RU2557381C2 - Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation - Google Patents
Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2557381C2 RU2557381C2 RU2013152692/02A RU2013152692A RU2557381C2 RU 2557381 C2 RU2557381 C2 RU 2557381C2 RU 2013152692/02 A RU2013152692/02 A RU 2013152692/02A RU 2013152692 A RU2013152692 A RU 2013152692A RU 2557381 C2 RU2557381 C2 RU 2557381C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tip
- measuring rod
- optical
- product
- light flux
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машино-, станко- и приборостроению и предназначено для автоматического контроля линейных размеров цилиндрической и конической формы изделий (золотников, плунжеров, шестерен, шлицевых и гладких валиков, сверл, фрез, зенкеров, разверток, метчиков, калибров, концевых мер длины, протяжек и других деталей с минимальными допусками 2…4 мкм и любым числом выступов, начиная с одного, и с минимальной их шириной 0,05 мм) на операциях шлифования на кругло-, плоско-, бесцентрово-, резьбо-, шлице-, зубошлифовальных станках и других в индивидуальном и мелкосерийном производствах.The invention relates to machine, machine tool and instrument engineering and is intended for automatic control of the linear dimensions of a cylindrical and conical shape of products (spools, plungers, gears, spline and smooth rollers, drills, mills, countersinks, reamers, taps, gauges, end measures of length, broaches and other parts with a minimum tolerance of 2 ... 4 microns and any number of protrusions, starting with one, and with a minimum width of 0.05 mm) for grinding operations on round, flat, centerless, thread, slot, gear grinding machine tools and others in ividualnom and small batch production.
Особенность активного контроля линейных размеров изделий на металлообрабатывающих станках заключается в особо тяжелых условиях измерений, обусловленных потоком непрозрачной смазочно-охлаждающей жидкости, ее испарениями, потоками стружки и горячих искр. В связи с этим использование бесконтактных, в т.ч. и оптических, средств измерений размеров допустимо в основном лишь для послеоперационного контроля (после прекращения обработки), а для активного контроля практически не представляется возможным. Поэтому современные приборы активного контроля (ПАК) линейных размеров изделий по-прежнему являются контактными, как правило, одно- или двухконтактными. Среди требований, предъявляемых к ПАК, особо востребовано совместное использование управляемых регуляторов скорости движения измерительного наконечника для обеспечения постоянного контакта с обрабатываемой деталью и прецизионными средствами измерения текущей координаты наконечника.A feature of active control of the linear dimensions of products on metalworking machines is the particularly difficult measurement conditions due to the flow of an opaque cutting fluid, its vapors, chip flows and hot sparks. In this regard, the use of contactless, incl. and optical, measuring instruments of dimensions is permissible mainly only for postoperative control (after termination of processing), and for active control it is practically not possible. Therefore, modern active control devices (PAC) of linear dimensions of products are still contact, as a rule, one- or two-contact. Among the requirements for PAK, the joint use of controlled speed regulators of the measuring tip is especially demanded to ensure constant contact with the workpiece and precision measuring instruments for the current coordinate of the tip.
Современные управляемые регуляторы скорости в ПАК создаются на основе гидро-, пьезо- и электроприводов и позволяют управлять скоростьюModern controlled speed controllers in the PAK are created on the basis of hydro-, piezo- and electric drives and allow you to control the speed
перемещения наконечника в широких пределах, как минимум, в диапазоне от 5 мкм/с до 0,5 мм/с.the movement of the tip over a wide range, at least in the range from 5 μm / s to 0.5 mm / s.
Измерение текущей координаты наконечника ранее чаще всего осуществлялось посредством индуктивных преобразователей (как правило, на основе неподвижного магнитопровода с катушками индуктивности и подвижного сердечника) с точностью на уровне 1-5 мкм, а в настоящее время все чаще более точными растровыми датчиками.Measurement of the current tip coordinate was most often carried out by means of inductive transducers (as a rule, on the basis of a fixed magnetic circuit with inductors and a moving core) with an accuracy of 1-5 μm, and nowadays, it is increasingly more accurate by raster sensors.
Одноконтактные ПАК обладают большей наглядностью, поэтому в дальнейшем описании для лучшей демонстрации предлагаемых способа и устройств будут представлены именно они.Single-contact PAKs have greater clarity, therefore, in the following description they will be presented in order to better demonstrate the proposed method and devices.
Известен способ активного контроля линейных размеров изделий с прерывистыми поверхностями (способ-аналог), реализованный на основе устройства для линейных измерений [Авторское свидетельство СССР №1328157, МПК B23Q 15/00. Устройство для линейных измерений / Леун В.И., Долганев Ю.Г., Леун Е.В., опубл. в Бюлл.№4, 10.02.2008], в котором используют подвижный измерительный стержень с закрепленным на нем наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе пьезопривода, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством этого пьезопривода управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к вращающейся (или перемещающейся) поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью неподвижного магнитопровода с катушками индуктивности и подвижного сердечника, установленного на измерительном стержне, преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.A known method of active control of the linear dimensions of products with discontinuous surfaces (analogue method), implemented on the basis of a device for linear measurements [USSR Author's Certificate No. 1328157, IPC B23Q 15/00. Device for linear measurements / Leun V.I., Dolganev Yu.G., Leun E.V., publ. in Bull.no.4, 02/10/2008], in which a movable measuring rod is used with a tip fixed to it, the measuring rod is fixed from its rotation around its axis, a controlled speed controller based on a piezoelectric actuator connected through a friction coupling with the measuring rod is used, of this piezoelectric actuator control the direction and speed of the linear movement of the tip, set the speed of movement of the tip in the direction normal to the rotating (or moving) surface of the product, consisting of protrusions dressings and troughs, provide mechanical contact between the article and the tip by a stationary yoke with coils and a movable core mounted on the dipstick is converted in the current coordinate of the tip into an electrical signal by the value which is judged on the linear dimension of the product, indicate the linear dimension of the product.
Устройство (устройство-аналог), реализующее этот способ, содержит узел отсчета и контактный индуктивный преобразователь, включающий установленный на направляющих поступательного перемещения с герметизирующей мембраной корпус, в котором расположены измерительный стержень с наконечником, неподвижный магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный сердечник, установленный на измерительном стержне, индуктивный преобразователь снабжен управляемым пьезоприводом, выполненным в виде набора пьезокерамических шайб, сжатых винтом через упругую прокладку и соосно установленную втулку, в отверстие которой входит цанга, закрепленная жестко на измерительном стержне, причем пьезокерамические шайбы соединены с введенным в устройство источником пилообразного напряжения.A device (analog device) that implements this method includes a reference unit and a contact inductive transducer, including a housing mounted on translational guides with a sealing membrane, in which a measuring rod with a tip, a fixed magnetic circuit with inductors, and a movable core mounted on the measuring the rod, the inductive transducer is equipped with a controlled piezodrive, made in the form of a set of piezoceramic washers, compressed by a screw through h elastic gasket and coaxially mounted sleeve, the hole of which includes a collet fixed rigidly on the measuring rod, and piezoceramic washers connected to the sawtooth voltage source introduced into the device.
Недостатками данных способа- и устройства- аналогов являются: - сложная схема как самого устройства при его сборке, настойке и юстировке, так и схемы управления высоковольтного (напряжение сигнала управления - 1000-2000 В) пьезопривода, малый диапазон перемещения измерительного стержня с наконечником,The disadvantages of the data of the method and analog devices are: - a complex scheme of the device itself during its assembly, adjustment and adjustment, and the control circuit of the high-voltage (control signal voltage - 1000-2000 V) piezoelectric drive, a small range of movement of the measuring rod with a tip,
ограничения точности измерений, обусловленные большой погрешностью, свойственной неподвижному магнитопроводу с катушками индуктивности и подвижному сердечнику, а также вызванной влиянием наводок и помех от высокочастотного высоковольтного сигнала управления пьезопривода, формируемого для управления движением измерительного стержня с наконечником, на выходной измерительный сигнал магнитопровода.limitations of measurement accuracy due to the large error inherent in a fixed magnetic circuit with inductors and a moving core, as well as due to the influence of pickups and interference from a high-frequency high-voltage control signal of the piezo drive, formed to control the movement of the measuring rod with a tip, on the output measuring signal of the magnetic circuit.
