SU958854A1

SU958854A1 - Устройство дл одновременного измерени несоосности и направлени

Info

Publication number: SU958854A1
Application number: SU787770332A
Authority: SU
Inventors: Криг Вернер
Original assignee: Феб Карл Цейс Йена (Инопредприятие)
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1978-10-26
Publication date: 1982-09-15
Also published as: DD136070B1; DD136070A1; FR2410249A1; US4277169A; DE2847718A1

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ НЕСООСНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ

Изобретение касаетс измерительного устройства дл одновременного измерени несоосноти и направлени , при котором измер емые значени отклонений соосности и направлени относительно установленной оси измерени имеютс в виде электрического аналогового сигнала. Прибор дл измерени несоосности и направлени работает в св зи с источником света, который высылает параллельный пучок световых лучей. Возможности его применени и его радиус действи завис т от мощности источника света. Известны измерительные устройства различных исполнений, которые соедин ют в себе функции прибора дл измерени несоосности и нап)завлени . Описание изобретени к экономическому патенту ДД18222 содержит описание прибора дл измерени несоосности и направлени классического вида,, с которым возможно проводить различные измерени хот одним устройством, но только поочередно . Измерительна головка состоит из системы зрительных труб с объективом, окул ра и пластины (штриховой репродукции) в задней фокальной плоскости объектива. На измерительной головке укреплено зеркало с маркировкой креста. При измерении несоосности объектив устанавливаетс так, что зеркало находитс в плоскости предмета. Маркировка креста на зеркале отображаетс тогда в плоскости изображени от объектива на пластины (штриховой репродукции). Каждое отклонение от совпадени обеих маркировок можно узнать и оценить с помощью окул ра как отклонение от соосности. При измерении направлени используетс тоже оптическа система, только при этом объектив фокусируетс на бесконечность. В ход лучей зрительной трубы вводитс наплывом риска, а после отражени в зеркале предмета риска снова отображаетс на пластине (штриховой репродукции). Каждое опрокидывание зеркала ведет к отклонению от совпадений обеих рисок и может быть замер но как отклонение направлени . Этот принцип автоколлимации примен етс тоже в описании изобретени SV 416556. Измерительна головка построена подобно, а объектив можно фокусировать выборочно или на отражательную систему у измер емого предмета, или на бесконечность . Отражательна система при этом исполнении образована особо. Она содержит объектив, окул р и два зеркала. Така двойна зеркальна система позвол ет фиксировать возникновение двух наложенных изображений рисок уже в отражательной системе как при измерении направлени , так и при измерении несоосности. Изображение и оценка происход т обычным путем в измерительной головке устройства. Обе измерительные системы имеют недостатки . Измерение несоосности и направлени можно проводить всегла только по очереди и фокусное рассто ние объектива при переходе с одного вида измерени на другой нужно изменить (учесть рассто ние между измер емым предметом и измерительной головкой ) . Известны также приборы дл измерени несоосности и направлени , которые позвол ют проводить оба измерени одновременно . В описани х изобретений DD 86508 и GB 841165 представлены устройства с двум системами объективов. Один из объективов фокусируетс при этом на зеркало предмета или на перекрестке у предмета, а Б измерительной головке сравнением с неподвижным штриховым делением определ етс отклонение от оси объектива. Второй объектив служит дл оценки параллельного хода луча. Оцениваемые изображени рисок лежат в одной плоскости изображени друг на друге или р дом. Обе измерительные системы выполнены относительно сложно, так как принцип действи обычного прибора дл измерени несоосности и направлени остаетс почти неизменным. Кроме возможности одновременного измерени остаютс или даже увеличиваютс все