RU2106599C1 - Device for checking of linear dimensions - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology; mechanical engineering; metallurgy; chemistry. SUBSTANCE: device has laser 1 and the following articles installed in succession in direction of its radiation: system of flat mirrors 2 and 3, scanning assembly made as collimating lens 4 and multi-edge mirror prism 5 mounted for rotation about its axis of symmetry, receiving lens 7, photorecording device 8, signal processing system, bearing diaphragm 6 positioned in measurement zone and manufactured from material with low temperature expansion coefficient. Diaphragm provides for two reference time intervals one of which allows compensation of nonlinearity of angular velocity of multi-edge mirror prism rotation, and the other enables determination of part location in measurement zone, which makes it possible to compensate for nonlinear distortions introduced by collimating lens 6. Signal processing system includes time interval measurement unit 9 and recording unit 11. It also has correction device 10 consisting of controller 12 and permanent storage 13. EFFECT: higher measurement results. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении, черной и цветной металлургии при производстве проката, в резино-технической и химической промышленности при производстве трубчатых изделий без остановки технологического процесса. The invention relates to instrumentation and can be used in mechanical engineering, ferrous and non-ferrous metallurgy in the production of rolled metal, in the rubber and chemical industries in the production of tubular products without stopping the process.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятое за прототип является устройство для контроля линейных размеров, содержащее лазер и установленные последовательно по ходу его излучения систему плоских зеркал, узел сканирования, выполненный в виде коллимирующего объектива и правильной многогранной зеркальной призмы, установленной с возможностью вращения вокруг оси ее симметрии, приемный блок, состоящий из фокусирующей линзы, фотоприемника и системы обработки сигналов [1]. The closest in technical essence to the proposed one and adopted as a prototype is a device for controlling linear dimensions, containing a laser and a system of flat mirrors installed sequentially along its radiation, a scanning unit made in the form of a collimating lens and a regular multi-faceted mirror prism mounted with the possibility of rotation around axis of its symmetry, a receiving unit consisting of a focusing lens, a photodetector, and a signal processing system [1].

Недостатком устройства является большая погрешность контроля линейных размеров, обусловленная нелинейностью угловой скорости вращения многогранной зеркальной призмы вокруг своей оси. К недостаткам следует отнести и решение задачи компенсации нелинейных искажений, вносимых коллимирующим объективом, за счет специально выполненного двухкомпонентного объектива. Изготовление, сборка и юстировка такого объектива представляют значительные сложности, которые многократно возрастают с увеличением диапазона контролируемых деталей. The disadvantage of this device is a large error in the control of linear dimensions due to the nonlinearity of the angular velocity of rotation of a multifaceted mirror prism around its axis. The disadvantages include the solution of the problem of compensating for nonlinear distortions introduced by the collimating lens due to a specially made two-component lens. The manufacture, assembly and alignment of such a lens presents significant difficulties, which increase many times with an increase in the range of controlled parts.

Задачей изобретения является повышение точности измерений путем снижения влияния нелинейности угловой скорости вращения многогранной зеркальной призмы и компенсации нелинейных искажений, вносимых объективом. The objective of the invention is to increase the accuracy of measurements by reducing the influence of non-linear angular velocity of rotation of a multifaceted mirror prism and compensation of non-linear distortions introduced by the lens.

Она решается следующим образом. It is solved as follows.