Известен способ активного контроля линейных размеров изделий (способ-аналог), реализованный на основе устройства для активного контроля линейных размеров изделий [Патент РФ №2316420, МПК B24B 49/00. Устройство для активного контроля линейных размеров изделий/ Леун В.И., Николаева Е.В., Тигнибидин А.В., опубл. в Бюлл.№4, 10.02.2008], который заключается в том, что используют трехгранный подвижный измерительный стержень со сквозным отверстием с закрепленным на нем подвижным сердечником, а на его торце наконечником, за счет использования трех граней измерительного стержня фиксируют от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе электромагнитного исполнительного механизма, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством электромагнитного исполнительного механизма управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к перемещающейся поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью подвижного сердечника и магнитопровода с катушками преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.A known method of active control of the linear dimensions of products (analogue method), implemented on the basis of a device for active control of the linear dimensions of products [RF Patent No. 2316420, IPC B24B 49/00. Device for active control of the linear dimensions of products / Leun V.I., Nikolaeva E.V., Tignibidin A.V., publ. in Bull.№4, 02.10.2008], which consists in the fact that they use a trihedral movable measuring rod with a through hole with a movable core fixed to it, and a tip at its end, due to the use of three faces of the measuring rod, they are fixed from its rotation around of their axis, a controlled speed controller is used on the basis of an electromagnetic actuator connected through a frictional coupling with a measuring rod, by means of an electromagnetic actuator they control the direction the linear velocity of the tip movement, set the tip speed in the direction normal to the moving surface of the product, consisting of protrusions and depressions, provide mechanical contact between the item and the tip, using a movable core and a magnetic circuit with coils, convert the current tip coordinate into an electrical signal, by the value of which they judge the linear size of the product, indicate the linear size of the product.
Устройство для активного контроля линейных размеров изделий с прерывистыми поверхностями (устройство-аналог), реализующее этот способ, содержит узел отсчета и контактный индуктивный преобразователь, имеющий измерительный стержень, магнитопровод с катушками и исполнительный механизм. Измерительный стержень выполнен трехгранным с внутренним отверстием, с наконечником и подвижным сердечником и установлен на направляющей поступательного перемещения в виде роликовой беззазорной направляющей качения, заполненной вязкой жидкостью и имеющей герметизирующую мембрану, магнитопровод с катушками индуктивности и исполнительный механизм расположены в общем корпусе. Внутри отверстия измерительного стержня закреплена плоская пружина с накладкой из фрикционного материала.A device for actively controlling the linear dimensions of products with discontinuous surfaces (an analog device) that implements this method comprises a reference unit and a contact inductive transducer having a measuring rod, a magnetic circuit with coils and an actuator. The measuring rod is made trihedral with an internal hole, with a tip and a movable core and is mounted on a translational guide in the form of a roller clearance-free rolling guide filled with a viscous fluid and having a sealing membrane, a magnetic circuit with inductors and an actuator are located in a common housing. A flat spring with a friction material pad is fixed inside the opening of the measuring rod.
Недостатками данных способа- и устройства- аналогов являются:The disadvantages of these method and analog devices are:
- небольшой (в пределах±0,3 мм) диапазон измерения при использовании его для определения размера изделия по методу непосредственной оценки;- a small (within ± 0.3 mm) measuring range when using it to determine the size of the product according to the direct assessment method;
- наличие механизма для точной (±0,5 мкм) перенастройки преобразователя на другой размер изделия, усложняющего конструкцию прибора активного контроля;- the presence of a mechanism for accurate (± 0.5 μm) reconfiguration of the converter to a different product size, complicating the design of the active control device;
- значительное (3…5 минут) время переналадки устройства на другой размер изделия;- Significant (3 ... 5 minutes) time for changing the device to another product size;
- невозможность контроля конических поверхностей изделий (конических хвостовиков стержневого инструмента, шлицевых протяжек и др.) при значительной (1….3 мм и более) разнице их диаметров;- the inability to control the conical surfaces of the products (conical shanks of the core tool, slotted broaches, etc.) with a significant (1 ... .3 mm or more) difference in their diameters;
- увеличение измерительного усилия в устройстве за счет уменьшения зазора между якорем и полюсом электромагнитного исполнительного механизма в процессе обработки изделия и измерения его размера.- increasing the measuring force in the device by reducing the gap between the armature and the pole of the electromagnetic actuator during processing of the product and measuring its size.
Известен способ активного контроля линейных размеров изделий (способ-прототип), реализованный на основе устройства для активного контроля линейных размеров изделий [Патент РФ №2447984 МПК B24B 49/00, G01B 7/12. Устройство для активного контроля линейных размеров изделий/Леун В.И., Леун А.В., Ковальчук А.С., опубл. в Бюлл.№11, 20.04.2007], который заключается в том, что используют подвижный измерительный стержень со сквозным отверстием с закрепленным на его торце наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют наконечник с лицевой, боковой и тыльной поверхностями, к последней из которых крепят измерительный стержень, используют привод, связанный через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством первого управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении к перемещающейся поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и лицевой поверхностью наконечника и образуют по площади механического контакта на лицевой поверхности наконечника рабочую зону, формируют электрический сигнал, связанный с текущей координатой наконечника, используют этот сигнал для расчета линейного размера изделия, индицируют значение линейного размера изделия.A known method of active control of the linear dimensions of products (prototype method), implemented on the basis of a device for active control of the linear dimensions of products [RF Patent No. 2447984 IPC B24B 49/00, G01B 7/12. Device for active control of the linear dimensions of products / Leun V.I., Leun A.V., Kovalchuk A.S., publ. in Byul.№11, 04/20/2007], which consists in the fact that they use a movable measuring rod with a through hole with a tip fixed to its end, fix the measuring rod from its rotations around its axis, use a tip with front, side and back surfaces , to the last of which the measuring rod is attached, a drive is used that is connected through a friction link with the measuring rod, by means of the first, the direction and speed of the linear movement of the tip are controlled, and the speed of motion n the tip in the direction of the moving surface of the product, consisting of protrusions and depressions, provide mechanical contact between the product and the front surface of the tip and form a working area by the area of mechanical contact on the front surface of the tip, form an electrical signal associated with the current coordinate of the tip, use this signal to calculation of the linear size of the product, indicate the value of the linear size of the product.
Наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для активного контроля линейных размеров изделий (устройство-прототип), содержащее узел отсчета, с электрическими входом и выходом, контактный преобразователь, имеющий измерительный стержень с наконечником, имеющим лицевую, боковую и тыльную поверхности, установленным на направляющей поступательного перемещения в виде беззазорной направляющей качения, фрикционный и герметизирующий элементы и исполнительный механизм, расположенные в общем корпусе, при этом исполнительный механизм связан с выходом узла отсчета, измерительный стержень контактного преобразователя выполнен с внутренним сквозным отверстием, установлен на направляющей поступательного перемещения с закрытыми подшипниками качения, заполненными вязкой смазкой, и фрикционно соединен с исполнительным механизмом, преобразователь с электрическим выходом, измеряющий текущую координату наконечника, подключенный ко входу узла отсчета.The closest in number of common features and in technical essence to the proposed invention is a device for active control of the linear dimensions of products (prototype device), containing a reference node, with electrical input and output, a contact transducer having a measuring rod with a tip having a front, side and the rear surface mounted on the translational guide in the form of a clearance-free rolling guide, friction and sealing elements, and fur bottom located in a common housing, while the actuator is connected to the output of the reference unit, the measuring rod of the contact transducer is made with an internal through hole, is mounted on the translational guide with closed rolling bearings filled with viscous lubricant, and is friction-connected to the actuator, the converter is electrical output, measuring the current coordinate of the tip, connected to the input of the reference node.
Недостатками этих способа- и устройства- прототипов являются низкая точность измерений по следующим причинам:The disadvantages of these method and device prototypes are the low accuracy of the measurements for the following reasons:
- текущая координата точки контакта наконечника с изделием не совпадает с фактической измеряемой координатой средства измерений, что приводит к появлению дополнительных передаточных элементов и, как следствие, появлению дополнительных механических составляющих погрешности от люфтов, смещений, гистерезисов, износа наконечника и др.,- the current coordinate of the point of contact of the tip with the product does not coincide with the actual measured coordinate of the measuring instrument, which leads to the appearance of additional transmission elements and, as a result, the appearance of additional mechanical components of the error from backlash, displacement, hysteresis, wear of the tip, etc.,
- наличие температурных составляющих погрешности от теплового расширения измерительного стержня, наконечника и отсутствие возможности ее измерения и внесения корректив в результаты измерений.- the presence of temperature components of the error from the thermal expansion of the measuring rod, tip and the lack of the ability to measure it and make adjustments to the measurement results.