другие недостатки. Так необходимое деление пополам интенсивности света об зательно отрицательно сказываетс на достигаемой точности измер емого рассто ни . В описании изобретени к патенту DE OS 1548480 представлен прибор дл измерени несоосности, который использует лазерный источник света и предпочитает вмес то визуального фотоэлектрическое оценивание результата измерени . Лазерный световой пучок попадает на подразделенный на четыре квадранта фотоэлектрический приемник и каждое отклонение пучка света из центра квадрантного фотоприемника вызывает в отдельных фотоэлектрических преобразовател х изменение фототока. Величина изменени вл етс мерой дл измерени несоосности. Если фототок в одном преобразователе повышаетс , то в противоположном преобразователе он уменьшаетс . Поэтому дл упрощени электронной схемы эти элементы соединены с элементами формировани разности. Подобным образом происходит оценивание несоосности пучка света в других измерительных устройствах, которые представлены в описани х изобретений к патентам DE AS 2000828 и DE OS 1911956 и GB 1178007. Описание изобретени к патенту DE OS 2208004 показывает расположение преобразователей в мостовой схеме. По своему действию эта схема не отличаетс от элементов формировани разности. Все известные электронные .схемы оценки представл ют собой только замену обычного визуального определени измеренных значений при измерении несоосности и направлени . Они не касаютс принципа действи измерительного устройства. Необходимо найти простую оптическую конструкцию дл измерител несоосности и направлени при быстром и одновремнном определении измер емых значений дл нескольких координат и при высоком комфорте обслуживани . Измерительное устройство должно обеспечивать измерени также на большие измер емые рассто ни . В основе изобретени лежит задача заменить часть оптического определени измер емой величины оценкой с помош,ью электронных средств. В устройстве дл одновременного измерени несоосности и направлени , содержащем источник света, со сфокусированным на бесконечно.сть пучком световых лучей, измерительную головку, состо щую из измерител несоосности и лежащего в ходе лучей измерител несоосности разделител пучка лучей дл отфильтровывани другого хода лучей, в измерительной плоскости измерител несоосностй расположен блок фотоэлектрического преобразовани , преобразователи которого электрически разделены друг от друга и упор дочены в плоскости преобразовани , дл оценки несоосности к преобразовател м подключена электронна схема оценки , в измерительной плоскости отфильтрованного хода лучей расположен другой идентично собранный блок фотоэлектрического преобразовани , два расположенных на одном месте плоскости преобразовани , преобразовател из обоих блоков фотоэлектрического преобразовани подключены к первому элементу формировани разности, причем между преобразовател ми и входами этих первых элементов формировани разности имеетс электрическа св зь, дл оценки отклонени направлени существует известна электронна схема оценки, входы которой электрически св заны с выходами первых элементов формировани разности. Схемы оценки имеют при этом одинаковое строение и содержат два элемента формировани разности, входы которых соответственно соединены с диаметрально противоположными преобразовател ми или первыми элементами формировани разности. которые подключены к соответственно диаметрально противоположным преобразовател м обоих блоков фотоэлектрического преобразовани . Первые элементы формировани разности содержат еще регулирующие усиление элементы дл согласовани информационных каналов или дл поверки индикатора измер емой величины. Блоки фотоэлектрического преобразовани состо т предпочтительно из четырех преобразователей, образованных в виде круговых сегментов. Непосредственно перед каждым преобразователем расположены кольцевые диафрагмы . В одном исполнении устройства измеритель несоосности выполнен в виде зрительной трубы, в плоскости изображени которой расположен блок фотоэлектрического преобразовани , а в отфильтрованном ходе лучей вне плоскости,изображени , относ щейс к этому ходу лучей оптической системы, расположен второй блок фотоэлектрического преобразовани . В фокальной плоскости объектива зрительной тру.