Способ измерения диаметра протяженного отверстия с определением степени несоосности отверстия на входной и выходной плоскостях

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОТЯЖЕННОГО ОТВЕРСТИЯ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ СТЕПЕНИ НЕСООСНОСТИ ОТВЕРСТИЯ НА ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ПЛОСКОСТЯХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ильин Виктор Николаевич Дубешко Александр Викторович Михаевич Денис Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ измерения диаметра протяженного отверстия с определением степени несоосности отверстия на входной и выходной плоскостях, включающий формирование двух пучков монохроматического излучения, преобразование первого пучка в сходящийся, освещение протяженного отверстия, формирование одноименных дифракционных картин для каждого пучка, регистрацию интенсивности излучения в дифракционных картинах,отличающийся тем, что преобразуют второй пучок монохроматического излучения в сходящийся, а измеряемое протяженное отверстие освещают одновременно с двух сторон встречными сходящимися пучками, анализируют распределение амплитуд в дифракционных картинах в плоскости, перпендикулярной освещающим пучкам, определяют центры дифракционных картин, вычисляют корреляционную функцию между амплитудами эталонных и реальных сигналов для каждого пучка, по значению которой судят о диаметре отверстия раздельно для входной и выходной плоскостей, а по величине смещения центров дифракционных картин вычисляют степень несоосности отверстия на входной и выходной плоскостях. 10581 1 2008.04.30 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля диаметров отверстий миллиметрового и микрометрового размеров. Известен способ измерения диаметра протяженных отверстий 1, включающий формирование первого пучка монохроматического излучения, преобразование его в сходящийся, освещение им входной плоскости отверстия, формирование второго пучка монохроматического излучения, преобразование его в расходящийся и освещение им выходной плоскости отверстия, выделение дифракционных порядков двух соседних центральных максимумов, сформированных от входной плоскости отверстия, а третий - от выходной, регистрацию интенсивности излучения в дифракционных картинах вдоль оси пучка, фиксирование координаты выделенных порядков вдоль оптической оси и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат. Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений из-за того, что вычисляемый диаметр отверстия является усредненной величиной диаметров на входной и выходной плоскостях протяженного отверстия, а также из-за необходимости последовательной фиксации нескольких максимумов (минимумов), имеющих разные порядки и,следовательно, разные радиусы минимумов, и измерения путем линейных перемещений расстояний между ними, что снижает производительность контроля. При этом среднеквадратические погрешности каждого измерения складываются, что увеличивает общую суммарную погрешность. Кроме того, не определяется соосность входного и выходного отверстия детали. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение, повышение точности измерения диаметра протяженного отверстия с одновременным расширением функциональных возможностей. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра протяженного отверстия с определением степени несоосности отверстия на входной и выходной плоскостях, включающем формирование двух пучков монохроматического излучения, преобразование первого пучка в сходящийся, освещение протяженного отверстия,формирование одноименных дифракционных картин для каждого пучка, регистрацию интенсивности излучения в дифракционных картинах, преобразуют второй пучок монохроматического излучения в сходящийся, а измеряемое протяженное отверстие освещают одновременно с двух сторон встречными сходящимися пучками, анализируют распределение амплитуд в дифракционных картинах в плоскости, перпендикулярной освещающим пучкам, определяют центры дифракционных картин, вычисляют корреляционную функцию между амплитудами эталонных и реальных сигналов для каждого пучка, по значению которой судят о диаметре отверстия раздельно для входной и выходной плоскостей, а по величине смещения центров дифракционных картин вычисляют степень несоосности отверстия на входной и выходной плоскостях. Совокупность указанных признаков обеспечивает возможность контроля протяженных отверстий при существенно более высокой точности измерения диаметра за счет исключения усреднения по входному и выходному отверстиям, улучшения контрастности дифракционной картины в плоскости анализа, так как контрастность дифракционной картины в сходящихся пучках выше, чем в расходящихся при прочих равных условиях. Кроме того, расширились функциональные возможности способа за счет определения степени несоосности отверстий на входной и выходной плоскостях. Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Формируют два пучка монохроматического излучения и преобразуют их в сходящиеся. Одновременно освещают измеряемое протяженное отверстие с двух сторон встречными сходящимися пучками так,что каждый из пучков дифрагирует только на своей входной плоскости отверстия. При этом, на выходной плоскости отверстия у каждого пучка формируется область геометрической тени, и выходящие пучки не касаются края соответствующих каждому пучку выходных отверстий. 