Технической задачей, решаемой предлагаемыми способом и устройствами, является повышение точности контроля линейных размеров изделий.The technical problem solved by the proposed method and devices is to increase the accuracy of control of the linear dimensions of the products.
Согласно изобретению указанная задача обеспечивается тем, что способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности, включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника с заданной скоростью в направлении к поверхности изделия до возникновения механического контакта между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, использует наконечник из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, посредством лазерного излучения создают входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня, и освещают им под заданным углом падения внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника, при этом в зоне контакта наконечника с изделием формируют отраженный световой поток и тепловой поток, интенсивность которого связана с температурой наконечника, направляют упомянутые потоки через упомянутое отверстие измерительного стержня для измерения их параметров, отделяют отраженный световой поток от теплового, преобразуют измеряемый параметр отраженного светового потока в электрический сигнал для расчета текущей координаты наконечника, измеряют интенсивность теплового потока и формируют второй электрический сигнал, связанный с текущей температурой наконечника, с учетом которого корректируют значение линейного размера обрабатываемого изделия.According to the invention, this task is ensured by the fact that the method of active control of linear dimensions during processing of the product made with depressions and protrusions on the surface, including the use of a movable measuring rod fixed with rotations with a drive and fixed from rotations with a through hole and a tip fixed to its end the back side, linear movement of the tip with a given speed towards the surface of the product until mechanical contact occurs waiting for the product and the face of the tip with the formation of the working area, the formation of an electrical signal characterizing the current coordinate of the tip, and using this signal to calculate the linear size of the product with an indication of its value, uses a tip of optically transparent material with a protective coating deposited on its outer face with the formation of a hole corresponding to the contact zone of the tip with the product, by means of laser radiation create the input light flux, which direct through the through hole of the measuring rod, and illuminate it with a given angle of incidence on the inner side of the front surface of the tip, while in the contact zone of the tip with the product, a reflected light flux and a heat flux are formed, the intensity of which is related to the temperature of the tip, they direct these streams through the mentioned hole of the measuring rod to measure their parameters, separate the reflected light flux from the heat, convert the measured parameter of the reflected light flux into an electric signal for calculating the current coordinate of the tip, measure the heat flux and form a second electrical signal associated with the current temperature of the tip, taking into account which the value of the linear size of the workpiece is adjusted.
Отличием способа является то, что входной световой поток радиально смещают от оси измерительного стержня, на внутренней стороне боковой поверхности наконечника выделяют две противоположные рабочие площадки с заданными углами наклона и используют их в качестве первой и второй зон отражения, освещают входным световым потоком первую зону отражения, передают входной световой поток внутри наконечника ко второй зоне отражения для создания отраженного светового потока.The difference between the method is that the input light flux is radially offset from the axis of the measuring rod, two opposite working platforms with predetermined angle of inclination are distinguished on the inner side of the side surface of the tip and use them as the first and second reflection zones, illuminate the first reflection zone with the input light flux, transmit the input light flux inside the tip to the second reflection zone to create a reflected light flux.
Другим отличием является то, что число зон отражения устанавливают больше двух и включают в это число зон рабочую зону отражения.Another difference is that the number of reflection zones is set to more than two, and the working reflection zone is included in this number of zones.
Еще одним отличием является то, что входной световой поток радиально смещают от продольной оси измерительного стержня, перед тыльной поверхностью наконечника устанавливают оптическую систему, с помощью которой отклоняют распространяющийся входной световой поток для освещения рабочей зоны отражения в наконечнике и формируют отраженный световой поток, отклоняющийся оптической системой.Another difference is that the input light flux is radially offset from the longitudinal axis of the measuring rod, an optical system is installed in front of the back surface of the tip, with which the propagating input light flux is deflected to illuminate the reflection working area in the tip and a reflected light flux deflecting by the optical system is formed .
Кроме того, отличием является то, что задают значение угла падения входного светового потока на рабочую зону отражения в наконечнике.In addition, the difference is that they set the angle of incidence of the input light flux on the working reflection zone in the tip.
Отличием способа также является то, что в качестве измеряемого параметра отраженного светового потока используют фазовый набег.The difference of the method is also that a phase incursion is used as the measured parameter of the reflected light flux.
Также согласно изобретению указанная задача обеспечивается тем, что устройство для активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности, содержащее узел отсчета, контактный преобразователь, включающий измерительный стержень с наконечником, имеющим лицевую, боковую и тыльную поверхности, фрикционный и герметизирующий элементы и исполнительный механизм, расположенные совместно с измерительным стержнем в общем корпусе, при этом исполнительный механизм связан с выходом узла отсчета, измерительный стержень контактного преобразователя выполнен со сквозным отверстием и установлен на направляющей поступательного перемещения с закрытыми подшипниками качения, заполненными вязкой смазкой, и фрикционно соединен с исполнительным механизмом, оно снабжено двумя оптическими фильтрами, светоделителем, первым преобразователем, реализованным на основе оптической измерительной системы, и вторым преобразователем, реализованном на основе пирометра, при этом наконечник выполнен из оптически прозрачного материала с защитным покрытием на его внешней стороне лицевой поверхности, нанесенным с образованием отверстия, при этом наконечник выполнен с возможностью отражения светового потока и оптически связан через сквозное отверстие измерительного стержня с первым преобразователем, причем между первым преобразователем и сквозным отверстием измерительного стержня последовательно установлены оптически связанные первый оптический фильтр и светоделитель с двумя оптическими выходами, второй выход которого через второй оптический фильтр оптически связан со вторым преобразователем, причем первый и второй преобразователи своими электрическими выходами соединены со входами узла отсчета.Also, according to the invention, this task is ensured by the fact that a device for actively controlling linear dimensions during processing of an article made with depressions and protrusions on a surface, comprising a reference unit, a contact transducer including a measuring rod with a tip having a front, side and back surfaces, friction and sealing elements and an actuator located together with the measuring rod in a common housing, while the actuator is connected to the output of reference, the measuring rod of the contact transducer is made with a through hole and is mounted on the translational guide with closed rolling bearings filled with viscous grease, and is frictionally connected to the actuator, it is equipped with two optical filters, a beam splitter, the first transducer based on the optical measuring system , and a second transducer based on a pyrometer, wherein the tip is made of optically transparent material with a protective coating on its outer side of the front surface, deposited with the formation of the hole, the tip is made with the possibility of reflection of the light flux and is optically connected through the through hole of the measuring rod with the first transducer, and between the first transducer and the through hole of the measuring rod are optically connected an optical filter and a beam splitter with two optical outputs, the second output of which through the second optical filter is optically It is connected with a second converter, the first and second converters being connected to the inputs of the reference unit by their electrical outputs.
Отличием устройства является то, что первый преобразователь выполнен со вторым электрическим выходом, а узел отсчета - с третьим электрическим входом, к которому подключен второй электрический выход первого преобразователя.The difference between the device is that the first converter is made with a second electrical output, and the reference unit with a third electrical input, to which a second electrical output of the first converter is connected.
Другим отличием устройства является то, что оно снабжено оптической схемой, установленной между светоделителем и наконечником.Another difference of the device is that it is equipped with an optical circuit mounted between the beam splitter and the tip.
Еще одним отличием устройства является то, что в качестве оптической схемы использована фокусирующая линзовая система.Another difference of the device is that a focusing lens system is used as an optical circuit.
Кроме того, отличием устройства является то, что оптическая схема состоит из двух призм, расположенных перед и после наконечника.In addition, the difference between the device is that the optical scheme consists of two prisms located before and after the tip.
Также отличием устройства является то, что оптическая схема состоит из двух пар последовательно расположенных по ходу входного и отраженного световых потоков дифракционной решетки и диафрагмы.Another difference of the device is that the optical scheme consists of two pairs of consecutively located along the input and reflected light fluxes of the diffraction grating and the diaphragm.