бы находитс диафрагма с отверстием . В другой конструкции без оптической системы линз в ходе лучей измерител несоосности блок фотоэлектрического преобразовани расположен на оптически более коротком рассто нии за входным зрачком измерительной головки, чем блок фотоэлектрического преобразовани в отфильтрованном ходе лучей. Фокусированный на бесконечность пучок световых лучей состоит предпочтительно из пучка лазерного света, оптически расширенного в диаметре. Преимущество изобретени состоит в том, что при простой и надежной оптической конструкции и относительно малых затратах схемных элементов конструкции обеспечиваетс быстрое и точное определение измер емых значений по двум координатам дл измерени как несоосности, так и направлени . Результат измерени можно сделать видимым или записать дл дальнейшей оценки и применени . Использование расширенного лазерного пучка света в св зи с кольцевой диафрагмой перед фотоэлектрическими преобразовател ми приносит то преимущество, что фотоэлектрические преобразователи расположены внутри светового пучка в области самых больших изменений ркости. Это обеспечивает высокую чувствительность измерени . Дл выверки измер емого объекта и измерительной головки не требуютс сложные юстировочные работы. Как только световой пучок охватываетс измерительной головкой , непосредственно после установки на нуль можно начинать измерение. На фиг. 1 изображена оптическа и электронна часть измерительной головки измерител несоосности и направлени согласно изобретению; на фис. 2 - другой вид исполнени оптической части. Весь измеритель несоосности и направлени состоит из источника света (не показан), который высылает параллельный пучок световых лучей из измерительной головки 1 дл определени измер емых значений. Измерительна головка 1 в свою очередь содержит оптическую часть и систему электронных схем. Дл измерени несоосности в оптической части измерительной головки 1 расположена система зрительных труб, состо ща из объектива 2, диафрагмы 3 с отверстием, окул ра 4, кольцевой диафрагмы 5 и блока 6 фотоэлектрического преобразовани . В ходе лучей зрительной трубы находитс разделитель 7 пучка лучей дл отфильтровывани другого хода лучей. В отфильтрованном ходе лучей имеютс диафрагма 8 с отверстием, кольцева диафрагма 9 и блок 10 фотоэлектрического преобразовани . Дл выверки измерительной головки 1 сначала оптическа ось зрительной трубы приводитс в точное соответствие с осью параллельного пучка световых лучей. Зрительна труба выполнена так, что плоскость объекта лежит в непосредственной близости от входного отверсти измерительной головки 1,ча блок 6 фотоэлектрического преобразовани находитс в принадлежащей плоскости изображени . Плоскостью объекта называют плоскость в параллельном ходе лучей , котора изображаетс в плоскости изображени . Плоскость измерени характеризует положение блока б фотоэлектрического преобразовани . Кручение измерительной головки 1 вокруг своего входного отверсти не действует на блок 6 фотоэлектрического преобразовани . Этим блоком 6 фотоэлектрического преобразовани можно определить только отклонени от соосности. Кольцева диафрагма 5 непосредственно перед блоком б фотоэлектрического преобразовани гарантирует высокую чувствительность измерени , так как она расположена внутри пучка световых лучей в области наибольшего изменени интенсивности. Наибольшие отклонени от соосности вызывают в блоке 6 преобразовани уже большое изменение фототока. Предпосылкой вл етс пучок световых лучей с неравномерным распределением интенсивности по радиусу , например, как это имеет место при лазерном источнике света. Дл5 лучшей стабильности по направлению примен ют расширенный лазерный пучок света. За счет этого можно без изменени соотношени освещенности блоком б фотоэлектрического преобразовани измер ть большие измер емые рассто ни при малом расхождении пучка световых лучей.

