Способ измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром и устройство для его реализации
METHOD FOR MEASURING ANGLES BETWEEN THE PLANES OF A RING LASER RESONATOR MONOBLOCK WITH A NON-PLANAR OPTICAL CONTOUR AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, в частности, для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями, пирамидальности двух посадочных плоскостей по отношению к противоположным посадочным плоскостям и базовой плоскости и углов между каждой посадочной плоскостью и базовой плоскостью.
Известен способ для высокоточного контроля двугранных углов зеркально-призменных элементов [RU 2431801, C1, G01B 11/26, 20.11.2011], который реализуется с помощью устройства, содержащего поворотный столик с контролируемой правильной многогранной призмой и два автоколлиматора, визирные оси которых перпендикулярны двум смежным граням, и определяют угловые положения граней призмы по автоколлимационным изображениям марок соответствующих автоколлиматоров и вычисляют погрешности изготовления двугранных углов.
Недостатком способа является относительно низкая точность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является автоколлимационный способ измерения углов между гранями призм [Л.Б. Кочин, В.Ф. Лебедев, А.П. Погода. Угловые и спектральные измерения с помощью гониометра. Лабораторный практикум - Санкт-Петербург, 2012, стр. 28-29] с использованием гониометра, при котором призму устанавливают на предметный столик гониометра базовой плоскостью и измеряют углы между гранями призмы, при этом предполагается, что все грани призмы перпендикулярны ее базовой плоскости.
Недостатком способа является его относительно низкая точность и относительно узкая область применения, поскольку известный способ предполагает использование оптических деталей определенной геометрической формы - призм, у которых все грани перпендикулярны общей базовой плоскости. Только такие оптические детали можно установить на предметном столике гониометра базовой плоскостью и получить изображения автоколлимационной марки от всех измеряемых граней. Для резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром характерен пространственный излом оптического контура. Четыре посадочные плоскости для установки зеркал такого резонатора не перпендикулярны одной общей базовой плоскости. Поэтому для резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром имеется значительная трудность получения изображения автоколлимационной марки от посадочных плоскостей при установке моноблока на предметный столик гониометра базовой плоскостью, а применение дополнительных преломляющих призм с целью получения изображений автоколлимационной марки от посадочных плоскостей моноблока приводит к снижению точности измерения.
Задача, которая решается в данном изобретении относительно способа измерений, направлена на разработку способа измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, обеспечивающего более высокую точность измерений.
Требуемый технический результат относительно способа измерений заключается в повышении точности измерений.
Поставленная задача относительно способа решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром с использованием гониометра для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями, пирамидальности двух посадочных плоскостей по отношению к противоположным посадочным плоскостям и базовой плоскости и углов между каждой посадочной плоскостью и базовой плоскостью, согласно изобретению, при измерении формируют прямое отражение светового луча гониометра от измеряемых плоскостей моноблока, располагая моноблок резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром на установленном на предметном столике гониометра блоке формирования автоколлимационной марки.
Кроме того, известно устройство для прецизионного измерения двугранных углов зеркально-призменных элементов [RU 156831, U1, G01B 11/26, 20.11.2015], в состав которого входят автоколлимационный измерительный прибор, перископическая светоделительная система со светоделителем и зеркалом, поворотный столик и система из двух плоских зеркал и вспомогательная призма, при этом на боковых гранях призм жестко закреплены дополнительные плоские зеркала, отражающие части поверхностей дополнительных плоских зеркал расположены по одну сторону от основания измеряемой призмы и вспомогательной призмы, зеркала имеют Г-образную конфигурацию.
Недостатком этого устройства является относительно низкая точность измерений.
