УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области измерений геометрических параметров объекта, в т.ч. размеров, измерений площадей, неровностей поверхностей или контуров, характеризуемых использованием оптических средств, и предназначена для бесконтактного измерения и контроля профиля поверхности, положения, перемещения, размеров, а также распознавания технологических объектов, построение 3D моделей.
Известно устройство для измерения геометрических параметров поверхностей (патент РФ №2243503). В работе устройства использован принцип лазерной триангуляции. Устройство включает в себя источник лазерного излучения и оптический приемник, включающий в себя объектив и матрицу, выход которой соединен с входом блока обработки данных. Блок обработки данных имеет выход для его соединения с компьютером. Пучок света, отраженный от поверхности объекта, проецируется объективом на матрицу. Блок обработки обеспечивает развертку матрицы и соответствующую обработку сигнала для определения высоты профиля, то есть геометрического параметра поверхности.
Ближайшим аналогом является устройство для определения геометрических параметров профиля поверхности (патент РФ №2650840). В основе работы устройства, как и у предыдущего аналога, лежит принцип лазерной триангуляции. Триангуляционная оптическая система включает в себя источник и приемник света. Устройство содержит источник лазерного излучения, который представляет собой полупроводниковый лазер. Полупроводниковый лазер снабжен системой стабилизации температуры, обеспечивающей поддержание точности длины волны лазера. По ходу лазерного луча расположен преобразователь светового пучка в линию (оптический генератор линии), состоящий из коллиматора и призмы. Лазерный пучок попадает сначала на коллиматор, а затем на призму, которая разворачивает сфокусированный пучок лазера в линию вдоль контролируемой поверхности и образует в пространстве световую плоскость. Отраженное от поверхности излучение проецируют объективом со светофильтром на матрицу. Матрица имеет n строк и m столбцов и преобразует полученное световое излучение в оцифрованное изображение линии профиля поверхности измеряемого объекта. Оцифрованное изображение с матрица передается на блок обработки данных, который выполнен в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности. Для каждой из множества точек вдоль лазерной линии на объекте рассчитывают расстояние до поверхности объекта. Контроллер может быть выполнен на базе сигнального процессора, который подключен к управляющему компьютеру по интерфейсу обмена данными.
Недостатком приведенного аналога является невысокая достоверность измерения по следующей причине. В промышленных условиях измерения осуществляются в помещениях, где присутствуют различные загрязнители (пыль, продукты очистки поверхностей изделий, песок и прочие), неизбежно попадающие на измерительные устройства. В том числе такие загрязнители попадают на оптическую систему (входное и выходное окно), тем самым препятствуя прохождению светового пучка частично или полностью. Это приводит к искажению падающих на объект и отраженных от него участков световых пучков или полному их заглушению. При этом в результате измерения геометрических параметров поверхности будет получена искаженная информация об этой поверхности или неполная за счет того, что световые пучки от части поверхности будут не получены при измерении, то есть такая информация недостоверна. Указанное устройство не предусматривает средство борьбы с этой проблемой, что и понижает достоверность результатов измерений геометрических параметров поверхности.
Ближайшим аналогом является устройство для измерения геометрических параметров объекта (Измерители лазерные триангуляционные, Серия РФ603, Руководство по эксплуатации РФ603 [Версия документа 4.1] 18 июня 2015, ООО «РИФТЭК», https://riftek.com/media/documents/rf60x/manuals/Laser_Triangulation_Sensors_RF603_Series_rus.pdf). Устройство так же основано на принципе лазерной триангуляции и включает в себя объединенные в корпусе источник и приемник лазерного излучения. Рассеянное на объекте излучение собирается объективом на матрице приемника. В качестве блока обработки данных в устройстве использован процессор сигналов, рассчитывающий расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на матрице. На передней панели корпуса расположены два стеклянных окна: выходное окно источника и входное окно приемника для приема излучения, отраженного от контролируемого объекта. Устройство содержит защитную бленду в виде козырька, предназначенную для уменьшения вероятности загрязнения окон устройства. Имеет интерфейс для обмена данными.
Ближайший аналог предусматривает защиту от загрязнений, однако использование козырька у окон устройства не может полностью решить проблему загрязнений и связанного с ним искажения результатов измерений.
Задачей полезной модели является повышение достоверности измерений устройством для измерения геометрических параметров объекта.