Диаграма 3 с отверстием в фокальной плоскости объектива 2, а также диафрагма 8 с отверстием в отфильтрованной части хода лучей служат дл устранени вли ний рассе нного света. В части хода лучей за фокальной плоскостью, но вне плоскости изображени этого хода лучей, расположен блок 10 фотоэлектрического преобразовани . Плоскость измерени выбрана так, что диаметр части пучка лучей света на этом месте соответствует диаметру пучка лучей на блоке 6 преобразовани . Это приносит дополнительное преимущество, что оба блока б и 10 преобразовани могут иметь одинаковую конструкцию и одинаковые размеры. Плоскость объекта, относ ща с к положению блока 10 преобразовани , лежит далеко перед входным отверстием измерительной головки 1. На блоке 10 преобразовани эта фиктивна плоскость объекта отображаетс Это вызывает смещение пучка световых лучей из центра блока 10 преобразовани как при несоосности, так и при отклонени х направлени измерительной головки 1.

Блоки 6 и 10 преобразовани состо т соответственно из преобразователей, которые упор доченно расположены в плоскости преобразовани . В блоке 6 преобразовани это преобразователи 11, 12, 13 и 14 в форме круговых сегментов. Блок 10 собран таким же образом и содержит преобразователи -15, 16, 17 и 18. За счет этого делени на четыре круговых сегмента возможно определение положени пучка световых лучей в плоскости измерени . Плоскость преобразовани и плоскость измерени здесь идентичны. Если, например, пучок световых лучей смещаетс на блоке преобразовани вверх, тогда повышаетс фототок в преобразователе 12, в то врем как в преобразователе 14 он уменьшаетс . Оценка несоосности и преобразовани значений измерени в электрические выходные сигналы происходит в электронной схеме 19 оценки с дифференциальными усилител ми 20 и 21. При несоосности дифференциальный усилитель 20 посылает электрический выходной сигнал, фиксирующий изменение смещени в направлении у. Дл этого выходы соединены с преобразовател ми 12 и 14. Выходной сигнал у имеет значение нуль, если фототоки преобразователей 12 и 14 одинаковы по величине. Каждое смещение равновеси в пользу преобразовател 12 или 14 вызывает или позитивный или негативный выходной сигнал у. Отклонени от соосности в направлении х определ етс таким же образом оценкой фототоков в преобразовател х 11 и 13. С дифференциального усилител 21 получают соответствующий выходной сигнал х. Часть пучка лучей на блоке 10 фотоэлектрического преобразовани отклон етс из своего среднего положени как при отклонени х измерительной головки 1 от направлени , так и от соосности. Каждое изменение фототока в

преобразовател х 15, 16, 17 или 18 состоит из изменени на основе отклонений направлени и изменени на основе отклонений от соосности.

Но уже имеютс результаты измерени отклонени от соосности. За счет образовани разности между фотосигналами тех преобразователей обоих блоков фотоэлектрического преобразовани 6 и 10, которые расположены на одинаковом месте плоскости преобразовани , возможно отделить друг от друга слагаемые. Дл этого в электронной схеме оценки содержатс первые дифференциальные усилители 22 и 23, 24 и 25 и последующа схема оценки 26 с двум дифференциальными усилител ми 27 и 28. Дифференциальный усилитель 22 св зан с преобразователем 11 и 16 и на выходе по вл етс сигнал, эквивалентный отклонению направлени измерительной головки 1 в отрицательное направление Дифференциальный усилитель 23 определ ет из фотосигналов преобразователей 13 и 18 соответствующий позитивный сигнал.

Предпосылкой дл правильного образовани разности вл етс то, что исход щие от блока 6 преобразовани фотосигналы имеют точно такую же величину, как и содержащиес в фотосигнале блока 10 преобразовани и происхрд Щие от несоосности слагаемые . В случае необходимости позитивные или отрицательные входы дифференциальных усилителей 22, 23, 24 и 25 могут оцениватьс так, что получаетс равенство сигналов .

Выходные сигналы дифференциальных усилителей 22 и 23 содержат только информацию об отклонении направлени измерительной головки 1. Если установлено согласование в направлении оси измерительной головки 1 и пучка световых лучей, то оба выходных сигнала одинаковой величины. Параллельное смещение обеих осей не имеет последствий. Только если оси образуют угол, то составл юща у этого угла вли ет на выходные сигналы дифференциальных усилителей 22 и 23. В зависимости от направлени угла один сигнал увеличиваетс , а другой сигнал уменьшаетс . Образованием разности в дифференциальном усилителе 28 определ етс сигнал по направлению.Дл этого выходы дифференциальных усилителей 22 и 23 св заны с входами дифференциального усилител 28.