Известно также устройство для контроля углов оптических призм [RU 181201, U1, G01B 11/26, 05.07.2018], содержащее основание, вал, столик, установленный на валу перпендикулярно его оси, предназначенный для размещения на нем контролируемой призмы, поворотную платформу и расположенный на основании автоколлиматор, оптическая ось которого перпендикулярна оси вала, а также правильная многоугольная оптическая призма, неподвижно установленная на поворотной платформе так, чтобы ось введенной призмы совпадала с осью поворотной платформы, которая, в свою очередь, параллельна оси вала, при этом поворотная платформа размещена на столике в стороне от вала на таком расстоянии, чтобы грани контролируемой призмы, установленной вне оси вала, и грани многоугольной оптической призмы не перекрывали друг друга при действиях контроля.
Недостатком этого устройства является относительно низкая точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство [Л.Б. Кочин, В.Ф. Лебедев, А.П. Погода. Угловые и спектральные измерения с помощью гониометра. Лабораторный практикум - Санкт-Петербург, 2012, стр. 28-29], содержащее гониометр с предметным столиком, на который базовой плоскостью устанавливают призму и измеряют углы между гранями призмы, при этом предполагается, что все грани призмы перпендикулярны ее базовой плоскости.
Недостатком устройства является его ограниченность в отношении применимости к оптическим деталям сложной геометрической формы, таким как моноблоки резонаторов кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, для которых данное устройство должно использоваться с дополнительными преломляющими призмами, снижающими точность измерений.
Задача, которая решается в данном изобретении относительно устройства, направлена на разработку устройства измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, обеспечивающего высокую точность измерений.
Требуемый технический результат относительно устройства заключается в повышении точности измерений.
Поставленная задача относительно устройства решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее гониометр с предметным столиком, согласно изобретению, введен блок формирования автоколлимационной марки, который установлен между поверхностью предметного столика и базовой плоскостью моноблока, при этом для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями блок формирования автоколлимационной марки установлен с обеспечением прямого угла между каждой из соседних измеряемых плоскостей моноблока и поверхностью предметного столика, при этом одна из поверхностей блока формирования автоколлимационной марки располагается под углом 90° к его поверхности для установки моноблока для обеспечения упора моноблока боковой плоскостью, а для измерения пирамидальности посадочной плоскости по отношению к противоположной посадочной плоскости и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями и базовой плоскостью блок формирования автоколлимационной марки установлен с обеспечением прямого угла между каждой из измеряемых плоскостей моноблока и поверхностью предметного столика, при этом две поверхности блока формирования автоколлимационной марки для установки моноблока располагаются под углом 45° к его основанию.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - схема измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями П1 и П2;
на фиг. 2 - конструкция блока формирования автоколлимационной марки для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями;
на фиг. 3 - схема измерения пирамидальности посадочной плоскости П3 по отношению к противоположной посадочной плоскости П1 и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями П1, П3 и базовой плоскостью;
на фиг. 4 - конструкция блока формирования автоколлимационной марки для измерения пирамидальности посадочной плоскости по отношению к противоположной посадочной плоскости и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями и базовой плоскостью;
на фиг. 5 - схема измерения пирамидальности посадочной плоскости П4 по отношению к противоположной посадочной плоскости П2 и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями П2, П4 и базовой плоскостью.
На чертеже обозначены:
1 - моноблок резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром;
2 - блок формирования автоколлимационной марки для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями;
3 - предметный столик гониометра;
4 - луч гониометра;
5 - посадочная плоскость П1 моноблока;
6 - посадочная плоскость П2 моноблока;
7 - поверхность для установки моноблока;
8 - поверхность для упора моноблока;
9 - блок формирования автоколлимационной марки для измерения пирамидальности посадочной плоскости по отношению к противоположной посадочной плоскости и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями и базовой плоскостью;
10 - базовая плоскость моноблока;
11 - посадочная плоскость П3 моноблока;
12 - угол между плоскостями П1 и П2 моноблока;
13 - угол между основанием блока формирования автоколлимационной марки и поверхностью для установки моноблока;
14 - угол между базовой плоскостью и плоскостью П1 моноблока;
15 - угол между базовой плоскостью и плоскостью П3 моноблока;
16 - поверхности для установки моноблока;
17 - посадочная плоскость П4 моноблока;
18 - угол между базовой плоскостью и плоскостью П2 моноблока;
19 - угол между базовой плоскостью и плоскостью П4 моноблока.
