УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА

Устройство относится к измерительной технике и может найти применение для бесконтактного высокопроизводительного измерения и контроля профиля поверхности объектов сложной формы в машиностроении и приборостроении.
Известны устройства для измерения профиля поверхности объекта 1-5, основу конструкции которых образует измерительная головка, состоящая из источника и приёмника излучения. Последние жестко связаны между собой, а их оптические оси пересекаются в зоаче измерений объекта. Принцип дейотвия таких устройств основан на триангуляционном способе. На измеряемый объект от источника направляется луч света. По диффузной составляющей отражённого светового потор а с другого углового направления (с направления приёмника излучения) формируется изображение светового пятна на поверхности объекта. Оно проецирз ется на поверхность приёмника излучения, выполненного в виде линейки фотоэлементов. Производится электронное сканирование проекции изображения, электронная и программная обработка видеосигнала с целью выделения и измерения его характеристик, соответствующих измеряемым параметрам объекта.
Однако известные устройства характеризуются рядом недостатков. Например, устройства 2-5 предназначены лишь для измерения и конроля объектов вдоль одной координаты, например, координаты X При необходимости сканирования и измерения поверхности потребуется усложнение конструкции измерителя, введение дополнительных механических узлов. А схемное решение устройства 1 не позволяет измерять объекты сложной формы, когда выступы профиля препятствуют проходу отраженного луча к приёмнику излучения. При этом попытки устранения этого недостатка в 4,5 путем введения механизма вращения измерительной головки приводят к излишней громоздкости, снижению производительности и точности измерений.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и схемному решению является устройство для измерения профиля поверхности объекта, описанное в 5.
Такое устрйство, выбранное в рвачестве прототипа, содерш т основание, на котором расположен объект измерений, узел планарного перемещения по координатам X и Z, прикрепленный к основанию, измерительную головку с источником и приемником излучения, механизм вращения измерительной головки, прикрепленный к узлу планарного перемещения, электроприводы с блоками управления и электронный и вычислительные блоки.
Повышение точности измерений в устройстве достигается сохрашением одинакового расстояния от измерительной головки до поверхности объекта во всех точках измерения. По командам, поступающим от вычислительного блока, узел планарного перемещения приближает (удаляет) измерительную головку к (от) поверхности, выдерживая одинаковое расстояние до поверхности. В случае, если выступ рельефа препятствует проходу отражённого от объекта светового потока к приёмнику излучения, измерительная головка поворачивается на требуемый угол при помощи механизма вращения измерительной головки.
Устройство характеризуется следующими недостатками:
1.Измеряет профиль объекта только вдоль одной координаты. Для
обеспечения измерения по двум координатам (т.е. для измерения поверхности) потребуется усложнить конструкцию устройства.
2.На практике подобные устройства используются в основном для измерения и конроля относительно небольщих по весу и габаритам объектов (например, лопаток турбин), которые по габаритам меньше измерительной головки. При этом перемещение измерительной головки прототипа относительно объекта не целесообразно. Желс1тельно перемещать объект относительно измерительной головки. Техническое рещение, принятое в прототипе, усложняет конструкцию измерителя, делает его громоздким и малопроизводительным.
3.В принцип измерений прототипа заложено непрерывное механическое слежение за дальностью до объекта и поддержание его одинаковым во всех точках измерений, что снижает производительность и точность измерений.
4.Исключение невидимых участков на поверхности объекта обеспечивается путем введения в конструкцию измерителя механизма вращения измерительной головки, что, в конечном счете, также снижает производительность и точность измерений.
Предлагаемое устройство направлено на повыщение производительности и точности измерений путем усовершенствования его конструкции.