В устройство, в зону измерений после коллимирующего объектива установлена дополнительно опорная диафрагма, выполненная из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например инвара. Она обеспечивает получение двух опорных интервалов времени прохождения луча через зону измерений, один из которых позволяет скомпенсировать нелинейность угловой скорости вращения многогранной зеркальной призмы, а второй позволяет определить местоположение детали в зоне измерения, что дает возможность компенсировать нелинейные искажения, вносимые коллимирующим объективом. Система обработки сигналов дополнительно снабжена устройством коррекции, которое на основе полученных интервалов времени вносит соответствующие поправки в конечный результат измерения линейных размеров деталей. An additional support diaphragm made of a material with a low coefficient of thermal expansion, such as Invar, is installed in the device, in the measurement zone after the collimating lens. It provides two reference time intervals for the beam to pass through the measurement zone, one of which allows you to compensate for the nonlinearity of the angular velocity of rotation of the polyhedral mirror prism, and the second allows you to determine the location of the part in the measurement zone, which makes it possible to compensate for the nonlinear distortions introduced by the collimating lens. The signal processing system is additionally equipped with a correction device, which, on the basis of the obtained time intervals, makes appropriate corrections to the final result of measuring the linear dimensions of the parts.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства коррекции. In FIG. 1 presents a diagram of the proposed device; in FIG. 2 and 3 are timing diagrams explaining the operation of the correction device.

Устройство содержит источник излучения (лазер) 1, установленные последовательно по ходу его излучения систему плоских зеркал 2 и 3, причем зеркало 3 соориентировано таким образом, чтобы оно не давало тень в зоне измерения, на выходе коллимирующего объектива 4, узел сканирования, состоящий из коллимирующего объектива 4 и многогранной зеркальной призмы 5, установленной с возможностью вращения вокруг оси ее симметрии, диафрагму 6, установленную в зоне измерений, приемный объектив 7, фоторегистрирующую систему 8, выход которой подключен к системе обработки сигналов, включающей блок измерения интервалов времени 9, устройство коррекции 10 и блок регистрации 11. Устройство коррекции содержит контроллер 12 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13. Выход фоторегистрирующей системы 8 подключен к входу блока измерения интервалов времени 9, выход которого связан с входом контроллера 12 и входом ПЗУ 13 устройства коррекции 10. Выход контроллера 12 подключен к входу блока регистрации результатов измерения 11. Контролируемая деталь 14 помещена в зону измерений между опорной диафрагмой 6 и приемным объективом 7. The device comprises a radiation source (laser) 1, a system of flat mirrors 2 and 3, installed in series along its radiation, the mirror 3 being oriented so that it does not give a shadow in the measurement zone, at the output of the collimating lens 4, a scanning unit consisting of a collimating lens 4 and a multifaceted mirror prism 5 mounted for rotation around its axis of symmetry, aperture 6 mounted in the measurement zone, a receiving lens 7, a photo-recording system 8, the output of which is connected to the system a signal processing unit including a time interval measuring unit 9, a correction device 10 and a recording unit 11. The correction device comprises a controller 12 and a read-only memory (ROM) 13. The output of the photo-recording system 8 is connected to the input of the time interval measuring unit 9, the output of which is connected to the input controller 12 and the input of the ROM 13 of the correction device 10. The output of the controller 12 is connected to the input of the recording unit of the measurement results 11. The controlled part 14 is placed in the measurement zone between the reference diaphragm 6 and the receiving m lens 7.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Световой поток от лазера 1 при помощи системы зеркал 2 и 3 направляется в соответствии с положением последнего параллельно оптической оси устройства AA' с незначительным смещением от нее, например на 2 мм, и через объектив 4 направляется далее на отражающие грани вращающейся многогранной призмы 5. Отражаясь от последней, световой пучок проходит в обратном направлении через объектив 4. Перемещение пучка за объективом 4, обусловленное вращением многогранной призмы 5, приводит к пересечению его с контролируемой деталью 14, помещенной в зону измерений между диафрагмой 6 и приемным объективом 7. Приемный объектив 7 фокусирует световой поток на фоторегистрирующую систему 8. Сигнал с фоторегистрирующей системы 8 поступает на вход блока измерений интервалов времени 9, а оттуда в устройство коррекции 10. Наличие диафрагмы 6 позволяет получить опорный интервал времени прохождения светового потока через зону измерений. На фиг. 2 показана временная диаграмма прохождения светового потока через зону измерений. Промежуток времени (t₁-t₄) соответствует опорному интервалу времени, значение которого хранится в ПЗУ устройства коррекции. Момент времени t₁ соответствует "верхней" границе диафрагмы, моменты времени t₂ и t₃ соответствуют размерам детали, момент времени t₄ соответствует "нижней" границе диафрагмы. При изменении угловой скорости вращения многогранной зеркальной призмы 5 меняется интервал времени прохождения светового потока через зону измерения (t₁-t₄) и время прерывания светового потока, соответствующее размерам контролируемой детали (t₂-t₃). Данные о промежутках времени (t₁-