Задача решается за счет того, что устройство для измерения геометрических параметров объекта содержит источник лазерного излучения с выходным окном и оптический приемник, имеющий входное окно и включающий в себя объектив, проецирующий отраженное от исследуемого объекта излучение на матрицу, выход которой соединен с блоком обработки данных, имеющим интерфейс для обмена данными. Причем устройство содержит систему для обдува выходного окна и входного окна, включающую в себя воздуховодные трубки, один конец которых выполнен с возможностью подключения к централизованной воздушной магистрали, а второй подведен к устройству с помощью фитинга, и сопла, обеспечивающие направление воздушного потока от воздуховодных трубок на стекла указанных окон.
Техническим результатом является повышение достоверности измерения геометрических параметров объекта.
Технический результат достигается тем, что система для обдува выходного окна излучателя и входного окна приемника устройства обеспечивает очищение их от грязи, наличие которой приводит к искажению результатов измерений. Воздух подводится по воздуховодным трубкам от централизованной воздушной магистрали, имеющейся в промышленных помещениях. Такие магистрали в промышленных условиях обеспечивают сдув загрязнений с исследуемых объектов, и воздух в них циркулирует под напором. Воздух под напором подводится к окну излучателя и окну приемника и направляется на стекла указанных окон соплами трубок. В результате чего направляемый воздух сдувает загрязнения с поверхностей оптической системы, через которые проходит световой пучок, то есть убирает загрязнения с пути прохождения светового пучка, которым осуществляется измерение объекта. Таким образом устраняются загрязнения, которые могли бы привести к искажению измерений, то есть малой достоверности измерений.
Совокупность признаков по п. 2 характеризует устройство, в котором поперечные сечения сопл имеют форму щели, длина которой не меньше размеров выходного окна излучателя и входного окна приемника соответственно. Указанная форма обеспечивает равномерное распределение воздуха по всему сечению сопл и равномерный обдув всей поверхности стекол выходного окна излучателя, через которую проходит световой пучок, и поверхности входного окна приемника, через которое проходит отраженный от объекта свет. То есть обеспечивает улучшение очистки.
Совокупность признаков по п. З характеризует устройство, в котором блок обработки данных представляет собой плату приема и обработки данных, содержащую программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и память.
Работа устройства на основе принципа лазерной триангуляции связана с обработкой данных о множестве точек на поверхности исследуемого объекта. Применение ПЛИС позволяет достигнуть повышения скорости обработки измерительных данных без потери этих данных в процессе. ПЛИС позволяет осуществлять операции параллельно, то есть одновременно со сбором и обработкой новых данных, поступающих от матрицы, может осуществляться вычисления и анализ по предыдущим полученным данным. Одновременное выполнение операций увеличивает скорость получения результата. При этом новые измерительные данные не накапливаются в очередь. Это отличает ПЛИС от контроллера и процессора: в них данные обрабатываются последовательно, и накопление большой очереди от множества измерений приводит к наступлению критического момента, когда устройство переходит в состояние «зависания», для которого предусмотрена процедура перезагрузки. В этот момент возможна потеря некоторых данных, поступающих на обработку в текущее время, что понижает достоверность измерения профиля. Таким образом быстродействие ПЛИС избавляет устройство от зависания и потери данных, то есть использование ПЛИС дополнительно повышает достоверность измерений. Так как измерение геометрических параметров производится путем формирования на поверхности исследуемого объекта светового пучка в виде линии, для измерения всего объекта или его части необходимо осуществление серии измерений в сечениях объекта при последовательном перемещении устройства вдоль него. При каждом измерении ПЛИС рассчитывает расстояние до объекта в каждой измеренной точке, фиксирует геометрические параметры поверхности объекта в данном сечении и передает их память, которая в свою очередь накапливает результаты расчетов ПЛИС от каждого сечения и таким образом содержит геометрические параметры всего объекта.
Устройство находится в функциональном и конструктивном единстве.
Полезная модель поясняется чертежами: устройство схематически показано на фиг. 1, пример реализации устройства показан на фиг. 2, работа устройства поясняется фиг. 3.
Устройство (фиг. 1) содержит источник лазерного излучения 1 с выходным окном 2, предназначенный для формирования лазерного пучка. После отражения от поверхности объекта контроля пучок проходит через входное окно 3 приемника 4 и фиксируется им с помощью матрицы 5. Приемник 4 включает в себя объектив 6, проецирующий отраженный от объекта свет на матрице 5. С матрицы 5 сигнал поступает на блок обработки данных 7, представляющий собой плату приема и обработки данных. Сопла 8 воздуховодных трубок 9 размещены возле выходного окна 2 излучателя 1 и входного окна 3 приемника 4 с помощью фитинга 10 и направляют воздух из своего отверстия на эти окна. Другие концы воздуховодных трубок 9 подключены к централизованной воздушной магистрали.
