8).

Соединение винта 10 и фрикционного элемента 11 создает винтовую передачу «винт-гайка» с преобразованием углового поворота Δγ первого в линейное перемещение ΔL второго и с возможностью его фрикционного проскальзывания при воздействии на наконечник 5.

В одном из вариантов реализации предлагаемого способа сквозное отверстие создано также в фрикционном элементе 11, винте 10, редукторе 15 и роторе 14 электродвигателя 13 с возможностью распространения оптических и тепловых потоков внутри них насквозь и размещения оптического измерителя 16 за последним.

В другом варианте резьбовые поверхности винта 10 и фрикционного элемента 11 могут быть соответственно внутренней и наружной, образуя соединение «гайка-винт».

Электродвигатель 13 может быть шаговым и используется для двусторонних поворотов Δγ своего ротора 14 по сигналу U_эд.

Редуктор 15 передает вращение ротора 14 на винт 10 с возможностью изменения передаточного отношения k_p по сигналу U_p.

Оптический измеритель 16 применяется для измерения положения поверхности выступов изделия 19 и наконечника 5, температуры выступов изделия 19 и наконечника 5, перемещений последнего, шероховатости поверхностей R_a выступов и их угла наклона α, вокруг оси OZ. Он имеет электрических шесть выходов с сигналами N_Ra, N_α N_ни, N_ви, N_твс, N_ти и один вход с сигналом U_ои для синхронизации измерений.

Зеркало 17 прикреплено к корпусу 4 и установлено внутри измерительного стержня 7, через прорезь в котором оптически связывает оптический измеритель 16 и наконечник 5.

Оптическая система 18 (фиг. 3) включает пять оптических элементов: центральный и две пары боковых, размещенных, как вариант, вместе на одной подложке подобно линзе Френеля и прикреплена к тыльной поверхности наконечника 5.

Первый оптический элемент 30 является центральным и собирающей линзой, фокусируя оптические и тепловые потоки в т.ч. вместе с наконечником 5 с фокусом на расстоянии 0,5-1,5 мм вне его.

Первая пара, т.е. второй 31 и третий 32 боковые оптические элементы расположены на расстояниях R₁ и R₂ по разные стороны от центра оптической системы 18, используются для углового отклонения и фокусирования двух отраженных оптических потоков, следующих, преимущественно, в плоскости XOY, применяемых для измерения шероховатости и угла наклона поверхностей выступов. Фокус этих оптических элементов совмещен с фокусом первого оптического элемента 30.

Вторая пара, т.е. четвертый 33 и пятый 34 боковые оптические элементы расположены симметрично относительно центра оптической системы 18 и применяются подобно оптическим клиньям для углового отклонения оптических потоков, применяемым для измерения перемещения ΔL наконечника 5, следующих, преимущественно, в плоскости XOZ.

В данном способе используются низкогерентный 23 и высококогерентный 24 измерители, являющиеся основой соответствующих интерферометров. Они работают на разных принципах действия и обладают разным набором достоинств и недостатков, не дублируя друг друга, повышая универсальность, информативность, надежность и точность контактных и бесконтактных измерений.

Низкогерентный измеритель 23 вместе с оптической схемой, описанной далее, представляет собой т.н. низкогерентный интерферометр или интерферометр «белого света», работающий, как правило, в импульсном режиме по сигналу синхронизации U_ои. С его помощью измеряют положение поверхностей изделий в условиях ограничения когерентности оптических потоков: отраженных от шероховатых поверхностей и/или при прохождении их через СОЖ (или ее паровоздушной смеси) в бесконтактных измерениях.

Высококогерентный измеритель 24 вместе с оптической схемой образует интерферометр Майкельсона, применен для измерения в выбранной системе координат перемещений наконечника 5, являющегося отражателем.

Пирометр 25 измеряет температуры Т_вс выступов изделия 19 и Т_н наконечника 5 по интенсивности тепловых потоков, излучаемых ими и формирует выходные сигналы N_твс, N_тн, следующие на пятый и шестой входы системы управления 2 для корректировки результатов измерений.

Оптические фильтры 28 и 29 используются для спектрального разделения пространственно совмещенных оптических и тепловых потоков, следующих от наконечника 5. Первый настроен на длину волны λ_o лазера 21, которая, обычно, бывает из ряда наиболее часто используемых 0,63 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм, а второй - на длину волны λ_т тепловых потоков в стандартном для пирометров инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне ~3-15 мкм.

Система управления 2 имеет по шесть электрических входов и выходов. Все ее входы соединены с шестью соответствующими выходами с сигналами N_Ra, N_α N_ни, N_ви, N_твс, N_тн оптического измерителя 16, а ее выходы используются следующим образом: первый с сигналом U_ои подключен ко входу оптического измерителя 16, второй с сигналом U_фв подключен ко входу подвижного элемента 12 в приводе 9, выходы с сигналами: третий U_p, четвертый U_эд и пятый N_инд - подключены соответственно к редуктору 15, электродвигателю 13 и индикатору 1, а шестой выход N_вых используется для выдачи сводной информации.