и (t₂-

) с фоторегистрирующей системы 8 поступают в блок измерения интервалов времени 9. С блока измерения интервалов времени 9 данные поступают в контроллер 12 и ПЗУ 13 устройства коррекции 10. На основе полученных данных ПЗУ 13 определяет величину поправок, которые необходимо внести, в результаты измерений линейных размеров контролируемой детали. Данные о величине поправок поступают в контроллер 12, а результаты измерений отображаются в блоке регистрации 11. Реально ни один объектив не может обеспечить линейного перемещения луча в зоне измерений. Зависимость величины скорости смещения луча от угла поворота многогранной зеркальной призмы описывается выражением:

где

- угловая скорость вращения многогранной зеркальной призмы;
α - угол поворота многогранной зеркальной призмы;
f' - фокусное расстояние объектива.The luminous flux from the laser 1 using a system of mirrors 2 and 3 is directed in accordance with the position of the latter parallel to the optical axis of the device AA 'with a slight offset from it, for example by 2 mm, and through the lens 4 is then sent to the reflecting faces of the rotating multifaceted prism 5. Reflecting from the latter, the light beam passes in the opposite direction through the lens 4. The movement of the beam behind the lens 4, due to the rotation of the multifaceted prism 5, leads to its intersection with the controlled part 14, placed in the measurement zone between the diaphragm 6 and the receiving lens 7. The receiving lens 7 focuses the light flux to the photo-recording system 8. The signal from the photo-recording system 8 is fed to the input of the time interval measurement unit 9, and from there to the correction device 10. The presence of the aperture 6 allows you to obtain a reference passage time interval luminous flux through the measurement zone. In FIG. 2 shows a timing diagram of the passage of light through the measurement zone. The time interval (t ₁ -t ₄ ) corresponds to the reference time interval, the value of which is stored in the ROM of the correction device. The time t ₁ corresponds to the "upper" diaphragm boundary, the times t ₂ and t ₃ correspond to the dimensions of the part, the time t ₄ corresponds to the "lower" diaphragm boundary. When changing the angular velocity of rotation of the multifaceted mirror prism 5, the time interval of the passage of the light flux through the measurement zone (t ₁ -t ₄ ) and the interruption time of the light flux corresponding to the dimensions of the controlled part (t ₂ -t ₃ ) change. Data on time intervals (t ₁ -

and (t ₂ -

) from the photo-recording system 8 enter the unit for measuring time intervals 9. From the unit for measuring time intervals 9, the data are transmitted to the controller 12 and the ROM 13 of the correction device 10. Based on the received data, the ROM 13 determines the amount of corrections to be made to the measurement results of linear dimensions controlled details. Data on the magnitude of the corrections are received in the controller 12, and the measurement results are displayed in the registration unit 11. In reality, no lens can provide linear beam movement in the measurement zone. The dependence of the magnitude of the beam displacement rate on the angle of rotation of a multifaceted mirror prism is described by the expression:

Where

- the angular velocity of rotation of a multifaceted mirror prism;
α is the angle of rotation of the multifaceted mirror prism;
f 'is the focal length of the lens.