Помимо этого, отличием устройства является то, что оптическая схема содержит волоконно-оптический разветвитель, состоящий из подводящего, отводящего и общего плечей, выполненных на основе оптических волокон.In addition, the difference between the device is that the optical circuit contains a fiber optic splitter, consisting of inlet, outlet and common arms, made on the basis of optical fibers.
Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном изобретении.Received a new quality from this set of features was not previously known and is achieved only in this invention.
Работа способа поясняется рисунками с изображением устройств, реализующих предлагаемый способ.The method is illustrated by drawings with the image of devices that implement the proposed method.
Фиг.1а,б представляет устройство (фиг.1а) активного контроля (в дальнейшем по тексту - устройство) №1, с фронтальным (или под малыми углами относительно оси измерительного стержня 2.1) освещением внутренней стороны лицевой поверхности наконечника 2.5 (фиг.1б).Figa, b represents the device (figa) active control (hereinafter referred to as the device) No. 1, with frontal (or at small angles relative to the axis of the measuring rod 2.1) illumination of the inner side of the front surface of the tip 2.5 (fig.1b) .
На фиг.2а,б изображено устройство №2 (фиг.2а) с боковым освещением света внутренней стороны лицевой поверхности наконечника 2.5 за счет использования оптической системы 2.7 (фиг.2б).On figa, b shows the device No. 2 (figa) with lateral illumination of the light of the inner side of the front surface of the tip 2.5 through the use of an optical system 2.7 (fig.2b).
На фиг.3 изображены варианты наконечников 2.5 для разных вариантов устройств:Figure 3 shows the options for the tips 2.5 for different device options:
фиг.3а - при использовании двух рабочих площадок с заданными углами наклона на внутренней стороне боковых поверхностей наконечника 2.5 без освещения рабочей зоны,figa - when using two working sites with specified angles on the inner side of the side surfaces of the tip 2.5 without lighting the working area,
фиг.3б - при использовании двух рабочих площадок с заданными углами наклона на внутренней стороне боковых поверхностей наконечника 2.5 с освещением рабочей зоны,figb - when using two working platforms with predetermined angles of inclination on the inner side of the side surfaces of the tip 2.5 with illumination of the working area,
На фиг.3в - с отклонением входного 9 и отраженного 10.1 потоков оптической системой 2.7 на основе дифракционной решетки и диафрагмы,On figv - with a deviation of the
фиг.3г - с отклонением входного 9 и отраженного 10.1 потоков оптической системой 2.7 на основе оптических призм,figg - with a deviation of the
На фиг.3д - с направлением входного 9 и отраженного 10.1 потоков оптической системой 2.7 на основе волоконно-оптического разветвителя.On fig.3d - with the direction of the
Предлагаемый способ реализуется на основе двух групп устройств. В первой группе входной поток 9 следует по оси измерительного стержня 2.1 (вдоль нее или под малыми углами к ней), как показано на фиг.1. При этом формируется единственная точка освещения внутренней стороны лицевой поверхности наконечника 2.5.The proposed method is implemented on the basis of two groups of devices. In the first group, the
У второй группы этот оптический поток радиально смещен от оси к стенке измерительного стержня 2.1 (фиг.2).In the second group, this optical flow is radially offset from the axis to the wall of the measuring rod 2.1 (Fig.2).
Устройство №1 (фиг.1а,б) включает следующие блоки: узел отсчета 1, состоящий из индикатора 1.1 и процессора 1.2, контактный преобразователь 2, состоящий из измерительного стержня 2.1, подшипников качения 2.2, регулировочных винтов 2.3, эластичной гофрированной трубки 2.4, наконечника 2.5 с защитным покрытием 2.6, привод 3, состоящий из исполнительного механизма 3.1, фрикционной муфты 3.2, регулировочного винта 3.3 и фрикционного элемента 3.4, оптическую схему 4 с двумя выходами, состоящую из первого преобразователя 4.1 с одним выходом, второго преобразователя 4.2 с одним выходом, светоделителя 4.3, оптических фильтров 4.4 и 4.5, корпус 5.The device No. 1 (figa, b) includes the following blocks: a
В устройство №2 (фиг.2а,б), в отличие от устройства №1, дополнительно введена оптическая система 2.7, расположенная внутри измерительного стержня 2.1 перед наконечником 2.5 (по ходу входного оптического потока 9), которая может быть реализована на основе кольцеобразной призмы (оптическое кольцо с призмой по сечению). Кроме того, у первого преобразователя 4.1 создан еще один выход.In device No. 2 (Fig. 2a, b), in contrast to device No. 1, an optical system 2.7 is additionally introduced, located inside the measuring rod 2.1 in front of the tip 2.5 (along the input optical stream 9), which can be implemented on the basis of an annular prism (optical ring with a prism in cross section). In addition, the first converter 4.1 has another output.
Измерительный стержень 2.1 выполнен со сквозным внутренним отверстием и установлен на беззазорной направляющей качения поступательного перемещения, образованной закрытыми подшипниками качения 2.2, заполненными вязкой смазкой. Для выбора зазора и создания натяга (3…5 мкм) предусмотрены два регулировочных винта 2.3. Выход измерительного стержня 2.1 прикреплен к наконечнику 2.5 и герметизирован эластичной гофрированной трубкой 2.4. Наружная поверхность измерительного стержня 2.1, как и в прототипе, может быть выполнена, например, в форме шестигранника или представлять собой трубку с прикрепленной различными способами (наклеенной, припаянной или приваренной) сверху пластиной. Такая форма измерительного стержня 2.1 фиксирует его от поворота вокруг его оси при минимальной массе и высокой поперечной жесткости.The measuring rod 2.1 is made with a through inner hole and is mounted on a clearance-free rolling guide of translational movement formed by closed rolling bearings 2.2 filled with viscous grease. To adjust the gap and create an interference fit (3 ... 5 μm), two adjustment screws are provided 2.3. The output of the measuring rod 2.1 is attached to the tip 2.5 and sealed with an elastic corrugated tube 2.4. The outer surface of the measuring rod 2.1, as in the prototype, can be made, for example, in the form of a hexagon or a tube with a plate attached in various ways (glued, soldered or welded) on top. This shape of the measuring rod 2.1 fixes it against rotation around its axis with a minimum mass and high lateral stiffness.
В устройстве имеется исполнительный механизм 3.1 в форме электропривода, соединенного через фрикционную муфту 3.2. Весь привод 3 (например, на основе шагового или вентильного двигателя) работает по сигналу с выхода узла отчета 1, которым управляют направлением и скоростью линейного движения измерительного стержня 2.1 и наконечника 2.5. Создание нужного натяга осуществляется через регулировочный винт 3.3 и фрикционный элемент 3.4. Последний фиксирует положение измерительного стержня 2.1 в момент отсутствия управляющего сигнала на исполнительный механизм 3.1. Все эти элементы крепятся в корпусе 5, устанавливаемом вблизи места обработки.The device has an actuator 3.1 in the form of an electric drive connected through a friction clutch 3.2. The entire drive 3 (for example, based on a stepper or valve motor) operates on a signal from the output of the
Узел отсчета 1 имеет два выхода и два входа. Вход индикатора 1.1 соединен с первым выходом процессора 1.2, второй выход которого является первым выходом узла отсчета 1 и подключен ко входу исполнительного механизма 3.1. Третий выход узла отсчета 1 является выходом для связи с системой ЧГТУ и/или системой управления станка. Два входа узла отсчета 1, являющиеся входами процессора 1.2, соединены с выходами оптической схемы 4, т.е. с выходами первого 4.1 и второго 4.2 преобразователя.
Наконечник 2.5 выполнен из высокопрочного оптически прозрачного материала, такого как, например, алмаз, рубин, сапфир, карбид кремния или представителей корундовых кристаллов, и условно имеет лицевую (спереди), боковую (сбоку) и тыльную (сзади) поверхности.The tip 2.5 is made of a high-strength optically transparent material, such as, for example, diamond, ruby, sapphire, silicon carbide or representatives of corundum crystals, and conditionally has a front (front), side (side) and back (back) surface.