Это достигается устройством для измерения профиля поверхности объекта, содержащим основание, измерительную головку с источником и приемником излучения, электроприводы с блоками управления и электронный и вычислительный блоки, соединенные с измерительной головгюй и блорьами управления электроприводов, которое отличается от известного тем, что оно содержит также установленный на основание двухкоординатный стол для перемещения объекта измерений по координатам X и Y, соединенный с элер троприводами, и прикрепленный к основанию полупортал, в котором размещена измерительная головка, снабженная N приемниками излучения, расположенные по разные стороны от источники излучения, оптическая ось которого
зП -в-йО
Н - параллельна оси координат Z.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для случая, когда измерительная головка снаб5юэна двумя приёмниками излучения. На фиг. 2 показано расположение в измерительной головке N приемников излучения, а на фиг. 3,а - распределение светового потока по длине приемника излучения. На фиг. 3,b,c,d даны диаграммы напряжений на приемнике излучения.
Устройство содержит основании 1, двухкоординатный стол 2, полупортал 3, измерительную головку 4, электроприводы 5,6, блоки 7,8 управления, электронный 9 и вычислительный 10 блоки.
Двухкоординатный стол 2 установлен на основание 1 и предназначен для перемещения объекта 11 измерений по координатам X и Y. Электроприводы 5 и 6, обеспечивающие перемещение коорданатного стола 2, управляются соответственно блоками 7 и 8, соединенными со входами и выходами вычислительного блока 10.
К основанию 1 прикреплён полупортал 3, в котором размещена измерительная головка 4, состоящая из источника 12 и расположенных по разные стороны от него первого 13 и второго 14 приемников излучения. Каждый из приемников 13, 14 излучения состоит из установленных последовательно объектива 15 и многоэлементного фотоприемника 16. Конструктивно измерительная головка 4 выполнена таким образом, что оптическая ось источника 12 излучения параллельна оси координат Z, а оптические оси приемников 13, 14  лежат в одной плоскости с оптической осью источника 12 излучения и пересекают ее в зоне измерений объекта 11. Б качестве многоэлементных фотоприемников 16 могут быть использованы позиционно-чувсвительные или многоэлементные сканиеторные фотоприемники, ЕЗС или интегральные МДП-фотодиодные линейки 6.
Электронный блок 9 предназначен для формирования управляющих сигналов, подаваемых на фотоприемники 16, и обработку снимаемых с них информационных сигналов в соответствии с их типом. Схемная реализация электронного блока может быть аналогична L 61.
Электроприводы 5, 6с блоками 7, 8 управления могут быть выполнены по схеме, приведенной в 7.
Вычислительный блок 10 (компьютер) пре/дназначен для окончательной обработки информационных сигналов, поступающих с блоков 7,8,9 и выдачи на них соответствующ1 1х управляющих сигналов.
А,А1 -точки в зоне измерений объекта 11.
Работа устройства заключается в следующем.
Измеряемый объект 11 устанавливается на двухкоординатный стол 2. В процессе измерений вычислительный блок 10 последовательно выдает коды координат Xi и Yi точек i поверхности объекта 11, высоты (координаты Zi), которых необходимо измерить. Например, с
0 АЩ
b - h выдачей кодов координат Ха и Ya точки А (фиг. 1), блоки 7 и 8 преобразуют их в соответствующие управляющие сигналы, отрабатываемые электроприводами 5,6. В результате осуществляется перемещение двухкоординатного стола 2 с объектом 11 в требуемое положение с координатами Ха и Ya. Далее производится измерение координаты Za, которая осущесвляется следующим образом. Луч источника 12 излучения попадает на точку А поверхности объекта 11. Часть этого излучения отражается зеркально, а часть рассеивается, т. е. диффузно отражается. Соотношение между зеркальной и диффузной составляющ - ми отраженного излучения определяются шероховатостью поверхности объекта 11, видом материала, его цветом, углом падения луча и т. д. Следует отметить, что любое реальное изделие, даже зеркальное покрытие, имеет рассеяние, т. е. ди(|фузную составляющую. Поэтому приктически при любом угле наклона поверхности в точке А часть диффузного излучения попадает на объективы 15, которые спроецируют изобра}кение оптического пятна в точке А на многоэлементные фотоприемники 16 в виде пятна е (фиг. 3,а). Положение этого пятна соответствует координате Za.
