Лазерный датчик для измерения размеров объекта

ЗАРЕГИСТРИРОБАЦЧ в РЕсгчуЕлъ-тэп БЕЛАРУСЬ ПАТЕНТ жиге хмГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ(21) 4892829/ 28 - ния перемещающихся один относительно(22) 19.12.90 другого узлов измерительных приборов и(46) 23.10.92. Бюл. М 39 обрабатывающих станков с высокой точно(71) Конструкторское бюро точного злект- стью. Целью изобретения является повышеронного машиностроения ние точности измерений и надежности(72) Э.С.Ародь. И.Н.Власенко и В.Ю.Моще датчика в работе. Лазерный датчик для изников мерения размеров содержит корпус 1. аэро(56) Патент ЕПВ(ЕР) М 0104972. . статическую направляющую 2 с жиклерами кл. 6 01 В 5/00. 1988. З и разделительными каналами 4. шток 5 сПатент ЕПВ(ЕР) Мг 0100716. буртиком А, отражатель 6. измерительный кл. 6 01 В 5/00. 1987. наконечник 7, лазер 8. счетчик интерферен ционных полос 9. интерферометр 10. меха(54) ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕ- низм перемещения и базирования.НИЯ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА включающий (двигатель 11. муфту 12. ходо(57) Изобретение относится к контрольно- вой винт 13. ходовую гайку 14 с ограничитеизмерительному оптико-механическому лями проворота 15 и демпфером 16. датчики 5 обоРУдованию и может быть использовано конечного положения верхнего Пи нижне- Ч для контроля линейных размеров деталей. а го 18. сухарь 19 с ограничителями проворота также для определения взаимного положе- 20 и базу Б корпуса 1. С 9 а И с 7 сИзобретение относится к области контрольно-измерительного, оптико-механического оборудования и может быть использовано для контроля линейных размеров деталей, а также для определения взаимного положения перемещающихся друг относительно друга узлов измерительных приборов и обрабатывающих станков с высокой точностью.Известна координатно-измерительная машина с самоцентрирующим пневматическим противовесом (2), состоящая из корпуса. гладкого штока с измерительным наконечником, установленного в азростатической направляющей, устройства создания измерительного усилия, выполненного в виде поршня.Недостатками данной конструкции является низкая точность измерения, малая надежность конструкции, иэ-за незащищенности измерительного наконечника от колебания давления.Ближайшим прототипом является лазерный датчик для измерения размеров (1),состоящий иэ корпуса с закрепленными в нем двумя аэростатическими направляющими с жикперами и разделительными каналами. В одной аэростатической направляющей установлен шток с буртиком, на нижнем торце которого закреплен измерительный наконечник, а на верхнем отражатель в другой противовес, так же выполненный в виде штока с буртиком. Шток с буртиком при помощи тросика через систему шкивов жестко соединен с противовесом, Для измерения раэме ров деталей лазерный датчик включает в себя устройство измерения перемещения штока. состоящее из отражателя, поворотных зеркал. лазера и счетчика интерференционных полос кроме того, в нем есть устройство создания измерительного усилия. выполненное в виде штока с буртиком и полости между штоком и аэростатической направляющей.Недостатками данной конструкции являются следующие1) Низкая точность измерения линейных размеров, из-аа большого расстояния между измерительным наконечником и отражателем, что приводит к необходимости учитывать линейное расширение штока и наконечника при изменении температуры. которое определяется по формулеАР о а Т,где Ед начальная длина деталей, мм а коэффициент линейного расширения материала из которого изготовлена де таль градк изменение температуры во время начала и конца измерения, СШ - удлинение детали при изменении температуры, мм.Так. если датчик имеет рабочий ход измерительного наконечника. равный 60 мм,то длина штока составит 11 220 мм, при этом измерительный наконечник будет иметь длину 12 20 мм. При колебании температуры наконечнике и штока всего на 1 С за все время работы датчика, и при условии изготовления наконечника и штока из стали с коэффициентом линейного расширенияТо есть погрешностьдвносимая штоком в 11 раз больше чем наконечником. При этом не представляется возможным измерять размер деталей с точностью выше 3 мкм. Если же убрать влияние штока, то остается ПОГПОШНОСТЬ. ВНОСИМЕЯ ИЗМБНЕНИЕМ размера наконечника, которой МОЖНО пренебречь.2) Малая надежность конструкции датЧИКЭ. так как при колебании давления ВОЗДУ Ха. ПОДВОДИМОГО Б ПОЛОСТЬ между ШТОКОМ И аэростатической направляющей или в полость, образованную противовесом и направляющей возможна ситуация, при которой измерительный наконечник резко ударится об измеряемую деталь, или наоборот уйдет в крайнее верхнее положение. Аналогичное может произойти и при обрыве трубопровода подводящего воздуха к прсг ТИВОВеСу ИЛИ ШТОКУ.3) Сложность в получении и поддержаНИИ ПОСТОЯННЫМ МИНИМЗПЬНОГО измерительного усилия из-за наличия, кроме аэростатических возвратно-поступательных пар, образованных штоком с направляющей и противовесом с направляющей,пары качения на роликах, через которые проходит тросик соединяющий шток с противоесом.4) Сложность конструкции из-за наличия двух прецизионных азростатических направляющих с жиклерами и высокоточных деталей противовеса и штока с буртиком,роликов, тросика, поворотных зеркал.