ТРЕХОСНАЯ СИСТЕМА УГЛОВОГО КОНТРОЛЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения изменений пространственного углового положения крупногабаритных объектов относительно некоторой базы в различных отраслях промышленности, в частности, в космической отрасли.
Системы углового контроля, как правило, строятся с использованием фотоэлектрических автоколлиматоров и отражающих элементов, устанавливаемых жестко на объектах контроля. В качестве отражающих элементов обычно используются зеркала или различные призмы.
Основным требованием, предъявляемым к системам автоколлиматорного контроля, является высокая точность измерения угловых поворотов контролируемого объекта.
Для одновременного измерения углов поворота контролируемого объекта вокруг трех осей, как правило, применяются автоколлимационные фотоэлектрические системы, использующие тетраэдрические отражатели [1, 2].
Основными недостатками системы являются сложность оптической схемы и низкий коэффициент передачи по каналу скручивания [2]. Кроме того, тетраэдрический отражатель представляет определенные трудности при изготовлении.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является трехосная система углового контроля [3].
Система имеет в своем составе проекционную и принимающую системы, смонтированные на общем основании и содержащие источник и приемник излучения, светоделительный кубик, два объектива и ряд призм, направляющих параллельные пучки излучения, выходящие из объективов, на контрольный элемент, в качестве которого используется четырехгранный отражатель, устанавливаемый на объект контроля. При этом пучки лучей, направляемые на четырехгранный отражатель, составляют с осью симметрии системы углового контроля равные, но противоположно направленные, углы.
Обработка получаемой информации осуществляется в специальном электронном блоке.
К недостаткам известной системы следует отнести:
- сложность изготовления четырехгранного отражателя;
- сложность оптической системы;
- заниженные функциональные возможности в связи с тем, что оптическая схема при варьировании требований к системе требует изготовления других оптических компонентов.
Основной задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является упрощение конструкции отражающего элемента, оптической схемы и расширение функциональных возможностей системы.
Для решения поставленной задачи предлагается трехосная система углового контроля, которая, как и прототип, содержит отражающий элемент, установленный на объект контроля, проекционную и принимающую системы, и блок обработки информации.
В отличие от прототипа система снабжена двумя фотоэлектрическими автоколлиматорами, а отражающий элемент выполнен в виде двух плоских зеркал, каждое из которых закреплено в своей оправе, позволяющей разворачивать зеркала на определенный угол вокруг вертикальной оси, при этом проекционная и принимающая системы совмещены в каждом фотоэлектрическом автоколлиматоре, причем каждый из двух фотоэлектрических автоколлиматоров установлен на ползуне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси симметрии системы, и разворота вокруг вертикальных осей таким образом, чтобы их оси были бы перпендикулярны соответствующим зеркалам отражающего элемента.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в конструктивном решении трехосной системы углового контроля, что позволяет получить более простую оптическую схему и расширить функциональные возможности всей системы.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков предлагаемой трехосной системы углового контроля позволяет решить поставленную задачу.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - представлена общая оптическая схема трехосной системы углового контроля.
1
1
2
2
Трехосная система углового контроля состоит из кронштейна 1, закрепляемого на объекте контроля 2. На кронштейне 1 установлены в оправах 3 зеркала 4. Оправы 3 имеют возможность разворачиваться вокруг вертикальных осей O и O′ и закрепляться на кронштейне 1. При этом нормали  и  к зеркалам 4 развернуты друг относительно друга на одинаковые углы φ в противоположные стороны по отношению к оси симметрии O O системы.
3
3
2
2
Для измерения угловых смещений объекта контроля 2 в предлагаемой системе на основании 5 установлены два совершенно одинаковых фотоэлектрических автоколлиматора (ФАК) 6, каждый из которых закрепляется на ползуне 7. Ползуны 7 могут перемещаться по основанию 5 вдоль оси O O, перпендикулярной оси симметрии O O системы и фиксироваться на нем.
4
4
Фотоэлектрические автоколлиматоры 6 имеют возможность разворачиваться вокруг вертикальных осей O и O′.
Это позволяет перестраивать трехосную систему углового контроля при изменении технических требований к ней, а именно при изменении угла 2 φ между нормалями к зеркалам 4 и расстояния L между объектом контроля 2 и основанием 5.
В состав фотоэлектрических автоколлиматоров 6 входят источник излучения 8, конденсор 9, диафрагма 10, полупрозрачная пластина 11, объектив 12 и приемник излучения ПЗС-матрица 13.
Выходы с ПЗС-матрицы 13 соединены с блоком обработки информации 14, установленным на основании 5.
Конструктивные параметры и результаты расчета конкретной оптической системы.
В расчетах поворотов объекта контроля 2 используются законы отражения в векторной форме. Все величины выше второго порядка малости не учитываются. Вводим три системы координат:
X, Y, Z - связана с объектом контроля 2.