Лицевая и боковая поверхности наконечника 2.5 в общем могут иметь криволинейную выпуклую форму, плоскую и ровную в области, непосредственно прилегающей к зоне контакта (рабочей зоне, диаметром обычно не более 1-3 мм), и в процессе активного контроля контактирует с изделием 6. Его тыльная поверхность, как правило, делается плоской и крепится к измерительному стержню 2.1.The front and side surfaces of the tip 2.5 can generally have a curvilinear convex shape, flat and even in the area directly adjacent to the contact zone (working area, usually with a diameter of not more than 1-3 mm), and in contact with
Защитное покрытие 2.6 имеет отверстие и защищает большую часть внешней поверхности наконечника 2.5 от механических воздействий, налипания стружки, результатов металлообработки, остатков СОЖ, перераспределяет внешнюю нагрузку более равномерно по его поверхности.The protective coating 2.6 has a hole and protects most of the outer surface of the tip 2.5 from mechanical influences, chip buildup, metal processing results, coolant residues, redistributes the external load more evenly on its surface.
Для некоторых технических решений, оно также может использоваться для создания условий отражения (в т.ч. и полного внутреннего отражения) входного 9 и отраженного 10.1 потоков при их движении по телу оптически прозрачного наконечника 2.5.For some technical solutions, it can also be used to create reflection conditions (including total internal reflection) of
Отверстие защитного покрытия 2.6 соответствует рабочей зоне, зоне контакта наконечника 2.5 с изделием 6 для обеспечения прямого механического контакта.The opening of the protective coating 2.6 corresponds to the working area, the contact zone of the tip 2.5 with the
Устройство №1 (фиг.1а) на круглошлифовальном станке работает следующим образом. В процессе обработки вращающееся изделие 6 с прерывистой поверхностью доводится до нужного размера путем съема лишнего металла (припуска) шлифовальным кругом 7 при обильном поливе смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ) 8. Для обеспечения контакта с поверхностью изделия 6 в процессе работы посредством привода 3 перемещают измерительный стержень 2.1 с наконечником 2.5 к изделию 6. Экспериментально показано, что скорость движения наконечника 2.5 должна быть на (10…15)% больше скорости съема припуска с изделия 6: Vн=(1,10…1,15)·Vс, где Vн - скорость движения наконечника 2.5; Vс - скорость съема припуска для разных этапов обработки: для чернового шлифования Uчерн=200…500 мкм/с; для чистового шлифования - Uчист=10…50 мкм/с; для выхаживания Uвых=0,5…2,0 мкм/с (Леун В.И. «Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизионных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля». Докт. диссерт. С-Петербург, 1994).Device No. 1 (figa) on a circular grinding machine operates as follows. During processing, the
Фрикционная муфта 3.2 настраивается таким образом, чтобы обеспечить как перемещение измерительного стержня 2.1, так и осуществить ее проскальзывание при встречном воздействии, например, при выходе наконечника 2.5 со впадины на выступ изделия 6. Подшипники качения 2.2 заполняются вязкой смазкой для создания дополнительной гидравлической силы трения и исключения отрыва наконечника 2.5 от выступов изделия с прерывистой поверхностью 6.The friction clutch 3.2 is adjusted in such a way as to ensure both the movement of the measuring rod 2.1 and its slippage when counter-impacting, for example, when the tip 2.5 exits from the cavity to the protrusion of the
Первым преобразователем 4.1 направляется входной поток 9, представляющий из себя поток лазерного когерентного излучения, вдоль оси (или под малыми углами относительно нее) сквозного отверстия измерительного стержня 2.1 на наконечник 2.5. Этот поток проходит через тело наконечника 2.5 и освещает его внутреннюю сторону лицевой поверхности в области рабочей зоны (т.е. места касания с изделием 6) фронтально или под малым углом падения. Отразившись от внутренней стороны лицевой поверхности в рабочей зоне, часть входного потока 9 следует в обратном направлении и формирует отраженный поток 10.1 (фиг.1б).The first converter 4.1 directs the
Помимо этого наконечник 2.5 излучает инфракрасный (ИК) тепловой поток (излучение) 10.2, интенсивность которого пропорциональна его температуре. Поэтому от наконечника 2.5 в направлении оптической схемы 4 через сквозное отверстие измерительного стержня 2.1 следует два потока: отраженный поток 10.1 и тепловой поток 10.2.In addition, the tip 2.5 emits infrared (IR) heat flux (radiation) 10.2, the intensity of which is proportional to its temperature. Therefore, from the tip 2.5 in the direction of the optical circuit 4 through the through hole of the measuring rod 2.1 there are two streams: the reflected stream 10.1 and the heat stream 10.2.
В ней светоделителем 4.3, оптическими фильтрами 4.4 и 4.5 эти два потока 10.1 и 10.2 разделяются и направляются соответственно на первый преобразователь 4.1 и во второй преобразователь 4.2.In it, a beam splitter 4.3, optical filters 4.4 and 4.5, these two streams 10.1 and 10.2 are separated and sent respectively to the first converter 4.1 and to the second converter 4.2.
Оптические фильтры 4.4 и 4.5 используются для спектрального разделения двух пространственно совмещенных оптических потоков 10.1 и 10.2, следующих от наконечника 2.5. Оптический фильтр 4.4 настроен на длину волны λт теплового потока 10.2 в стандартном спектральном диапазоне ~3-15 мкм, который обычно используется пирометрами для измерения температуры. Оптический фильтр 4.5 может быть настроен на длину волны λо первого преобразователя 4.1, которая, как правило, бывает из ряда наиболее часто используемых 0,63 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм.Optical filters 4.4 and 4.5 are used for spectral separation of two spatially combined optical streams 10.1 and 10.2, following from the tip 2.5. The optical filter 4.4 is tuned to a wavelength λ t of heat flux 10.2 in the standard spectral range of ~ 3-15 μm, which is usually used by pyrometers to measure temperature. The optical filter 4.5 can be tuned to a wavelength λ of the first transducer 4.1, which, as a rule, comes from a number of the most commonly used 0.63 microns, 1.06 microns, 10.6 microns.
Второй преобразователь 4.2 по сути представляет собой один из вариантов широкоизвестных конструкций пирометров, измеряющих интенсивность теплового потока 10.2. Он формирует выходной сигнал N(tн), который следует на первый вход узла отсчета 1 и содержит информацию о температуре tн наконечника 2.5, которая используется для корректировки результатов измерения текущей координаты lн.The second converter 4.2 is essentially one of the variants of well-known pyrometer designs measuring the heat flux intensity 10.2. It generates an output signal N (t n ), which follows the first input of the
В качестве первого преобразователя 4.1, измеряющего текущую координату lн наконечника 2.5, могут быть использованы лазерные интерферометры перемещений с измерением фазового набега световых волн Δφ [Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1983] или лазерные интерференционные устройства на основе эффекта внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере Δf [Патент РФ №2393427 МПК G01C 3/08. Лазерный измеритель дальности и перемещений/ Соболев B.C., Щербаченко A.M., Харин A.M., Опубл. 27.06.2010, Бюл.№18].As the first transducer 4.1, measuring the current coordinate l n of the tip 2.5, laser displacement interferometers with measuring the phase incidence of light waves Δφ can be used [Koronkevich VP, Sobolev VS, Dubnischev Yu.N. Laser interferometry. Science, Siberian Branch, Novosibirsk, 1983] or laser interference devices based on the effect of external optical feedback in an Δf semiconductor injection laser [RF Patent No. 2393427 IPC G01C 3/08. Laser measuring range and displacement / Sobolev BC, Scherbachenko AM, Harin AM, Publ. 06/27/2010, Bull. No. 18].