Целью изобретения. является повышение точности измерения за счет устранения погрешности измеренижвносимой изменением расстояния от измерительного наконочника ДО отражателя, ПОВЫШЕНИЕ надежности датчика за счет устранения возМОЖНОСТИ аварийного падения ШТОКЗ ВНИЗна измеряемую деталь или наоборот резкого удара вверх, упрощение конструкции за счет уменьшения количества сложных и трудоемких в изготовлении деталей и узлов. Указанная цель достигается тем. что лазерный датчик для измерения размеров объектов содержит корпус. установленный в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения шток с буртиком и измерительным наконечником, блок измерения перемещения штока в виде лазера и оптически связанных с ним интерферометра и отражателя. и счетчика интерференционных полос блока получения измерительного усилия, выполненного в виде аэростатической направляющей с жиклерами, разделительными полостями и источниками давления, а так же механизм перемещения штока. выполненный в виде двигателя. муфты. ходового винта. выходной вал двигателя соединен с ходовым винтом через муфту. ходовую гайку с ограничителем проворота, установленную на ходовом винте. демпфер. датчики верхнего и нижнего конечного положения штока. установленные на корпусе и взаимодействующие с верхним и нижним торцом ходовой гайки, а также отражатель. закрепленный на измерительном наконечнике. На чертеже изображен разрез лазерного датчика для измерения размеров (шток находится в крайнем верхнем положении),Лазерный датчик для измерения размеров (фиг. 1) содержит корпус 1. в котором установлена азростатическая направляющая 2 с жиклерами 3 и разделительными каналами 4. В направляющей 2 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения шток 5 с буртиком А, расположенным в его верхней части. На нижнем торце штока 5 установлен отражатель 6 (например. триппель-п ризма) и измерительный наконечник 7. Датчик содержит устройство создания измерительного усилия. включающее полость между штоком 5 и ааростатической направляющей 2. и устройство измерения перемещения, состоящее из лазера В, отражателя Б, счетчика интерференционных полос 9 и интерферометра 10. Шток 5 взаимодействует с механизмом перемещения и базирования, который выПОЛННН В ВИДЕ УСТЗНОВЛЗННОГО Б корпусе 1 двигателя 11, выходной вал которого через пиуфту 12 соединен с ходовым винтом 13. на катар м установлена ходовая гайка 14 с огревизии-гелями от проворота 15. На гайке 14 закреплен демпфер 16 (например. плоская пружина). Ходовая гайка 14 взаимодействует с верхним 17 и нижним 18 датчикамиконечного положения. На штоке 5 установлен сухарь 19 с ограничителями от поворота 20, который верхним. торцом взаимодейстАэростатическая направляющая 2 соединена с источником давления Р 1, полость. образованная штоком 5 и направляющей 2 соединена с источником давления Ри для создания измерительного усилия и РФ для фиксации. разделительные каналы 4 соединяют давление утечки из направляющей 2 и полости. образованной штоком 5 с направляющей 2 с атмосферой.датчик работает следующим образом.у Для работы аэростатической направляющей 2 в зону жиклеров 3 подводится избыточное давление Р 1. после чего штоком 5 и направляющей 2 подается давление Ри, которое создает требуемое измерительное усилие штока 5.Измерительное усилие на штоке 5 можно рассчитать по формулеР Ри 5 - Р где Р измерительное усилие на штоке 5. кГс . Ри давление В ПЛОСКОСТИ МЕЖДУ ШТО ком 5 и направляющей 2. кГс/см 2З площадь буртика. смг. Если площадь буртика или вес штока неизвестны, то измерительное усилие можно подобрать, замкнув на измерительный наконечник граммометр. изменяя до требуемой величины давление Ри. При этом вход Рф закрыт. Далее. при вращении двигателя 1 1 через муфту 12 крутящий момент передаетсяна ходовой винт 13, который приведет в движение гайку 14 с ограничителями от проворота 15. на которой закреплен демпфер 16. При движении гайки 14 вверх или вниз шток 5 через сухарь 19 нижним торцом будет замкнут на гайку 14 через демпфер 16. усилием равным иамерительному усилию на штоке 5. При этом скорость перемещения штока определяется частотой вращения двигателя 11 и кинематикой привода, а измерительное усилие - конструкцией штока 5 и давлением Ри.