В статике при формировании сигналов данный способ, реализованный на круглошлифовальном станке, осуществляют следующим образом.

В начальный момент времени сигналы U_фв, U_мп и U_эд, поступающие со второго, третьего и четвертого выходов системы управления 2 на входы привода 9 и, соответственно, редуктора 15 и электродвигателя 13 не меняются, а измерительный стержень 7 и наконечник 5 неподвижны.

Положения поверхностей выступов изделия 19 и наконечника 5 измеряются с помощью низкогерентного интерферометра следующим образом.

Для удобства описания принимается, что термин оптический поток используется для случаев входа/выхода их из цельных, законченных блоков, узлов и т.д., а при их делении, в основном, используется термин - часть, доля и т.п. При контакте лицевая поверхность наконечника 5 совмещена с поверхностью выступа изделия 19 без зазора.

Нумерация светоделителей 26 следующая (фиг. 2):

- первый, второй и седьмой светоделители расположены последовательно по прямой, вдоль оптического потока, сформированного лазером 21 и следующего на вход высококогерентного измерителя 24,

- четвертый светоделитель расположен напротив оптического входа модулятора разности хода 22,

- третий (напротив выхода модулятора разности хода 22), пятый (напротив входа низкокогерентного измерителя 23) и шестой (напротив входа пирометра 25) светоделители расположены вдоль части оптического потока, изменившего свое направление после второго светоделителя.

Итак, в оптическом измерителе 16 (изображен на фиг. 2) лазер 21 излучает когерентный оптический поток длиной волны λ_о, который поступает на входы низкогерентного и высококогерентного интерферометров. Состав и принцип действия последнего рассмотрены далее при описании измерений перемещений ΔL наконечника 5. Низкогерентный интерферометр включает в себя низкогерентный измеритель 23 и два разбалансированных друг относительно друга интерферометра: опорный и измерительный (не обозначены).

В опорном интерферометре делением оптического потока от лазера 21 первым светоделителем 26 на две части формируются опорное и сканирующее плечи (фиг. 2) со следующими маршрутами:

- первый светоделитель 26 → второй светоделитель 26 → третий светоделитель 26 = опорное плечо,

- первый светоделитель 26 → четвертый светоделитель 26 → модулятор разности хода 22 → третий светоделитель 26 = сканирующее плечо.

Длина опорного плеча неизменна, а длина сканирующего плеча сигналом U_ои с первого выхода системы управления 2 может быть изменена модулятором разности хода 22. В качестве таких модуляторов могут использоваться специальные волоконные фазовые модуляторы с частотой модуляции f_мод, как минимум, до 300 кГц, например, с циклом измерений до ≈3 мкс и разностью хода до ~6000 рад, что для λ_o≈1,5 мкм составляет около 1,5 мм (Коваленко В.Г. Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н.: Спец. 01.04.03 Ин-т радиотехники и электроники. - М.: 2005., Губин В.П., Коваленко В.Г., Сазонов А.И., Старостин Н.И. Пьезоволоконный фазовый модулятор света с пониженным уровнем поляризационной модуляции / Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып. 7, с. 78-83.).

Итак, на третьем светоделителе 26 опорного интерферометра формируется оптический поток 35, состоящий из двух частей от опорного и сканирующего плечей с модулируемой разностью хода Δl_ои между ними. Этот поток далее следует в измерительный интерферометр к пятому светоделителю 26, первое стабильное плечо которого является опорным (и может включать световод) и образовано прохождением света между неподвижным зеркалом 27 и пятым светоделителем 26. Второе - переменное плечо, являющееся измерительным, включает путь света от пятого светоделителя 26 к наконечнику 5 и изделию 19 с последовательным прохождением, оптического фильтра 28, шестого светоделителя 26 и после отражения от зеркала 17 и прохождения вдоль оси сквозного отверстия измерительного стержня 7, оптический элемент 30 и далее через наконечник 5. Так на выходе измерительного интерферометра, т.е. после пятого светоделителя 26 формируется первый входной оптический поток 36, состоящий из нескольких частей, следующий в направлении наконечника 5.

Оптическим элементом 30 входной оптический поток 36 фокусируется с расположением фокуса в виде перетяжки оптического потока диаметром не более 50-500 мкм на расстоянии не более 0,5-1,5 мм за пределами лицевой поверхности наконечника 5.

Отражающими поверхностями при прохождении выступов изделия 19 мимо наконечника 5 для этого потока выступают:

- для контактных измерений - тыльная и лицевая поверхности наконечника 5, последняя из которых совмещена с поверхностью выступа изделия 19 (фиг. 1, 5),

- для бесконтактных измерений - тыльная и лицевая поверхности наконечника 5, а также поверхность выступов изделия 19 (фиг. 2, 4, 6).

