УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДВУГРАННОГО УГЛА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для прецизионного измерения двугранных углов зеркально-призменных элементов.
Известно устройство - гониометр (Электронный учебник по дисциплине «Прикладная оптика». Теоретические и физические основы устройства ОП. Автор: Митрофанов С.С. (СПбГУ ИТМО) гл.4, раздел 3, подраздел 4, п.4 «Гониометры», http://de.ifmo.ru/bk_netra.), содержащее автоколлиматор, круговое угломерное отсчетное устройство (лимб, круговой датчик угла), которое связано с поворотным столиком для установки измеряемой детали. Все элементы устройства расположены на едином основании.
При измерении двугранного угла деталь помещают на поворотный столик и разворачивают его так, чтобы одна из граней измеряемого угла располагалась перпендикулярно падающему на нее излучению автоколлиматора. Точность установки грани контролируют, наблюдая автоколлимационный блик в окуляре автоколлиматора. Плавными разворотами столика добиваются совмещения автоколлимационного блика с центром перекрестья окуляра. По достижению совмещения снимают отсчет о положении грани призмы с лимба гониометра. Затем, не смещая детали, производят разворот столика до положения, при котором вторая грань измеряемого угла была бы расположена перпендикулярно падающему на нее излучению автоколлиматора. Операции по точному выставлению второй грани аналогичны описанным выше. После чего с лимба гониометра снимают отсчет о положении второй грани призмы. Измеряемый двугранный угол находят как разность двух полученных отсчетов.
Данное устройство характеризуется недостаточно высокой точностью измерений, которая ограничивается, в первую очередь, точностью кругового угломерного отсчетного устройства (лимба, кругового датчика угла). Например, если имеется гониометр типа ГС-5, то является проблемой измерить двугранный угол с точностью до 1″.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство (патент РФ №2431801 МПК G01B 11/26), содержащее поворотный столик, два автоколлиматора, визирная ось первого из которых ориентирована перпендикулярно оси разворота столика, неподвижный столик, на котором расположено угловое зеркало так, что одна из его граней ориентирована перпендикулярно визирной оси первого автоколлиматора и находится перед его входным окном, а вторая грань углового зеркала ориентирована перпендикулярно визирной оси второго автоколлиматора и находится перед его входным окном, две шторки, расположенные перед окнами автоколлиматоров, съемные плоские зеркала для калибровки автоколлиматоров, расположенные между шторками и поворотным столиком, и основание, на котором расположены элементы устройства.
1
2
Устройство работает следующим образом. При измерении двугранных углов правильной многогранной призмы, ее помещают на поворотный столик с возможностью поворота вместе со столиком. Шторками перекрывают излучение, направленное на угловое зеркало. Одну из граней призмы ориентируют перпендикулярно к визирной оси первого автоколлиматора. Точность установки грани контролируют, наблюдая автоколлимационный блик в окуляре автоколлиматора. Излучение второго автоколлиматора направляют на смежную грань многогранной призмы. Положение автоколлиматоров фиксируют. По шкале первого автоколлиматора снимают отсчет A о положении первой грани призмы, а по шкале второго автоколлиматора снимают отсчет В о положении второй грани призмы. Затем шторками перекрывают излучение, направленное на измеряемую призму. По шкале первого автоколлиматора снимают отсчет  о положении первой грани углового зеркала, а по шкале второго автоколлиматора снимают отсчет  о положении второй грани углового зеркала. После чего шторки возвращают в исходное состояние. По ходу излучения автоколлиматоров устанавливают калибровочные плоские зеркала, каждое из которых ориентировано перпендикулярно визирной оси соответствующего автоколлиматора. Снимают отсчеты А и А′ по первому автоколлиматору при экранировании излучения первой шторкой, которое могло быть направлено на угловое зеркало или на измеряемую призму соответственно. Снимают отсчеты В и В′ по второму автоколлиматору при экранировании излучения второй шторкой, которое могло быть направлено на угловое зеркало или на измеряемую призму соответственно.
2
3
Затем разворачивают поворотный столик с призмой вокруг вертикальной оси на угол, при котором в поле зрения первого автоколлиматора будет виден автоколлимационный блик от второй грани призмы, а в поле зрения второго автоколлиматора - автоколлимационный блик от третьей грани призмы. По шкале первого автоколлиматора снимают отсчет А о положении второй грани призмы, а по шкале второго автоколлиматора снимают отсчет В о положении третьей грани призмы. Процесс разворота и снятия отсчетов повторяют многократно до тех пор, пока в поле зрения первого автоколлиматора будет виден автоколлимационный блик от первой грани призмы, а в поле зрения второго автоколлиматора - автоколлимационный блик от второй грани призмы.
i
i
Отклонение двугранных углов правильной многогранной призмы от угла 360°/n вычисляется по измеренным отсчетам А, В, А, А′, В и В′.