2 10581 1 2008.04.30 Далее формируют одноименные дифракционные картины для каждого пучка и регистрируют их фотоэлектрическим способом. После этого анализируют распределение амплитуд в дифракционных картинах в плоскости, перпендикулярной освещающим пучкам,и определяют центры дифракционных картин. Затем вычисляют корреляционную функцию между амплитудами эталонных и реальных сигналов для каждого пучка, по значению которой судят о диаметре отверстия раздельно для обеих плоскостей. Степень несоосности входного и выходного отверстий вычисляют по величине смещения центров дифракционных картин. На фигуре представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где 1 первый лазер 2 - первая оптическая система 3 - первая полупрозрачная пластина 4 - вторая полупрозрачная пластина 5 - вторая оптическая система 6 - второй лазер 7 - первый объектив 8 - первая фотодиодная матрица 9 - второй объектив 10 - вторая фотодиодная матрица 11 - микропроцессор 12 - устройство индикации 13 - корпус 14 - объект контроля- первый сходящийся пучок- второй сходящийся пучокивходные / выходные плоскости протяженного отверстия. Способ реализован следующим образом. Монохроматический пучок излучения первого лазера 1 формируется в сходящийся пучокпервой оптической системой 2 и освещает отверстие на плоскостиобъекта контроля 14. Этот пучок дифрагирует на краю отверстия с формированием первой дифракционной картины, которая передается посредством первого объектива 7 на первую фотодиодную матрицу 8. Одновременно монохроматический пучок излучения второго лазера 6 формируется второй оптической системой 5 во второй сходящийся пучок , который освещает отверстие на плоскостиобъекта контроля 14. Выходная плоскость объекта контроля 14 для первого пучка является одновременно входной плоскостью для второго пучка. Соответственно выходная плоскость объекта контроля 14 для второго пучка является одновременно входной плоскостью для первого пучка. Второй пучок дифрагирует на краю отверстия плоскости , формируется его дифракционная картина одноименная первой, которая передается посредством второго объектива 9 на вторую фотодиодную матрицу 10. Каждая фотодиодная матрица 8 и 10 устанавливается так, что оптическая ось соответствующего объектива 7 и 9 совпадает с одним и тем же номером пикселя, что достигается электронным сшиванием фотокатодов матриц 8 и 10. В том случае, когда оба отверстия соосны, центры дифракционных картин совпадают друг с другом и с пикселями одного и того же номера. Если же отверстия несоосны, то центры дифракционных картин не совпадают и смещены друг относительно друга. Микропроцессор 11 содержит базу памяти, в которой хранятся цифровые сигналы,представляющие собой распределение амплитуд света эталонной формы дифракционных картин. Микропроцессор 11 запрограммирован для вычисления функции взаимной корреляции реального распределения амплитуд в дифракционной картине и их эталонного распределения. Микропроцессор 11 имеет выход на устройство индикации 12 для отображения результатов измерения значений диаметров и степени соосности отверстий. Алгоритм взаимной корреляции, используемый для оценки распределения амплитуд в дифракционных изображениях относительно эталонного распределения, реализует следующее математическое выражение где- амплитуда эталонного распределения как функция смещения по координатам фотодиодной матрицы 3 10581 1 2008.04.30 а - амплитуда реального распределения как функция смещения по тем же координатам- действующая длина фотодиодной матрицы,- расстояния вдоль координат фотодиодной матрицы. При вычислении функции взаимной корреляции числовая обработка алгоритма представляется как цикл итераций, в котором в выбранном тестовом положении каждый из генерирующих диодных сигналов матрицы эталонного распределения умножен на каждый соответствующий ему реальный сигнал. Конечные результаты просуммированы, и сумма представляет значение функции взаимной корреляции двух распределений в тестовом положении. При определении оцененного местоположения и амплитуды реального распределения,когда функция взаимной корреляции имеет максимальное значение, распределения будут накладываться или совмещаться друг с другом на всем протяжении фотокатода матрицы. Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме на фигуре. Источники излучения представляют собой полупроводниковые лазеры МЛН-3, имеющие длину волны 670 нм. Оптические системы 2 и 5 выполнены с подвижной линзой, позволяющей настроить степень сходимости пучков. Основным элементом процессорного блока является микроконтроллер 902313, а фотодиодная матрица - 703. Таким образом, предложенный способ обеспечивает контроль протяженных отверстий при существенно более высокой точности измерения диаметра и определение степени несоосности отверстий на входной и выходной плоскостях. Источники информации 1. Патент РБ 7106, МПК 01 В 11/12, 2005. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4