При контактных измерениях лицевая поверхности наконечника 5 совмещена с поверхностью выступа изделия 19 (фиг. 1, 5) и сходящийся первый входной оптический поток 36 освещает шероховатую поверхность выступа и, отразившись, следует обратно отраженным оптическим потоком с определенной индикатрисой отражения. Она имеет пространственное распределение интенсивности в пределах телесного угла, которое зависит, в первую очередь, от шероховатости R_a и угла наклона а поверхности этого выступа.

Первая, вторая и третья части этого отраженного оптического потока выделяются первым 30, вторым 31 и третьим 32 оптическими элементами (фиг. 6) и формируют соответственно первый 37, второй 38 и третий 39 отраженные оптические потоки, направляемые на зеркало 17. При этом в первый отраженный оптический поток 37 после прохождения наконечника 5 добавляется часть первого входного оптического потока 36, отраженная от его тыльной поверхности.

При бесконтактных измерениях, когда между лицевой поверхностью наконечника 5 и поверхностью выступа изделия 19 имеется зазор l_з, то первый отраженный оптический поток 37 после наконечника 5 будет состоять из трех частей, отраженных от тыльной и лицевой поверхностей наконечника 5 и поверхности выступа изделия 19 (фиг. 2, 4, 6).

Итак, первый отраженный оптический поток 37 следует обратно и последовательно проходит в обратном порядке вышеуказанные оптические элементы: оптический элемент 30 → зеркало 17 → шестой светоделитель 26 → оптический фильтр 28. В итоге, освещая пятый светоделитель 26 и пространственно совмещаясь вместе с частью оптического потока, отраженного от зеркала 27 попадает на вход низкогерентного измерителя 23. В итоге в измерительном интерферометре формируется разность хода между опорным и измерительным плечами - Δl_ии.

Второй 38 и третий 39 отраженные оптические потоки применяются для измерения шероховатости R_a и угла наклона α поверхностей выступов и их участие в процессе измерений описано далее в соответствующих разделах.

Алгоритм работы низкогерентного измерителя 23 основан на сканирующих модуляциях длины хода опорного интерферометра Δl_ои модулятором разности хода 22 за счет модуляции сигнала U_ои и фиксации его значения соответствующих разным частям первого отраженного оптического потока 37 по максимумам интенсивности (контраста), формируемых интерференционных сигналов для нулевой разности хода Δl_ои-Δl_ии≈0 и интерференционным измерениям по фазовому сдвигу в небольшом диапазоне вблизи этого условия. Таким образом, на примере бесконтактных измерений в пределах цикла модуляции U_ои может быть определено положение нескольких поверхностей, формирующих части первого отраженного оптического потока 37: координаты выступа L_в (с определением размера изделия L_изд), лицевой L_нл и тыльной L_нт поверхностей наконечника 5 (фиг. 2). Можно также определить зазор l_з между наконечником 5 и выступом изделия (при бесконтактных измерениях), значение отрыва наконечника 5 от выступа изделия (при контактных измерениях), толщину и износ наконечника 5. При этом на третьем входе оптического измерителя 16 формируется цифровой сигнал N_ни, являющийся первым выходным электрическим сигналом, содержащим информацию об измеренных параметрах, поступающий на третий вход системы управления 2.

Подобные схемные решения уже апробированы для работы в т.ч. с диффузно отражающими поверхностями (АС СССР 1758421, МПК G01B 11/24, 30.08.1992), а также в волоконно-оптическом исполнении (Галкин С.Л., Игнатьев А.В., Бабаджан А.И. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений. Приборы и системы управления. 1992, №2, с. 24, R. Claus White-light scanning fiber Michelson interferometer for absolute position-distance measurement. Optics Letters, 1995, v. 20, №7, pp. 785-787, патент RU 2147728, МПК G01B 11/06, G01B 9/02, 20.04.2000, Иванов B.B. Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н.: Спец. 01.04.01 Институте физики микроструктур РАН, Нижний Новгород - 2005.) и позволяют достичь точности измерений на уровне, как минимум, ≈λ_o/4-λ_o/2, что для λ_o≈1,5 мкм составить ≈0,4-0,8 мкм.

Конструкция низкогерентного интерферометра может быть незначительно изменена для улучшения режима работы и получаемых характеристик. Так, для повышения доли света, отраженного от тыльной поверхности наконечника 5, на нее может быть нанесено отражающее покрытие или подобрано сочетание оптических параметров: материал наконечника 5 с нужными прозрачностью, коэффициентом преломления для используемой длины волны лазера λ_o Также в одно из плеч измерительного интерферометра, например, между пятым светоделителем 26 и зеркалом 27 может быть введен световод, уменьшающий длину когерентности оптических потоков и увеличивающий длину этого плеча.

Измерения шероховатости поверхностей R_a выступов изделия 19