Для достижения повышенной точности измерений требуется высокая стабильность взаимного углового положения автоколлиматоров во время всего цикла измерений. Особенно это сложно выдержать, если в автоколлиматорах имеются подвижные части, а в работе принимает участие оператор. Также практически невозможно иметь в распоряжении два идентично изменяющих свои оптические характеристики автоколлиматора (с одинаковым или с нулевым дрейфом). Все это влияет на точность измерений.
Разделение поля зрения автоколлиматоров на две части при проведении измерений усложняет конструкцию устройства, т.к. требует использования дополнительных съемных зеркал для калибровки автоколлиматоров. Сам процесс измерений трудоемок для случая использования устройства на производственном участке.
Предлагаемое устройство решает задачу по предотвращению вышеуказанных недостатков в измерении двугранных углов зеркально-призменных элементов.
Достигаемый технический результат в заявляемом устройстве - это упрощение конструкции устройства и повышение точности измерения двугранных углов зеркально-призменных элементов.
Это достигается тем, что устройство, содержащее закрепленные на общем основании поворотный столик, плоское зеркало, шторки и автоколлиматор, визирная ось которого ориентирована перпендикулярно оси поворота столика, снабжено светоделителем, установленным под углом к оси излучения автоколлиматора, клиновым компенсатором и системой из двух плоских зеркал, расположенных по ходу прошедшего через светоделитель излучения автоколлиматора, причем зеркала, входящие в систему, расположены друг к другу под заданным углом в сагиттальной плоскости падающего на них излучения автоколлиматора, причем плоское зеркало расположено по ходу отраженного от светоделителя излучения автоколлиматора так, что отражающая поверхность зеркала параллельна полупрозрачной поверхности светоделителя, а шторки размещены по ходу излучения автоколлиматора за плоским зеркалом и системой из плоских зеркал соответственно.
На фиг.1 изображено устройство для измерения двугранных углов зеркально-призменных элементов, которое содержит общее основание 1, на котором установлены автоколлиматор 2 и поворотный столик 3. По ходу излучения автоколлиматора и под углом к оси излучения расположен светоделитель 4. По ходу отраженного от светоделителя излучения установлено плоское зеркало 5 так, что его отражающая поверхность параллельна полупрозрачной поверхности светоделителя 4. По ходу излучения за зеркалом 5 установлен клиновый компенсатор 6. По ходу прошедшего через светоделитель 4 излучения автоколлиматора 2 установлена система из двух плоских зеркал 7 и 8. Они ориентированы друг относительно друга под заданным углом в сагиттальной плоскости падающего на них излучения автоколлиматора и расположены под углом к оси излучения. По ходу излучения за плоским зеркалом 5 и за системой из двух плоских зеркал 7 и 8 установлены шторки 9 и 10, предназначенные для экранирования излучения автоколлиматора при проведении процесса измерения.
Устройство работает следующим образом. При измерении углов правильной n-гранной призмы 11 с двугранными углами γ между смежными гранями
,
предварительно устанавливается угол ε между зеркалами 7 и 8 в сагиттальной плоскости падающего на них излучения автоколлиматора
.
Правильная n-гранная призма 11 жестко устанавливается на поворотный столик 3 так, чтобы одна из ее граней (грань «1») была ориентирована перпендикулярно оси падающего на нее излучения автоколлиматора 2, прошедшего через светоделитель 4 и отраженного от системы зеркал 7 и 8. Точность установки грани контролируют, наблюдая автоколлимационный блик в окуляре автоколлиматора 2. В этом случае излучение автоколлиматора 2, отраженное от светоделителя 4 и зеркала 5 и прошедшее через компенсатор 6, будет направлено на смежную с гранью «1» - грань «2» измеряемой призмы 11. Разворотом клинового компенсатора 6 добиваются расположения автоколлимационного блика от грани «2» в окуляре автоколлиматора 2. После чего положение клинового компенсатора 6 фиксируют.
1
1
В поле зрения окуляра автоколлиматора 2 будут одновременно видны два блика от смежных граней призмы 11. Поочередно перекрывая излучение с помощью шторок 9 и 10, определяют их принадлежность к конкретной грани. Расположение блика от каждой из граней принимают как базовое. Производят измерение углового расстояния α между ними. Величину α принимают за базовую.