Выходной сигнал N(lн) с выхода первого преобразователя 4.1 следует на второй вход узла отсчета 1 и несет информацию о текущей координате lн наконечника 2.5. Процессор 1.2, принимающий сигналы о текущей координате lн и температуре tн, вводит температурную коррекцию при расчете размера изделия 6, передает информационный сигнал о скорректированных результатах измерений для демонстрации индикатором 1.1 и через второй выход узла отсчета 1 на систему ЧПУ и/или систему управления станка.The output signal N (l n ) from the output of the first converter 4.1 follows the second input of the
По достижении нужного линейного размера изделия 6 формируется информационный сигнал на индикатор 1.1, на останов процесса обработки и привод 3 для отвода измерительного стержня 2.1 и наконечника 2.5 от детали - процесс обработки и измерения закончен.Upon reaching the desired linear size of the
Существенное достоинство устройства №1, как всей первой группы устройств, заключается в практически полном исключении износа наконечника 2.5 из результатов измерений. Это обусловлено тем, что в устройстве №1 направления оптических потоков 9 и 10.1 совпадают с направлением износа наконечника 2.5 и за счет использования оптически прозрачного материала происходит измерение текущей координаты lн его рабочей зоны, касающейся поверхности изделия 6, без появления дополнительных передаточных звеньев.A significant advantage of device No. 1, as the entire first group of devices, is the almost complete exclusion of wear of the tip 2.5 from the measurement results. This is due to the fact that in the device No. 1, the directions of the
Общий процесс измерения состоит из нескольких операций:The general measurement process consists of several operations:
1) приближение наконечника 2.5 к вращаемому (перемещаемому) обрабатываемому изделию 6 от изначально выбранной опорной координаты (перед процессом контроля),1) the approach of the tip 2.5 to the rotatable (movable) workpiece 6 from the initially selected reference coordinate (before the control process),
2) контактирование наконечника 2.5 с выступами изделия 6: внешняя среда - металлическая поверхность выступа изделия 6 (в процессе контроля),2) contacting the tip 2.5 with the protrusions of the product 6: the external environment is the metal surface of the protrusion of the product 6 (in the control process),
3) нахождение наконечника 2.5 над впадиной между выступами изделия 6: отсутствие контакта с поверхностью изделия 6, внешняя среда - воздух или СОЖ (в процессе контроля).3) the location of the tip 2.5 above the cavity between the protrusions of the product 6: lack of contact with the surface of the
Во время второго периода, когда есть контакт наконечника 2.5 с выступами изделия 6 (рабочая зона контактирует с металлом изделия 6), внешней средой является металлическая поверхность выступа изделия 6, а это значит, что для входного потока 9 создаются условия почти зеркального отражения.During the second period, when there is a contact of the tip 2.5 with the protrusions of the product 6 (the working area is in contact with the metal of the product 6), the external environment is the metal surface of the protrusion of the
Во время первого и третьего периода наконечник 2.5 контактирует с внешней средой и худшим вариантом для этого является воздух (nв≈1,0), когда создаются условия для слабого отражения потока 10.1 от границы наконечник 2.5-воздух. С этого для обеспечения устойчивой работы первого преобразователя 4.1 подбирается нужное сочетание параметров этого блока и наконечника 2.5, например, таких как мощность излучателя, длина волны света λо, оптические параметры материала наконечника 2.5 (например, коэффициенты отражения и поглощения, диапазон длин волн окна прозрачности и др.), чувствительность первого преобразователя 4.1, угол падения света на внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника 2.5 и т.п.During the first and third periods, the tip 2.5 is in contact with the external environment and the worst option for this is air (n at ≈1.0), when conditions are created for weak reflection of the flux 10.1 from the boundary of the 2.5-air tip. From this, to ensure the stable operation of the first converter 4.1, the necessary combination of the parameters of this block and tip 2.5 is selected, for example, such as the emitter power, light wavelength λ о , optical parameters of the tip material 2.5 (for example, reflection and absorption coefficients, wavelength range of the transparency window etc.), the sensitivity of the first transducer 4.1, the angle of incidence of light on the inner side of the front surface of the tip 2.5, etc.
Подобное сочетание вполне достижимо, например, при использовании первого преобразователя 4.1 на основе лазерного интерференционного устройства на основе эффекта внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере [Патент РФ №2102705 МПК G01B 21/00. Устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью/ Котова С.П., Чернышов А.К., Якуткин В.В., опубл. 20.01.1998]. Это устройство применяется для измерения перемещений объектов именно с разными типами поверхности: слабоотражающей, зеркальной или диффузной. Использование подобных устройств позволит сделать непрерывным весь цикл измерения независимо от того, касается ли наконечник 2.5 поверхности изделия 6 или нет.A similar combination is quite achievable, for example, when using the first 4.1 converter based on a laser interference device based on the effect of external optical feedback in a semiconductor injection laser [RF Patent No. 2102705 IPC G01B 21/00. A device for measuring displacements based on a semiconductor injection laser with external optical feedback / Kotova SP, Chernyshov AK, Yakutkin VV, publ. 01/20/1998]. This device is used to measure the movements of objects with different types of surface: weakly reflective, mirror or diffuse. The use of such devices will make it possible to make the entire measurement cycle continuous regardless of whether the tip 2.5 touches the surface of the
Увеличение угла падения света на внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника 2.5 приводит к возрастанию интенсивности отраженного оптического потока 10.1, но также и к появлению нескомпенсированной погрешности lизн от износа наконечника 2.5. В связи с этим возможны различные варианты выбора компромисса между этими параметрами исходя из всех требований, предъявляемых ко всему устройству №1.An increase in the angle of incidence of light on the inner side of the front surface of the tip 2.5 leads to an increase in the intensity of the reflected optical flux 10.1, but also to the appearance of an uncompensated error l out of wear of the tip 2.5. In this regard, there are various options for choosing a compromise between these parameters based on all the requirements for the entire device No. 1.
Возможен вариант, когда исходя из требований к точности прибора задают максимальную оценку lизн на уровне, например, lизн≈Δlобщ/3 (чтобы ей вообще пренебречь при условии геометрического сложения с другими независимыми составляющими погрешности), где Δlобщ - общая погрешность измерений устройства. Далее из значения lизн рассчитывается максимальный угол падения света на внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника 2.5.It is possible that, based on the requirements on the accuracy of the instrument, the maximum estimate l out of the level is set, for example, l out ≈Δl total / 3 (so that it can be neglected under the condition of geometric addition with other independent error components), where Δl total is the total measurement error devices. Next, from the value of l out calculated the maximum angle of incidence of light on the inner side of the front surface of the tip 2.5.
Отличия второй группы устройств, реализующих предлагаемый способ, от первой заключается в радиальном смещении входного оптического потока 9 и соответственно отраженного оптического потока 10.1 от оси к стенке измерительного стержня 2.1.The differences of the second group of devices that implement the proposed method from the first is the radial displacement of the input
В данном описании вторая группа представлена описанием устройства №2 (фиг.2а), хотя ее можно реализовать несколькими устройствами, в первую очередь, за счет использования разных конструкций оптических систем 2.7. Некоторые варианты последней изображены на фиг.3. В частности на фиг.3в представлена оптическая система на основе дифракционной решетки 2.7.1 и диафрагмы 2.7.2. Наиболее просто использовать фокусирующую линзовую систему (не показана).In this description, the second group is represented by the description of device No. 2 (Fig. 2a), although it can be implemented by several devices, primarily through the use of different designs of optical systems 2.7. Some variants of the latter are shown in FIG. In particular, FIG. 3c shows an optical system based on a diffraction grating 2.7.1 and aperture 2.7.2. The easiest way is to use a focusing lens system (not shown).
Конструктивно отличия устройства №2 (фиг.2а) заключаются во введении оптической системы 2.7 (например, в виде кольцеобразной призмы - фиг.2б), расположенной внутри измерительного стержня 2.1 перед наконечником 2.5 (по ходу входного оптического потока 9), которая может быть реализована на основе кольцеобразной призмы (оптическое кольцо с призмой по сечению).Structurally, the differences in device No. 2 (Fig. 2a) consist in the introduction of an optical system 2.7 (for example, in the form of an annular prism - Fig. 2b) located inside the measuring rod 2.1 in front of the tip 2.5 (along the input optical stream 9), which can be implemented based on an annular prism (optical ring with a prism in cross section).