Если же при координатах Ха, Ya поверхность объекта 11 содержит точку А , то её проекция на фотоприемниках 13 будет соответствовать е  (фиг. 3,а). Пололшние этого пятна соответствует координате Za. На фиг. 1 для этого случая ход лучей покс1зан пунктиром. Следовательно, при измерении высоты (координаты Z ) любой точки объекта 11 в зоне измерения, ей будут соответствовать проекции на фотоприемниках 16. Многоэлементный фотоприемник 16 с длиной L производит преобразование проекции оптического пятна в видеосигнал (фиг. 3,а,б), который поступает в электронный блок 9. Последний формирует необходимые управляюицге сигналы для развертки (сканирования) фотоприемника 16, производит обработку (усиление, фильтрацию, выделение информации о положении пятна е), а также формирует выходной код положения для ввода в вычислительный блок 10. На фиг. 2 c,d это выражено как
где: N есть код Za,
К - коэ(|х|)ициент пропорциональности, определяемый масштабом оптической проекции и электронной обработки.
Диапазон измерений по координате Z определяется расстоянием между оптической осью источника 12 и фотоприёмником 16, фокусным расстоянием объектива 15, расстоянием от фотоприёмника до зоны измерения. Этот диапазон может легко изменяться в большую или меньшую сторону при изменении вьш1еуказанных базовых параметров и может составлять от долей миллиметра до долей метра при разрешаюЬ
- 4 N S К  Za,
щей способности 1/32000 - 1/100000 от диапс13она. Время одного измерения мало и оно определяется периодом Т развертки фотоприемника 16 (фиг. 3,с). На практике Т может составлять от долей секунды до десятков микросекунд.
Применение лазерного излучателя позволяет получить очень малый диаметр луча источника 12 - до единиц микрометров и, соответственно, выявлять малые изменения формы поверхностей объктов.
Высокое быстродействие ( в среднем 0,001 сек.), относительно большой диапазон измерений (в среднем 30-100 мм) позволяет реализовать измерения непосредственно в ходе движения -сканирования лучом источника 12 объекта 11. Это обеспечивает высокую производительность измерений - удсются снимать тысячи точек в одном сечении и тысячи сечений за десятки секунд при скорости движения двухкоординатного стола 50 - 100 мм/сек. Погрешность измерений может составлять единицы микронов при разрешающей способности менее 1 мкм.
Наличие N приемников излучения, расположенных по разные стороны от источника излучения, позволяет существенно уменьшить количество невидимых зон на объекте измерений, а в совокупности с двухкоординатным столом рс1сширить область применения устройства при повышении производительности измерений. Сведение к минимуму мехсшических узлов способствует повышению точности измерений.
Источники информации, принятые во внимсшие при составлении данной заявки:
1.А. С. N 1. 244. 481 (СССР). Устройство для измерения формы поверхности объекта. ЖЖ G 01 В 11/24, ВИ, 1986, N 26.
2.А. С. N 1. 647. 249(СССР). Фотоэлектрическое устройство для измерения профиля и толщины изделий сложной формы. МПК G 01 В 21/00, т, 1988, N 17.
3.А. С. N 1. 582. 796( СССР). Способ триангуляционных измерений. М П К G 01 В 21/00, (ДСП).
4.А. 0. N 1. 637. 704( ООСР). Устройство для контроля диффузно-отрс1Ж lюш dx поверхностей. МПК G 01 В 11/24, ВИ, 1978, N 46.
5.А. С. N 1. 364. 864( СССР). Устройство для измерения рельефа диффузно-отражаюшз х поверхностей. МПК G 01 В 11/24, ВИ, 1988, N 1 (прототип).
6.Системы технического зрения: Справочник / В. И. Сырямкин, В. С. Титов, Ю. Г. Якушенков, Р. Е Галиулин и др. // Под общей ред. В. И. Сырямкина, В. С. Титова. - Томск: М Г П РАСКО, 1992.
7.Домрачев В. Г. , Смирнов Ю. С. Цифро-аналоговые системы позиционирования. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 12, рис. 1.1.