2
2
2
Затем разворачивают поворотный столик 3 так, чтобы грань «2» была ориентирована перпендикулярно оси падающего на нее излучения автоколлиматора 2, прошедшего через светоделитель 4 и отраженного от системы зеркал 7 и 8. В этом случае излучение автоколлиматора 2, отраженное от светоделителя 4 и зеркала 5 и прошедшее через компенсатор 6, будет направлено на смежную грань «3» измеряемой призмы 11. В поле зрения окуляра автоколлиматора 2 будут одновременно видны два блика от других смежных граней призмы 11. Поочередно перекрывая излучение с помощью шторок 9 и 10, определяют принадлежность бликов к конкретной грани. Производят измерение углового расстояния α между ними. При этом учитывают знак величины α, ориентируясь на базовое расположение бликов. Рассчитывают разность Δα, определяющую отклонение углов между смежными гранями «1-2» и гранями «2-3» по формуле
2
2
1
Δα=α-α
Операцию по развороту поворотного столика 3, ориентации одной из граней измеряемой призмы 11, снятия отсчетов и расчету разности углов повторяют до тех пор, пока в поле зрения окуляра автоколлиматора 2 после очередного разворота не появятся блики от граней «1» и «2». При этом многогранная призма 11 развернулась от своего первоначального положения на угол 360°.
i,(i+1)
Производят расчет углов γ правильной многогранной призмы по формуле
,
где
n - количество граней правильной многогранной призмы;
i
Δα - разность отсчетов между смежными гранями с номерами i, (i+1) и гранями с номерами 1, 2.
В предлагаемом устройстве роль второго автоколлиматора выполняют светоделитель 4, зеркала 5, 7, 8 и клиновой компенсатор 6. Светоделитель и зеркала установлены так, что при одновременном развороте элементов 4-5 вокруг вертикальной оси и независимом от этого разворота одновременном развороте элементов 7-8 вокруг вертикальной оси не происходит смещения направления излучения автоколлиматора 2 от исходного направления после отражения от этих групп элементов (4-5 и 7-8). Таким образом, на смежные грани контролируемой многогранной призмы излучение будет направлено так же, как и в случае, когда разворотов не было. Следовательно, разворот групп элементов или разворот автоколлиматора 2 в сагиттальной плоскости не влияет на точность работы устройства. Таким образом, предложенное устройство более стабильно по сравнению с прототипом. Для повышения стабильности устройства группы этих элементов (4-5 и 7-8) могут быть выполнены в виде отдельных сборочных единиц - блоков. Блок группы зеркал 7-8 может быть сменным.
Использование единственного автоколлиматора снижает влияние на точность измерений дрейфа его характеристик.
Клиновый компенсатор 6 компенсирует клиновидность светоделителя 4 и позволяет расположить автоколлимационные блики в поле зрения окуляра автоколлиматора 2 так, чтобы было удобно проводить измерения.
i
Шторки 9 и 10 необходимы для определения принадлежности бликов, наблюдаемых в автоколлиматоре, той или иной грани измеряемой призмы и определении знака измеряемой величины Δα.
При измерении «одиночного» двугранного угла какой-либо призмы с углом, близким к углу (180°-360°/n), например прямоугольной призмы, один из углов правильной многогранной призмы (в данном случае - четырехгранной призмы), который уже измерен на предлагаемом устройстве вышеописанным способом, может являться эталоном. При этом диапазон отклонений измеряемого угла прямоугольной призмы от угла (180°-360°/n) определяется полем зрения автоколлиматора.
Процесс измерений будет заключаться в следующем.
Устанавливают угол ε между зеркалами 7 и 8 в сагиттальной плоскости падающего на них излучения автоколлиматора равным 45° или устанавливают в схему измерений самостоятельный блок зеркал 7-8, расположенных под углом 45°. Выбирают смежные грани четырехгранной призмы, относительно которых будет вестись измерение. Устанавливают четырехгранную призму на поворотный столик 3 так, чтобы одна из ее выбранных граней была ориентирована перпендикулярно оси падающего на нее излучения автоколлиматора 2, прошедшего через светоделитель 4 и отраженного от системы зеркал 7 и 8. Точность установки грани контролируют, наблюдая автоколлимационный блик в окуляре автоколлиматора 2. В этом случае излучение автоколлиматора 2, отраженное от светоделителя 4 и зеркала 5 и прошедшее через компенсатор 6, будет направлено на грань, смежную с выбранной. Разворотом клинового компенсатора 6 добиваются расположения автоколлимационного блика от этой грани в окуляре автоколлиматора 2. После чего положение клинового компенсатора 6 фиксируют.
призмы
призмы
изм
Поочередно перекрывая излучение с помощью шорок 9 и 10, определяют принадлежность бликов к конкретной грани. Производят измерение углового расстояния α между ними. Величину α принимают за базовую. Затем в отсутствии многогранной призмы на поворотный столик устанавливают призму, угол которой следует измерить. Производят ее ориентацию по одной из граней, угол между которыми необходимоизмерить, добиваясь появления в поле зрения окуляра автоколлиматора 2 двух автоколлимационных бликов. Поочередно перекрывая излучение с помощью шторок 9 и 10, определяют принадлежность бликов к конкретной грани. Производят измерение углового расстояния α между ними. Расчет измеряемого угла β производят по формуле
,
где
i,(i+1)
γ - угол между смежными гранями правильной четырехгранной призмы, предварительно измеренный вышеописанным способом.