Предложенный способ применительно к резонатору кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром с помощью предложенного устройства реализуется следующим образом.
Измеряют угол 12 между двумя соседними посадочными плоскостями 5 и 6, пирамидальность посадочной плоскости 11 по отношению к посадочной плоскости 5 и базовой плоскости 10, пирамидальность посадочной плоскости 17 по отношению к посадочной плоскости 6 и базовой плоскости 10 и углы 14, 15, 18, 19 между каждой из посадочных плоскостей 5, 6, 11, 17 и базовой плоскостью 10.
Схема измерения угла 12 между двумя соседними посадочными плоскостями 5 и 6 показана на фиг. 1. Моноблок резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром 1 устанавливают базовой плоскостью 10 на поверхность 7 блока формирования автоколлимационной марки 2, конструкция которого показана на фиг. 2 так, что боковая плоскость моноблока упирается в поверхность 8 блока формирования автоколлимационной марки. Угол 13 между поверхностью 7 блока формирования автоколлимационной марки и его основанием делают таким, чтобы при установке моноблока обеспечивался прямой угол между каждой из соседних измеряемых плоскостей и поверхностью предметного столика 3 гониометра. Поверхность 8 блока формирования автоколлимационной марки располагается под углом 90° к его поверхности 7 для обеспечения упора моноблока, так как угол между базовой плоскостью моноблока и его боковой плоскостью составляет 90°. Проводят измерение угла 12 между соседними посадочными плоскостями 5 и 6 моноблока с помощью гониометра, при этом световой луч гониометра 4 падает перпендикулярно по очереди на измеряемые плоскости.
Схема измерения пирамидальности посадочной плоскости 11 по отношению к посадочной плоскости 5 и базовой плоскости 10 показана на фиг. 3. Моноблок резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром 1 устанавливают боковыми плоскостями на поверхности 16 блока формирования автоколлимационной марки 9, конструкция которого показана на фиг. 4. Проводят измерение пирамидальности посадочной плоскости 11 относительно посадочной плоскости 5 и базовой плоскости 10. При этом предметный столик гониометра 3 настраивают так, что горизонтальные линии автоколлимационных марок от посадочной плоскости 5 и базовой плоскости 10 моноблока совпадают с горизонтальной линией неподвижного перекрестия гониометра. Одновременно проводят измерение угла 14 между посадочной плоскостью 5 и базовой плоскостью 10, угла 15 между посадочной плоскостью 11 и базовой плоскостью 10, при этом световой луч гониометра 4 падает перпендикулярно по очереди на каждую измеряемую плоскость.
Аналогично измеряют пирамидальность посадочной плоскости 17 по отношению к посадочной плоскости 6 и базовой плоскости 10, угол 18 между посадочной плоскостью 6 и базовой плоскостью 10, угол 19 между посадочной плоскостью 17 и базовой плоскостью 10. Схема измерения показана на фиг. 5.