При набегании гайки 14 на верхний 17 или нижний 18 датчики конечного положения происходит отключение двигателя 11.Лазерный датчик для измерения линейных размеров может работать как в вертикальном положении. так и вК горизонтальном. При горизонтальной ком поновке датчика полость, образованная штоком 5 и направляющей 2 соединяется с источником вакуума и подбирают такое его значение Ри, которое создает требуемое из 7 1770737 8мерительное усилие на измерительном наконечнике 7.Измерение перемещения штока 5 осуществляется следующим образом. Излучение от лазера 8. проходя через интерферометр 10 и отражатель 6. попадает на счетчик интерференционных полос 9. Информация насчетчике 9. характеризует величину линейного перемещения штока 5. При этом проходит сравнение измеряемого перемещения с длиной волны лазера 8. При движении штока 5 с закрепленным на нем отражателем 6 вниз (или вверх) меняется разность ходов интерферирующих пучков(опорной частоты лазера, которая является постоянной. и переменной частоты допплеровского сигнала, которая формируется на счетчике 9 при прохождении излучения от лазера 8. через интерферометр 10 и отражатель Б) и на выходе счетчика 9 наблюдаются характерные периодические изменения светового потока от минимального до максимального значения. Смещение отражателя 6 на половину длины волны излучения. т. е. на одну полосу интерференционного поля соответствует одному периоду в изменении светового потока. Число полос подсчитыва ется фотоэлектрической системой. а изме ряемое перемещение штока 5 вычисляется путем умножения значения половины длины волны лазера на число полос.При этом дискретность измерения (цена деления одного импульса) равна 1/2(032 мкм). При необходимости уменьшения дискретности измерения и повышения точности измерения производят интерполяцию входного сигнала. что позволяет получить дискретность измерения. равную 1/4 1/8 Я. /16 или 1/32 (в нашем случае дискретность измерения равна А /8 (0.08 мкм).Тогда перемещение штока 5 определяется как дискретность (цена деления импульса). умноженное на количество дискрет,подсчитанное счетчиком 9.Измерение линейного размера деталей происходит следующим образом. При вращении двигателя 1 гайка 14 движется вниз вместе с замкнутым на демпфер 16 сухзрем 19. который прикреплен к штоку 5 до касания измерительным наконечником 7 базы стола. относительно которой будет производиться измерение детали. Полученная координата Х 1 запоминается. Затем шток 5 с наконечником 7 перемещается при помощи механизма перемещения и базирования вверх на базу стола устанавливается измеряемая деталь. после чего шток 5 с наконеч 10ником 7 перемещается вниз до касания поверхности измеряемой детали. Полученная координата Х 2 также запоминается. Размер детали Н определяется по формулеБазирование датчика осуществляется следующим образом. Шток 5 с сухарем 19 вместе с гайкой 14 перемещаются в крайнее верхнее положение до замыкания верхнего торца сухаря 19 на механическую базу Б корпуса 1. При этом демпфер 1 Бдеформируется на величину 020.5 мм до момента срабатывания верхнего датчика конечного положения 17. После этого в полость между штоком 5 и направляющей 2 подается давление фиксации РФ. за счет чего обеспечивается постоянство усилия прижима штока в базу Б и надежность базирования. При базировании и измерении во избежание перетока воздуха из зоны жиклеров 3 направляющей 2 в полость между штоком 5 и направляющей 2 через разделительные карманы давление утечки Р 2 отводится в атмосФеш Предлагаемый датчик для измерения размеров имеет следующие преимущества.Его конструкция позволяет повысить точность измерения .более чем в 10 раз по сравнению с конструкцией датчика, рассмотренного в прототипе.Предложенная конструкция позволяет повысить надежность работы датчика. При прекращении подачи давления Ри, Рф или Р 1 произойдет замыкание штока с сухарем через демпфер на ходовую гайку. что не приведет к аварии.Конструкция предложенного датчика позволяет легко автоматизировать цикл измерения и реализовать бьъстрый подвод и отвод измерительного наконечника. а также его медленное движение при подходе к из- меряемой детали или к базовой поверхно сти рабочего стола. производятся измерения.Наличие в предложенной конструкции возможности базирования штока с измерительным наконечником позволяет устанавлизать датчик на подвижных узлах станков и контрольно-измерительных приборов для определения как перемещения штока. так и для перемещения подвижного узла вместе со штоком и относительно неподвижных чаСТЕЙ станка ИЛИЧКОНТрОПЬНО-ИЗМЗОИТЕЛЬНО го прибора. Это позволяет расширить возможности датчика. -Предложенная конструкция более проста в управлении. наладке и обслуживания в сравнении с прототипом.