Из формулы следует, что скорость перемещения луча в зоне измерения при постоянной угловой скорости вращения призмы нелинейно меняется в зависимости от угла поворота, что приводит к погрешности при определении линейного размера dh, соответствующего времени прерывания светового потока dt. На фиг. 3 показаны график распределения скорости перемещения луча в зоне измерений, и временная диаграмма, которая поясняет процесс компенсации нелинейных искажений, вносимых коллимирующим объективом. Промежуток времени (t₁-t₂) позволяет определить местоположение "верхней" границы детали, а промежуток времени (t₁-t₃) местоположение "нижней" границы детали. Данные о промежутках времени (t₁-t₂) и (t₁-t₃) с фоторегистрирующей системы 8 поступают в блок измерения интервалов времени 9. В блоке измерения интервалов времени 9 формируются сигналы, характеризующие местоположение контролируемой детали в зоне измерения, и передаются на вход контроллера 12 и ПЗУ 13. В контроллере 12 с учетом хранящейся в ПЗУ 13 информации о предварительной калибровке зоны измерения и местоположения контролируемой детали 14 в зоне измерения определяются величины поправок, которые необходимо внести в результаты измерений, отображаемые в блоке регистрации 11. При этом повышается точность определения линейных размеров детали.From the formula it follows that the speed of the beam in the measurement zone at a constant angular velocity of rotation of the prism varies non-linearly depending on the angle of rotation, which leads to an error in determining the linear size dh corresponding to the interruption time of the light flux dt. In FIG. Figure 3 shows a graph of the distribution of the velocity of the beam in the measurement zone, and a timing chart that explains the process of compensating for non-linear distortions introduced by the collimating lens. The time interval (t ₁ -t ₂ ) allows you to determine the location of the "upper" part boundary, and the time interval (t ₁ -t ₃ ) the location of the "lower" part boundary. Data on the time intervals (t ₁ -t ₂ ) and (t ₁ -t ₃ ) from the photo-recording system 8 are received in the unit for measuring time intervals 9. In the unit for measuring time intervals 9, signals are generated that characterize the location of the monitored part in the measurement zone and are transmitted to the input of the controller 12 and ROM 13. In the controller 12, taking into account the information stored in the ROM 13 on the preliminary calibration of the measurement zone and the location of the monitored part 14 in the measurement zone, the values of corrections to be made to the measurement results are determined from Rage in the recording unit 11. This increases the accuracy of determining the linear dimensions of the part.

Предлагаемое устройство позволяет существенно повысить точность измерений линейных размеров деталей без внесения в конструкцию дорогостоящих элементов, что позволяет говорить об экономической эффективности предлагаемого устройства. The proposed device can significantly improve the accuracy of measuring the linear dimensions of parts without introducing expensive elements into the design, which allows us to talk about the economic efficiency of the proposed device.

Claims (1)

Устройство для контроля линейных размеров, содержащее лазер и установленные по ходу его излучения систему плоских зеркал, узел сканирования, выполненный в виде коллимирующего объектива и правильной многогранной призмы, установленной с возможностью вращения вокруг оси ее симметрии, приемный объектив, фоторегистрирующее устройство, систему обработки сигналов, отличающееся тем, что в зону измерений после коллимирующего объектива установлена опорная диафрагма для получения двух опорных интервалов времени прохождения луча, выполненная из материала с малым коэффициентом температурного расширения, а в систему обработки сигнала дополнительно введено устройство коррекции нелинейности угловой скорости поворота многогранной призмы и нелинейных искажений, вносимых коллимирующим объективом. A device for controlling linear dimensions, containing a laser and a system of flat mirrors installed along its radiation, a scanning unit made in the form of a collimating lens and a regular multifaceted prism mounted to rotate around its axis of symmetry, a receiving lens, a photo-recording device, a signal processing system, characterized in that a reference diaphragm is installed in the measurement zone after the collimating lens to obtain two reference intervals of the beam passage time, made of material with a low coefficient of thermal expansion, and a signal processing system is further introduced nonlinearity correction apparatus angular velocity of the multifaceted prism and non-linear distortions introduced by collimating lens.

Images