Предложенная совокупность существенных признаков:
- использование прямого отражения светового луча гониометра от измеряемых плоскостей моноблока без применения преломляющих призм;
- измерение угла между двумя соседними посадочными плоскостями с помощью блока формирования автоколлимационной марки, у которого угол между поверхностью для установки моноблока и его основанием обеспечивается так, что каждая из соседних измеряемых плоскостей моноблока располагается под прямым углом к плоскости предметного столика гониометра, одна из поверхностей блока формирования автоколлимационной марки располагается под углом 90° к поверхности для установки моноблока с целью обеспечения упора моноблока боковой плоскостью;
- измерение пирамидальности двух посадочных плоскостей по отношению к противоположным посадочным плоскостям и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями и базовой плоскостью с помощью блока формирования автоколлимационной марки, у которого две поверхности для установки моноблока располагаются под углом 45° к его основанию,
позволяет создать новый способ измерения углов между плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, разработать новое устройство для его реализации и обеспечивает новые свойства:
- возможность измерения углов моноблоков резонаторов кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром с различными габаритными размерами, включая измерения малогабаритных моноблоков;
- повышение серийноспособности изготовления моноблоков.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Измерение угла между двумя соседними посадочными плоскостями моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром возможно в том случае, если измеряемые плоскости моноблока, установленного на блок формирования автоколлимационной марки, используемый для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями, перпендикулярны плоскости предметного столика гониометра с точностью, соответствующей попаданию автоколлимационных марок от измеряемых плоскостей в допустимый диапазон вертикальных отклонений при измерении углов в вертикальной плоскости на гониометре. Для современного гониометра СГ-1Ц диапазон измерения углов в вертикальной плоскости составляет не менее ±15' [2]. Для гониометра-спектрометра ГС-2 диапазон измерения углов в вертикальной плоскости составляет 32' [3].
При изготовлении блока формирования автоколлимационной марки для измерения угла между двумя соседними посадочными плоскостями моноблока на фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ угол 13 между поверхностью для установки моноблока и его основанием обеспечивается с точностью ±3'. Угол между измеряемой посадочной плоскостью моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром и его базовой плоскостью, которой он устанавливается на поверхность блока формирования автоколлимационной марки, обеспечивается с точностью ±20''. Таким образом, суммарное отклонение угла между основанием блока формирования автоколлимационной марки и измеряемой плоскостью моноблока в вертикальной плоскости на гониометре не может превышать 3'20'', что укладывается в допустимый диапазон измерения углов в вертикальной плоскости, и автоколлимационная марка от измеряемой плоскости будет гарантированно обнаружена в поле зрения гониометра.
При изготовлении блока формирования автоколлимационной марки для измерения пирамидальности посадочной плоскости по отношению к противоположной посадочной плоскости и базовой плоскости, углов между посадочными плоскостями и базовой плоскостью моноблока на фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ угол 45° между поверхностями для установки моноблока блока формирования автоколлимационной марки и его основанием также обеспечивается с точностью ±3'. Угол между каждой из боковых плоскостей моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, которой он устанавливается на блок формирования автоколлимационной марки, и его базовой плоскостью обеспечивается с точностью ±1'30''. Таким образом, суммарное отклонение угла между основанием блока формирования автоколлимационной марки и измеряемой плоскостью моноблока не может превышать 4'30'', что также укладывается в допустимый диапазон измерения углов в вертикальной плоскости на гониометре.
Для двух блоков формирования автоколлимационной марки, применяемых в предложенном способе, точность их изготовления позволяет найти автоколлимационные марки от измеряемых плоскостей моноблока и выполнить измерение углов моноблока резонатора кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром.
Предложенный способ измерения углов и устройство для его реализации успешно опробованы для нескольких типоразмеров моноблоков резонаторов кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром, включая малогабаритные. Производственная практика показала, что для контролера, проводящего измерение, не требуется получения дополнительных навыков, а приемы работы могут быть освоены в короткие сроки.
Обеспечивается низкая себестоимость применяемых блоков формирования автоколлимационной марки и повышение серийноспособности изготовления моноблоков резонаторов кольцевого лазера с неплоским оптическим контуром.
Литература
1. Л.Б. Кочин, В.Ф. Лебедев, А.П. Погода. Угловые и спектральные измерения с помощью гониометра. Лабораторный практикум - Санкт-Петербург, 2012, стр. 28-29.
2. Гониометры статические СГ-1Ц. Руководство по эксплуатации ДИАГ.401235.002 РЭ.
3. Гониометр-спектрометр ГС-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2.787.050 ТО.