л
л
л
X, Y, Z - связана с левым фотоэлектрическим автоколлиматором (ФАК).
п
п
п
X, Y, Z - связана с правым фотоэлектрическим автоколлиматором (ФАК).
л
п
Все системы координат правые, оси Y, Y и Y перпендикулярны плоскости чертежа и направлены вверх.
В исходном положении имеем:
л
л
л
- в системе координат X, Y, Z
нормаль к левому зеркалу  луч, выходящий из левого фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК)
п
п
п
- в системе координат X, Y, Z
нормаль к правому зеркалу
луч, выходящий из правого фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК)
1. Запишем в векторной форме лучи  и , отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 на малый угол α против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси X) и входящие в фотоэлектрические автоколлиматоры:
л
п
ФАК
л
п
Таким образом, при повороте объекта контроля 2 на малый угол α (в радианах) вокруг оси X изображение круглой диафрагмы 10 (ИКД) сместится от начального положения вдоль осей Y и Y на одинаковую величину , где ƒ - фокусное расстояние объектива 12, и на одинаковую величину второго порядка малости вдоль осей X и X, но в противоположных направлениях:
и .
2. Запишем в векторной форме лучи  и , отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 вокруг оси Y на малый угол β против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси Y) и входящие в ФАК.
л
п
Совершенно очевидно, что  и  и смещение ИКД 10 от начального положения произойдет вдоль осей X и X, на одинаковую величину
и
(Синусы малых углов заменены на сами углы в радианном исчислении).
3. Запишем в векторной форме лучи  и , отраженные от зеркал 4 после поворота объекта контроля 2 вокруг оси Z на малый угол γ против часовой стрелки (при взгляде со стороны положительного направления оси Z) и входящих в ФАК:
л
п
Таким образом, при повороте объекта контроля 2 на малый угол γ вокруг оси Z смещение ИКД 10 от начального положения произойдет вдоль осей Y и Y на одинаковую величину, но в противоположных направлениях:
и
л
п
Одновременно произойдет смещение ИКД 10 вдоль осей X и X, на одинаковую величину второго порядка малости, но тоже в противоположных направлениях:
и
В результате получаем следующие суммарные смещения ИКД 10 от начального положения:
Левая ПЗС-матрица:
Правая ПЗС-матрица:
В вычислительном блоке 14 осуществляется определение углов разворота объекта контроля 2 вокруг всех трех осей по следующим формулам:
α
- угол α определяется из формулы , т.е. коэффициент передачи К=2cosφ;
β
- угол β определяется из формулы , т.е. коэффициент передачи К=2;
γ
- угол γ определяется из формулы , т.е. коэффициент передачи К=4sinφ.
α
γ
Меняя угол φ, можно получить различные по величине коэффициенты передачи К и К.
α
γ
Пусть, например, будет К=К. Тогда 2cosφ=4sinφ и tgφ=0,5.
Отсюда φ=arctg0,5=26° 33′ 54″
α
γ
При данном значении φ К=К≈1,789 и все коэффициенты передачи становятся практически одинаковыми.
γ
α
Если по каким-то соображениям достаточно, чтобы К=1, тогда φ=14° 28′ 39″ и К=1,936.
Более того, когда нет необходимости измерять разворот объекта контроля 2 вокруг оси Z, схема легко перестраивается в двухосную с использованием одного зеркала 4 и одного фотоэлектрического автоколлиматора (ФАК) 6.
Работа трехосной системы углового контроля осуществляется следующим образом.
Источник излучения 8 с помощью конденсора 9 проектируется в плоскость диафрагмы 10, представляющей собой круглое отверстие диаметром 0,2-0,5 мм. Диафрагма 10 находится в фокальной плоскости объектива 12.
С помощью полупрозрачной пластины 11 излучение направляется к объективу 12. После объектива 12 параллельный пучок направляется на зеркало 4. Отраженный от зеркала 4 параллельный пучок снова направляется в объектив 12 и, проходя полупрозрачную пластину 11, фокусируется на ПЗС-матрице 13, образуя изображение круглой диафрагмы 10.
Информация с ПЗС-матрицы 13 поступает в блок обработки информации 14, где и осуществляется определение угловых разворотов объекта контроля 2 вокруг трех осей координат X, Y, Z.
Таким образом, в предлагаемой трехосной системе углового контроля достигнуто упрощение конструкции отражающего элемента и оптической схемы, а также расширение функциональных возможностей системы.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. Справочник. М: Недра, 1991 г., с. 211, 212, 213 (РФ).
2. Коняхин И.А., Тургалаева Т.В. Трехкоординатный цифровой автоколлиматор. Оптический журнал, 80, 12, 2013 (РФ).
3. США, патент №4721386 МПК: G01B 11/26, 1988 г. - прототип.