Также в первый преобразователь 4.1 добавлена схема (полностью не показана на фиг.2), измеряющая ортогональные смещения ly отраженного потока 10.1, возникающие из-за износа наконечника 2.5. В связи с этим у первого преобразователя 4.1 создан еще один выход, формирующий сигнал N(ly), следующий на созданный третий вход узла отчета 1 и соответственно третий вход процессора 1.2. На основе этого сигнала в процессоре 1.2 происходит дополнительный расчет величины износа наконечника 2.5 и соответствующая корректировка при расчете размера изделия 6.Also, a circuit (not completely shown in FIG. 2) has been added to the first transducer 4.1, which measures the orthogonal displacements l y of the reflected flux 10.1 arising from the wear of the tip 2.5. In this regard, the first converter 4.1 has another output that generates a signal N (l y ), the next to the created third input of the
В виду близости конструкций устройств №1 и №2 они работают подобно. Отличия заключаются в том, что за счет радиально смещенного оптического потока 9 внутри наконечника 2.5 формируется траектория движения с угловым освещением рабочей зоны наконечника 2.5. При этом в зависимости от подбора оптических параметров может происходить как частичное отражение оптического потока 9 (часть света уходит во вне), так и полное внутреннее отражение. В последнем случае внутренняя сторона лицевой поверхности наконечника 2.5 является полностью отражающей.In view of the proximity of the designs of devices No. 1 and No. 2, they work similarly. The differences are that due to the radially shifted
Для данного технического решения компенсация износа наконечника 2.5 осуществляется за счет измерения N(ly). Это можно произвести за счет использования устройств для контроля смещений лазерных потоков ортогональных (или под углом) к направлению их распространения. Как вариант могут использоваться т.н. триангуляционные устройства, измеряющие пространственное положение отраженного оптического потока Δly [Лысенко О. Триангуляционные датчики расстояния. «Электронные компоненты» №11, 2005, с.1-5, http://www.sick-automation.ru/images/File/pdf/rasstoyanie.pdf].For this technical solution, the wear of the tip 2.5 is compensated by measuring N (l y ). This can be done by using devices to control the displacements of laser flows orthogonal (or at an angle) to the direction of their propagation. Alternatively, so-called triangulation devices measuring the spatial position of the reflected optical flux Δl y [Lysenko O. Triangulation distance sensors. “Electronic Components” No. 11, 2005, p.1-5, http://www.sick-automation.ru/images/File/pdf/rasstoyanie.pdf].
Для второй группы можно создать и другие устройства, в первую очередь, за счет использования других конструкций наконечников. Некоторые варианты конструкций наконечников для этих устройств изображены на фиг.3.For the second group, you can create other devices, primarily through the use of other designs of tips. Some tip designs for these devices are shown in FIG.
Особенность наконечника 2.5 на фиг.3а заключается в создании условий для, как минимум, двухкратного изменения распространения хода входного 9 и отраженного 10.1 потоков за счет отражений. При этом на внутренней стороне боковой поверхности наконечника выделяют две противоположные рабочие площадки с заданными углами наклона и используют их в качестве первой и второй зон отражения.The feature of the tip 2.5 in figa is to create conditions for at least a twofold change in the propagation of the
Число таких зон отражения можно увеличить таким образом, чтобы включить в это число зон рабочую зону отражения (фиг.3б). Другими словами, подобрать такое сочетание конструктивных и оптических параметров наконечника 2.5, чтобы среди зон отражений одна из точек соответствовала рабочей зоне отражений, месту контакта его с изделием 6.The number of such reflection zones can be increased so as to include the working reflection zone in this number of zones (Fig. 3b). In other words, choose a combination of the structural and optical parameters of the tip 2.5 so that among the reflection zones one of the points corresponds to the working reflection zone, the place of contact with the
Зоны отражений могут быть и не совсем плоскими, но их отклонение от плоскостности не должно давать искривление волнового фронта, нарушающее устойчивую работу первого преобразователя 4.1 и увеличение погрешности измерений более допустимого. Иначе эффект от использования предлагаемых способа и устройства обесценится.The reflection zones may not be completely flat, but their deviation from flatness should not give a wavefront curvature that violates the stable operation of the first transducer 4.1 and the increase in measurement error is more acceptable. Otherwise, the effect of using the proposed method and device will depreciate.
Также возможно применение в качестве оптической схемы 2.7 дифракционной решетки 2.7.1 и диафрагмы 2.7.2 (на фиг.3в). Для углового отклонения входного потока 9 и освещения рабочей зоны наконечника 2.5 используется свойство дифракции света на дифракционной решетке 2.7.1 с последующим выделением нужного порядка дифракции диафрагмой 2.7.2. Отраженный поток 10.1 повторно аналогично дифрагирует, выделяется из набора дифракционных порядков и направляется в оптическую схему 4.It is also possible to use a diffraction grating 2.7.1 and aperture 2.7.2 as an optical scheme 2.7 (in Fig. 3c). For the angular deviation of the
При использовании +1 дифракционного порядка угол дифракции определяется как φm=argcin(λ0/lдр), lдр - шаг дифракционной решетки, φm - угол дифракции m-го порядка, λ0 - длина волны входного потока 9. Для длины волны λ0=0,63 мкм наконечника из алмаза с углом полного внутреннего отражения ≈24° шаг дифракционной составит ≈1,6 мкм. Такой шаг дифракционной решетки легко реализуем в современных условиях и, например, соответствует шагу между соседними треками на современных компакт-дисках.When using +1 diffraction order, the diffraction angle is defined as φ m = argcin (λ 0 / l dr ), l dr is the step of the diffraction grating, φ m is the mth order diffraction angle, λ 0 is the
На фиг.3д и 3е представлены наконечники для работы с радиально смещенными входным 9 и отраженным 10.1 потоками и фронтальным (или под малыми углами падения) освещением рабочей зоны. Первый вариант реализован на основе призм, в т.ч. и с полупрозрачной светоделительной гранью, которые могут представлять единый элемент. Второй вариант реализован на основе волоконно-оптического разветвителя (преобразователя), например, с подводящим (приемным), отводящим (выходным) и общим плечами, состоящего из одномодовых оптических волокон и средств ввода-вывода входного 9 и отраженного 10.1 потоков (не показаны). Современные достижения в области изготовления оптических и волоконно-оптических элементов позволяют без значительных затруднений реализовать оба варианта.On fig.3d and 3e presents tips for working with radially offset
Сущность предлагаемого способа и работы устройств заключается в следующем.The essence of the proposed method and device operation is as follows.
Для обеспечения функционирования данного изобретения предлагается следующее.To ensure the functioning of this invention, the following is proposed.
1. В связи с использованием полого оптически прозрачного измерительного стержня 2.1 в данном изобретении предлагается ввести контроль температуры по уровню инфракрасного диапазона спектра потока, излучаемого естественным путем от наконечника 2.5 подобно пирометрам. Такой контроль температуры наконечника 2.5 tн позволяет вводить температурную компенсацию в результат измерения и повысить точность линейных размеров изделия.1. In connection with the use of a hollow optically transparent measuring rod 2.1, the present invention proposes to introduce temperature control by the level of the infrared range of the spectrum of the stream radiated naturally from the tip 2.5 like pyrometers. Such control of the temperature of the tip 2.5 t n allows you to enter temperature compensation in the measurement result and improve the accuracy of the linear dimensions of the product.
2. Повышение точности измерений предлагаемых способа и устройств также достигается за счет определения координаты lн лицевой поверхности наконечника 2.5 напрямую, без применения дополнительных передаточных звеньев. Это достигается при изготовлении наконечника 2.5 из материалов, обладающих как оптической прозрачностью, так и высокой прочностью. В списке таких материалов находятся алмаз, сапфир, карбид кремния, корундовые и другие кристаллы.2. Improving the measurement accuracy of the proposed method and devices is also achieved by determining the coordinate l n on the front surface of the tip 2.5 directly, without the use of additional transmission links. This is achieved in the manufacture of tip 2.5 from materials with both optical transparency and high strength. The list of such materials includes diamond, sapphire, silicon carbide, corundum and other crystals.