Устройство работает следующим образом. Источник лазерного излучения 1 формирует лазерный пучок. Отраженный от поверхности объекта и спроецированный объективом 6 световой пучок фиксируется матрицей 5. Данные с матрицы 5 принимаются блоком обработки данных 7, в качестве которого использована плата приема и обработки данных с ПЛИС 11. ПЛИС 11 осуществляет обработку полученного сигнала и при необходимости передает обработанный сигнал на компьютер через интерфейс 12, размещенный на плате приема и обработки данных, для дальнейшей обработки. ПЛИС 11 осуществляет управление источником 1. Память 13 на плате приема и обработки данных предназначена для хранения результатов расчетов ПЛИС 11 и накопления данных о геометрических параметрах всего объекта, может осуществлять передачу накопленных данных через интерфейс 12. Воздушные потоки, подводимые отцентрализованной воздушной магистралик выходному окну 2 источника 1 излучения и входному окну 3 приемника 4 с помощью воздуховодных трубок 9, распределяются по этим окнам с помощью сопл 8. Благодаря форме сечения сопла 8 в виде щели воздух равномерно распределятся по необходимым поверхностям.
Пример реализации устройства (фиг. 2). Источник излучения 1 может быть реализован на основе полупроводникового лазера, например, на лазерных диодах ML101J25, с системой линз из коллиматорной линзы и линзы Пауэла. Коллиматорная линза предназначена для фокусировки луча в требуемой области сканирования, а линза Пауэла - для преобразования точечного излучения лазерного диода в линию. Такая система линз формирует световой пучок (фиг. 3) в виде линии в рабочем диапазоне (MR) по координате Z, рабочим диапазоне по координате X в начале рабочего диапазона по Z (Xsmr) и в конце рабочего диапазона по Z (Xemr) и проецирует его на исследуемый объект. Рассеянное в рабочей зоне на исследуемом объекте излучение собирается на матрице 5 объективом 6 со светофильтром. Светофильтр представляет собой напыление на линзе объектива 6 и осуществляет фильтрацию излучения по длине световой волны в зависимости от используемого лазерного излучателя - 460 нм, 520 нм или 660 нм. Полученное изображение контура объекта анализируется ПЛИС 11, которая рассчитывает расстояние до объекта в каждой измеренной точке и фиксирует геометрические параметры поверхности объекта. Память 13 на плате приема и обработки данных предназначена для хранения и накопления расчетов ПЛИС 11 о геометрии поверхности объекта. Имеющийся на плате интерфейс 12 позволяет передавать полученные данные для дальнейшей обработки. Воздух от централизованной воздушной магистрали подводится к окнам 2 и 3 излучателя 1 и приемника 2 с помощью фитинга 10 и воздуховодных трубок (на фиг. не показаны), а далее направляется к поверхности соплами 8 с отверстием-щелью. Воздух, распределенный равномерно по всему выходному окну 2 излучателя 1 и входному окну 3 приемника 2 таким образом, очищает эти поверхности для беспрепятственного прохода световых пучков от излучателя 1 к приемнику 2.
Аппаратно реализованная параллельная обработка и большое количество ног ПЛИС для подключения внешних модулей, с которыми можно обмениваться информацией, позволяет выполнять обработку поступающих от матрицы точек, а также параллельно производить большие математические вычисления с этими точками. Благодаря этому удается более точно и стабильно выделять основную составляющую сигнала, отфильтровывать ложные точки и производить анализ полученных данных. Параллельно ведущиеся вычисление позволяют одновременно со сбором и обработкой новых данных анализировать предыдущие полученные результаты и принимать решение о достоверности и ложности поступающих значений в зависимости от заданных критериев обработки сигнала. Благодаря всему вышеизложенному, в результате более быстрой обработки входящей информации, а также параллельно выполняемому анализу предыдущих данных и выполнению более точной фильтрации и обработки в единицу времени удается добиться повышения точности работы устройства измерения геометрических параметров в целом. Таким образом, использование ПЛИС позволяет добиться более высокой точности результатов работы.
Указанная реализация устройство для измерения геометрических параметров объекта используется в работе и дает более достоверные результаты измерения по сравнению с устройствами без заявляемых улучшений. Таким образом заявляемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата - повышение достоверности измерения геометрических параметров объекта.