Claims

Дл определени составл ющей отклонени направлени , идентичным образом преобразователи 12 и 15 соединены с дифференциальным усилителем 25, а преобразователи 14 и 15-с дифференциальным усилителем 24. Из обоих выходных сигналов поток в дифференциальном усилителе 27 образуетс сигнал по направлению 5 Дифференциальные усилители 27 и 28 образуют вместе схему оценки 26. Фиг. 2 показы ет оптическую часть 29 измерител несоосности и направлени в другом исполнении без оптических систем линз. В качестве источника излучений используетс лазерный световой источник 30, который образует параллельный пучок световых лучей. Диаметр пучка световых лучей согласован с фотоэлектрическими средствами приема. Источник 30 света может быть жестко соединен с объектом измерени , а на оси измерени на некотором рассто нии расположена измерительна головка 29. Источник 30 света и измерительна головка 29 тоже замен емые. Измерительна головка 29 содержит разделитель 31 пучка лучей, блоки 32 и 33 фотоэлектрического преобразовани и кольцевые диафрагмы 34 и 35. Непосредственно за входным отверстием измерительной головки 29 в ходе пучка световых лучей расположен разделитель 31 пучка лучей , котор 1Й отфильтровывает часть хода лучей и направл ет на блок 32 фотоэлектрического преобразовани . Если только рассто ние от входного отверсти измерительной головки 29 до блока преобразовани очень короткое, то опрокидывание измерительной головки 29 может только крайне незначительно вывести пучок световых лучей из установленного центрального положени на блоке 32 преобразовани . А отклонение от соосности действует своей полной величиной. Итак, блок преобразовани 32 служит определению отклонений от соосносБлок 33 преобразовани расположен в отфильтрованной части хода лучей на более большом рассто нии от входного отверсти измерительной головки 29. Это большее отдаление влечет за собой то, что отклонение направлени заметно значительно сильнее. Выходной сигнал состоит снова из составл ющей направлени и соосности, так как несоосность также действует, как и в блоке 32 преобразовани . Тем самым имеютс снова одинаковые соотношени (как в фиг. 1}, а измер емые значени отклонени направлени и несоосности могут определ тьс при той же системе электронных схем, при предпосылке , что.каждый из блоков 32 и 33 фотоэлектрического преобразовани состоит из четырех квадрантных преобразователей. Перед блоками 32 и 33 преобразовани в пучке световых лучей в области максимального изменени интенсивности расположены кольцевые диафрагмы 34 и 35. В качестве блоков 6, 10, 32 и 33 преобразовани могут, примен тьс также чувствительные к положению фотоэлектрические приемники с чувствительностью, завис шей от положени вдоль пр мой. Формула изобретени 1. Устройство дл одновременного изме-рени несоосности и направлени , содержащее источник света, со сфокусированным на бесконечность пучком световых лучей, измерительную головку, состо щую из измерител несоосности и лежащего в ходе лучей измерител несоосности делител пучка лучей дл отфильтровывани другого хода лучей , расположенный в плоскости измерени измерител несоосности блок фотоэлектрического преобразовани , преобразователи которого электрически отделены друг от друга и упор дочены в плоскости преобразовани , и электронную схему оценки, отличающеес тем, что, в плоскости измерени dTфильтрованного хода лучей расположен другой идентичный блок фотоэлектрического преобравани , к двум соответственным, расположенным на одинаковом месте плоскости преобразовани , преобразовател м обоих блоков фотоэлектрического преобразовани подключены входы первых элементов формировани разности, входы электронной схемы оценки, электрически соединены с выходами первых элементов формировани разности .
2.Устройство по п. 1, отличающеес тем, что схемы оценки выполнены идентичными.
3.Устройство по п. 2, отличающеес тем, что схемы оценки содержат вторые элементы формировани разности, входы которых св заны соответственно с диаметрально противоположными преобразовател ми или первыми элементами формировани разности, которые относ тс соответственно к диаметрально противоположным преобразовател м обоих блоков фотоэлектрического преобразовани .
4.Устройство по пп. 1 и 3, отличающеес тем, что первые элементы формировани разности содержат регулирующие усиление элементы.
5.Устройство по пп. 1-4, отличающеес тем, что каждый из двух блоков фотоэлектрического преобразовани состоит из четырех образованных в виде круговых сегментов преобразователей.
6.Устройство по пп. 1-5, отличающеес тем, что перед каждым блоком электрического преобразовани расположена кольцева диафрагма..
7.Устройство по пп. 1-&, отличающеес тем, что измеритель несоосности выполнен в виде зрительной трубы, в плоскости изображени которой расположен блок фотоэлектрического преобразовани , а в отфильтрованном ходе лучей вне плоскости изображени , относ щейс к этому ходу лучей оптической системы, расположен второй блок фотоэлектрического преобразовани .
8.Устройство по п. 7. отличающеес Tenvi, что в фокальной плоскости объектива зрительной трубы расположена диафрагма с отверстием.