УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ТРИАНГУЛЯЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам и устройствам измерения размеров различных объектов, в частности деталей и узлов железнодорожного подвижного состава.
Для измерения геометрических размеров различных объектов широко используются устройства для лазерной триангуляции, в которых реализован бесконтактный оптический триангуляционный способ. Указанный способ основан на облучении измеряемого объекта зондирующим лазерным излучением, измерении на фотоприемнике отраженного светового сигнала и определении по известным параметрам - базе и углу триангуляции - расстояния до объекта, и далее - профиля его поверхности [1-3].
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения принято устройство для лазерной триангуляции, содержащее источник лазерного излучения, генерирующий луч в виде линии, сканатор, выполненный в виде поворотного оптического элемента (зеркала), связанного с электродвигателем привода вращения поворотного оптического элемента, фотоприемник отраженного от объекта излучения и блок обработки информации [4]. Указанное устройство представляет собой лазерный триангулятор сканирующего типа, в котором формируемый источником луч в виде линии проектируется на поворотное зеркало; с помощью электродвигателя зеркало поворачивается и направляет плоский лазерный луч на поверхность исследуемого объекта, осуществляя перемещение (сканирование) луча по поверхности исследуемого объекта для получения полной информации о геометрии его поверхности.
Недостатком известного устройства для лазерной триангуляции являются большие временные затраты на сканирование исследуемого объекта и получение полной информации о геометрии его поверхности, поскольку в качестве зондирующего агента в каждый момент времени используется только один плоский лазерный луч, что обуславливает низкую производительность известного устройства при контроле геометрии деталей и узлов. Кроме того, при таком способе зондирования поверхности, когда измерение размера (например, диаметра круглого отверстия, длины и ширины щели и т.п.) производится только в одном направлении - при заданной ориентации зондирующего луча на поверхности - сложно с требуемой степенью точности измерить размеры отверстий, щелей, пазов, выемок и т.п., присутствующих на поверхностях деталей, что, как следствие, ограничивает функциональные возможности устройства, принятого в качестве ближайшего аналога.
Задача, решаемая полезной моделью - создание устройства для лазерной триангуляции с высокой производительностью контроля геометрии деталей и узлов, обладающего широкими функциональными возможностями.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для лазерной триангуляции, содержащем источник излучения, сканатор, содержащий поворотный оптический элемент, связанный с электродвигателем привода вращения поворотного оптического элемента, фотоприемник и блок обработки информации, поворотный оптический элемент выполнен в виде многогранной призмы, при этом сканатор снабжен зеркалами, установленными на полуокружности с центром на оси многогранной призмы наклонно относительно поверхностей граней призмы, при этом призма и зеркала расположены в пространстве с возможностью отражения падающего на призму лазерного луча на зеркала и последующей трансляции отраженных от зеркал лучей на поверхность измеряемого объекта; между фотоприемиком и поверхностью измеряемого объекта размещен объектив, а фотоприемник установлен с возможностью регистрации отраженного от объекта излучения.
В варианте технического решения количество зеркал в сканаторе выбрано равным пяти.
В варианте технического решения поворотный оптический элемент выполнен в виде четырехгранной призмы.
В варианте технического решения устройство снабжено отражателем, расположенным с возможностью направления лазерного луча, генерируемого источником излучения, на многогранную призму.
Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображено заявляемое устройство, на фиг.2 иллюстрируется выполнение сканатора.
Устройство для лазерной триангуляции содержит источник лазерного излучения 1, выполненный, например, в виде лазерного диода, отражатель 2, сканатор, содержащий поворотную четырехгранную призму 3, связанную с электродвигателем привода вращения призмы 4, и систему зеркал 5, количество которых равно пяти, фотоприемник 6, к которому подключен блок обработки информации 7, и объектив 8, размещенный между измеряемым объектом 9 и фотоприемником 6. Зеркала 5 установлены на полуокружности с центром на оси призмы 3 наклонно относительно поверхностей граней призмы 3 таким образом, что угол между плоскостью граней призмы 3 и плоскостью зеркала 5 составляет более 90°. Призма 3 и зеркала 5 расположены в пространстве с возможностью поочередного отражения вращающейся призмой 3 падающего на нее излучения последовательно на все зеркала 5 (по или против часовой стрелки в зависимости от направления вращения призмы 3) и последующей трансляции отраженных от зеркал 5 лучей на поверхность измеряемого объекта 9.
Фотоприемник 6 может быть выполнен в виде, например, матричного прибора с зарядовой связью (ПЗС матрицы).
Заявляемое устройство, представляющее собой многоплоскостной лазерный триангулятор сканирующего типа, работает следующим образом. Генерируемый лазерным диодом 1 луч падает на отражатель 2, который направляет его на одну из граней вращающейся призмы 3, которая, в свою очередь, преобразует точечный лазерный луч в линию. Отраженное от граней призмы 3 излучение последовательно «пробегает» зеркала 5, которые, в свою очередь, транслируют отраженное от их поверхностей излучение на измеряемый объект 9. В результате на объекте 9 формируется широкое поле сканирования, образованное совокупностью большого количества зондирующих плоских лучей (в случае четырехгранной призмы 3 и пяти зеркал 5 на объект 9 будет проектироваться 20 лучей - 5 групп лучей по 4 луча в каждой группе). Взаимное пространственное расположение указанных групп плоских лучей будет аналогично взаимному пространственному расположению плоскостей зеркал 5, и линии пересечения плоских лучей с поверхностью объекта 9 будут пересекаться друг с другом под различными углами. Отраженное от объекта 9 излучение регистрируется фотоприемником 6, и блок обработки информации 7 вычисляет геометрию поверхности объекта 9.
Наличие большого количества плоских лучей (и соответствующее расширение поля сканирования) позволяет значительно сократить время, необходимое для сканирования всей поверхности объекта и, соответственно - повысить производительность контроля геометрии деталей и узлов, а указанная выше взаимная ориентация различных групп лучей на поверхности объекта позволяет с требуемой степенью точности измерить размеры часто присутствующих на поверхностях деталей отверстий, пазов, выемок и т.п., в результате чего расширяются функциональные возможности устройства для лазерной триангуляции.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.З.Венедиктов. Основные принципы построения оптико-электронных систем триангуляционных измерителей. Вестник РГРТА. Вып.15, 2004. - С.45-51.
2. Патент США №6624899, МПК7 G01B 11/14, 2003 г.
3. Патент США №5056922, МПК5 G01B 11/24, 1991 г.
4. Патент США №5870220, МПК6 G02B 26/08, 1999 г.