Использование оптически прозрачного наконечника 2.5 и измерение текущей координаты lн внешней грани наконечника 2.5 разными устройствами (с фронтальным и боковым освещением, с частичным или полным внутренним отражением) позволяет исключить, минимизировать и/или скорректировать влияние износа на результат измерений размеров изделия 6.Using an optically transparent tip 2.5 and measuring the current coordinate l on the outer edge of the tip 2.5 with different devices (with frontal and side illumination, with partial or total internal reflection) eliminates, minimizes and / or corrects the effect of wear on the measurement result of
Таким образом, в данном изобретении реализован внешне полностью закрытый оптический канал, исключающий попадание потока непрозрачной СОЖ, ее испарения от нагреваемых шлифовального круга и изделия, стружки и поток искр в схему измерений. Повышается точность измерений размеров изделия за счет исключения большинства передаточных звеньев и, как следствие, исключения их сложных температурных линейных деформаций путем бесконтактного измерения текущей координаты наконечника lн. Также влияние износа наконечника 2.5 может быть полностью исключено, минимизировано и/или учтено путем внесения корректив при расчетах размеров изделия 6.Thus, in this invention, an externally completely enclosed optical channel is realized, which excludes the ingress of an opaque coolant stream, its evaporation from a heated grinding wheel and product, chips and spark flow into the measurement circuit. The accuracy of measurements of the dimensions of the product is increased by eliminating most of the transmission links and, as a result, eliminating their complex temperature linear deformations by non-contact measurement of the current coordinate of the tip l n . Also, the influence of the wear of the tip 2.5 can be completely eliminated, minimized and / or taken into account by making adjustments in calculating the dimensions of the
Кроме этого, появляется новая функциональная возможность измерения температуры наконечника tн и введения коррекции в результат измерений.In addition, there is a new functionality for measuring the temperature of the tip t n and introducing correction in the measurement result.
Ожидаемая точность измерений по перемещениям для разных устройств, реализующих предлагаемый способ: от 0,01 до 0,5 мкм, температуры - от 0,5°C до 2°C.The expected accuracy of measurements of displacements for different devices that implement the proposed method: from 0.01 to 0.5 μm, temperature - from 0.5 ° C to 2 ° C.
Реализуемость предлагаемого изобретения подтверждается реализуемостью отдельных его блоков. Узел отсчета 1 может быть выполнен подобно электронным блокам управления, использовавшимся ранее для автоматического контроля [Соболев М.П., Этингоф М.И. «Автоматический контроль на металлорежущих станках», с.90], с добавлением современного мощного процессора 1.2.The feasibility of the invention is confirmed by the feasibility of its individual blocks. The
Реализуемость механической части устройства была подтверждена макетным исполнением, упомянутым еще в прототипе [Патент РФ №2447984 МПК B24B 49/00, G01B 7/12. Устройство для активного контроля линейных размеров изделий/Леун В.И., Леун А.В., Ковальчук А.С., опубл. в Бюлл.№11, 20.04.2007]. Диапазон перемещения измерительного стержня был до 100 мм и более. Проверка работоспособности проводилась на круглошлифовальном станке мод. ЗА110. Изделие - зенкер двухперый с твердосплавными режущими зубьями, ширина выступа 0,05 мм, число оборотов изделия изменяли от n=150…до 500 об/мин. Масса измерительного стержня 3 с присоединенными массами других элементов находилась в пределах 30…35 грамм.The feasibility of the mechanical part of the device was confirmed by the prototype design mentioned in the prototype [RF Patent No. 2447984 IPC B24B 49/00, G01B 7/12. Device for active control of the linear dimensions of products / Leun V.I., Leun A.V., Kovalchuk A.S., publ. in Bull. No. 11, 04.20.2007]. The range of movement of the measuring rod was up to 100 mm or more. The performance check was carried out on a mod grinding machine. ZA110. The product is a two-feather vertical drill with carbide cutting teeth, the width of the protrusion is 0.05 mm, the number of revolutions of the product was changed from n = 150 ... to 500 rpm. The mass of the measuring rod 3 with the attached masses of other elements was within 30 ... 35 grams.
Оптические высокоточные измерения температуры посредством ИК пирометров и перемещений (положения) изделий лазерными интерферометрами и/или дальномерами являются к настоящему времени высоко технологически проработанными направлениями.Optical high-precision temperature measurements by means of infrared pyrometers and displacements (positions) of products by laser interferometers and / or range finders are currently highly technologically advanced directions.
В связи с вышеизложенным, практическая реализуемость различных вариантов предлагаемого изобретения не должна вызывать сомнений.In connection with the foregoing, the practical feasibility of various variants of the invention should not be in doubt.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013152692/02A RU2557381C2 (en) | 2013-11-28 | 2013-11-28 | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013152692/02A RU2557381C2 (en) | 2013-11-28 | 2013-11-28 | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013152692A RU2013152692A (en) | 2015-06-10 |
| RU2557381C2 true RU2557381C2 (en) | 2015-07-20 |
Family
ID=53285079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013152692/02A RU2557381C2 (en) | 2013-11-28 | 2013-11-28 | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2557381C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648901C2 (en) * | 2016-02-04 | 2018-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Измираль" | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding |
| RU2822491C1 (en) * | 2023-11-13 | 2024-07-08 | Публичное акционерное общество "КАМАЗ" | Method of processing flat and curved surfaces of die tooling with correction of tool wear and machine errors |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3793775A (en) * | 1970-12-03 | 1974-02-26 | Toyoda Machine Works Ltd | Sizing device |
| US4473951A (en) * | 1983-03-09 | 1984-10-02 | Finike Italiana Marposs S.P.A. | Gauging head for checking dimensions of workpieces |
| SU1328157A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-07 | Омский политехнический институт | Device for linear measurements |
| RU2316420C2 (en) * | 2006-03-07 | 2008-02-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Arrangement for active control of linear sizes of articles |
| RU2447984C2 (en) * | 2010-03-22 | 2012-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Device for active control over article linear sizes |
-
2013
- 2013-11-28 RU RU2013152692/02A patent/RU2557381C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3793775A (en) * | 1970-12-03 | 1974-02-26 | Toyoda Machine Works Ltd | Sizing device |
| US4473951A (en) * | 1983-03-09 | 1984-10-02 | Finike Italiana Marposs S.P.A. | Gauging head for checking dimensions of workpieces |
| SU1328157A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-07 | Омский политехнический институт | Device for linear measurements |
| RU2316420C2 (en) * | 2006-03-07 | 2008-02-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Arrangement for active control of linear sizes of articles |
| RU2447984C2 (en) * | 2010-03-22 | 2012-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Device for active control over article linear sizes |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648901C2 (en) * | 2016-02-04 | 2018-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Измираль" | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding |
| RU2822491C1 (en) * | 2023-11-13 | 2024-07-08 | Публичное акционерное общество "КАМАЗ" | Method of processing flat and curved surfaces of die tooling with correction of tool wear and machine errors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013152692A (en) | 2015-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10612907B2 (en) | Device and method for measuring workpieces | |
| KR102114504B1 (en) | Laser machining apparatus | |
| US11059116B2 (en) | Method and apparatus for gear skiving | |
| US8131385B2 (en) | Positioning device and positioning method with non-contact measurement | |
| US4908951A (en) | Coordinate measuring and testing machine | |
| Prelle et al. | Reflective optical sensor for long-range and high-resolution displacements | |
| WO2002074482A1 (en) | Apparatus and method for focal point control for laser machining | |
| WO2020071109A1 (en) | Machine device and electrical discharge machining device | |
| SE508228C2 (en) | Device for detecting and calculating the focus position, shape and power distribution of a laser beam | |
| CN107941154A (en) | A kind of displacement measurement system and measuring method | |
| Schmitt et al. | Process monitoring in laser micro machining | |
| KR20150044418A (en) | Method for controlling laser cladding and laser cladding system | |
| RU2557381C2 (en) | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation | |
| GB2040074A (en) | Laser beam machining | |
| Charrett et al. | Workpiece positioning sensor (wPOS): A three-degree-of-freedom relative end-effector positioning sensor for robotic manufacturing | |
| EP3816575B1 (en) | Chromatic point sensor optical pen with adjustable working range and adjustable stand-off distance and method of adjusting a working range and a stand-off distance of a chromatic point sensor | |
| JP2010137321A (en) | Double ball bar | |
| US20130188199A1 (en) | Normal vector tracing ultra-precision shape measurement method | |
| JP2017133892A (en) | Rotation angle detector and rotation angle detection method | |
| JP2011240457A (en) | Cutting device, and cutting method | |
| KR20150053884A (en) | Method for creating work path of work piece using laser cladding system | |
| CN109189002A (en) | A kind of Surface Milling control system for processing and lathe | |
| JP2006322820A (en) | Method and device of measuring displacement of actuator | |
| RU2603516C1 (en) | Method of article made with surface recesses and ledges linear sizes measuring | |
| KR20160126949A (en) | Method for creating work path of work piece using laser cladding system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151129 |