Волоконно-оптический преобразователь с увеличенным динамическим диапазоном измерения для мониторинга изменений профиля поверхности изделий машиностроения

Увеличение эксплуатационного ресурса изделий с криволинейными поверхностями напрямую связано с высокой точностью их изготовления, что обусловливает необходимость разработки экономичных и эффективных бесконтактных автоматизированных средств диагностики, контроля состояния профиля поверхности изделия. Мониторинг изменения профиля поверхности эксплуатируемого изделия позволяет выявить конструктивно-технологические недостатки или неисправности на ранней стадии их возникновения и принимать оперативные меры по их устранению.

В настоящее время подобные задачи решаются с помощью контактных и бесконтактных методов. Среди контактной группы методов наиболее известны щуповые измерительные приборы, отличающиеся дешевизной и простотой изготовления, но имеющие невысокую точность и значительную инерционность измерений. В качестве примера такого устройства можно привести координатно-измерительную машину [1], функционирование которой основано на использовании набора контактных датчиков, позволяющих определять расстояние от базового уровня до нескольких точек контролируемой поверхности и по результатам измерений делается заключение об угловом положении или профиле поверхности.

оптических систем при определении расстояний и перемещений, удовлетворительной крутизной преобразования информационного параметра, широким ассортиментом и доступностью излучающих и приемных полупроводниковых светодиодов и фотоприемников. Основными общими недостатками вышеперечисленных бесконтактных методов являются сложные в реализации сенсорные системы, нуждающиеся в точной юстировке, калибровке и обслуживании. Кроме этого, для параметрических, интерференционных оптических измерительных систем необходимо отметить существенную зависимость выходных параметров от отражающих свойств контролируемых поверхностей, их изменения в процессе измерения, а также существенного влияния на результаты измерений чистоты атмосферного измерительного тракта (задымленность и пыль, масляный и водяной туман).

Поэтому волоконно-оптический преобразователь для определения профиля поверхностей, обладающий всеми преимуществами оптических систем и независимый от влияния дестабилизирующих внешних факторов, предложенный в [3], требует дальнейшего развития, по крайней мере, в части расширения динамического диапазона измеряемых угловых положений поверхностей.

Для понимания сути вопроса необходимо рассмотреть основные операции способа [3] определения угловых положений поверхности объекта и элементы устройства для его осуществления. Структурная схема устройства приведена на рис. 1.

В соответствии со структурной схемой рассматриваемый способ осуществляется следующим образом. В некоторый момент времени световод 5 оптической насадки 4, приводимой в движение электродвигателем 9 с круговой частотой ω , займет положение, показанное на рис. 1. Поток источника 2 излучения по одному

Рис. 1. Структурная схема устройства для реализации способа определения углового положения поверхности объектов из отводов светопроводящей системы 1 с ее приемно-передающего коллектора поступает в световод 5, пройдя который, излучается в направлении отражающего участка 7 контролируемой поверхности. Часть отраженного от участка 7 потока попадает обратно в световод, поступает на приемно-передающий коллектор светопроводящей системы 1 и подается на фотоприемник 3. Информационный электрический сигнал с фотоприемника 3, амплитуда которого u0 сравнивается в моменты времени t1 и t2 с уровнем компарирования uБ (рис.2д, диаграмма «а»)

формирователя 12 уровней компарирования, и компаратор 11 вырабатывает прямоугольный электрический импульс (рис.2 д , диаграмма «б»), середина которого соответствует моменту времени t₂ , формируемого в блоке 14 определения середины электрических импульсов.

Через четверть периода вращения ротора электродвигателя 9 оптическая насадка 4 займет положение, приведенное на рис. 2 е . Поток от источника 2 излучения по одному из отводов светопроводящей системы 1 с приемно-передающего коллектора поступает в световод 6, пройдя который попадает на образцовую зеркально-от-ражающую поверхность 8, отражается от нее и через световод 6 отраженный поток попадает на приемно-передающий коллектор светопроводящей системы 1. Затем канализируется по второму отводу светопроводящей системы 1 и поступает на фотоприемник 3, где преобразуется в электрический сигнал, соответствующий потоку, отраженному от образцовой поверхности 8 и являющийся опорным электрическим сигналом. Опорный электрический сигнал фотоприемника 3, имеющий амплитуду u_m сравнивается в моменты времени t₄ и t₆ с уровнем компарирования u_А (рис. 2 д , диаграмма «а») формирователя 12 уровней компарирования и компаратор 10 вырабатывает прямоугольный электрический импульс (рис. 2 д , диаграмма «в»), временная отметка середины которого соответствует времени t₅ и формируется

д

е

Рис. 2. Временные диаграммы электрических сигналов, поясняющих реализацию способа определения углового положения поверхности объектов и элемент структурной схемы устройства для реализации способа определения углового положения поверхности объектов

в блоке 13 определения середины электрических импульсов. Так как амплитуда информационного импульса в несколько раз меньше опорного, то разделить их можно, используя различные уровни компарирования. В блоке 15 измеряется и регистрируется временной интервал τ ₁ между временными отметками t₂ и t₅ (рис. 2, диаграмма «г»). Затем полученный временной интервал сравнивается с известным временным интервалом Т/4. Если τ ₁ = Т/4, то угол отклонения контролируемой поверхности равен 0. В случае ее отклонения на некоторый угол α максимум диаграммы направленности потока, отраженного зеркально от участка 7 также отклоняется на угол α . Поэтому середина электрического импульса (рис. 2 д , диаграммы «б», «в») фотоприемника 3, соответствующая максимуму диаграммы направленности потока, отраженного от контролируемой поверхности, сдвигается во времени на величину ∆ ~ α относительно середины опорного импульса, условия формирования которого не меняются. Аналогично в i-момент времени в блоке 15 измеряется и регистрируется временной интервал τ ₂ между временными отметками t_i2 и t_i5 (рис.2 д , диаграмма «г»). После этого, по временному расхождению ^ = т 2 — T /4 делается заключение о величине α ∼ k ∆ . Следует, отметить, что представленный способ и устройство для его реализации имеют узкий диапазон измеряемых угловых положений контролируемой поверхности, обусловленный ограниченностью длительности совместного существования излученного и отраженного световых потоков, что в свою очередь определяется конструктивно-технологическими соотношениями размеров приемно-передающего коллектора и световода оптической насадки.

Расширение диапазона измеряемых угловых положений поверхностей, соответственно и диапазона профилей, достигается за счет установки дополнительных световодов в оптическую насадку устройства [4]. Дополнительные световоды располагаются диаметрально в различных сечениях оптической насадки таким образом, что каждый последующий световод повернут в диаметральной плоскости оптической насадки относительно предыдущего на угол β . Геометрические построения и соотношения для определения углового расстояния между смежными световодами оптической насадки показаны на рис. 3 . Величина угла β определяется выражением:

β ≈ 2(l+r)/R, где l – радиус приемно-передающего коллектора; r – радиус световода; R – радиус оптической насадки.

Расположенные таким образом световоды формируют зондирующие излучения, которые следуют друг за другом и перекрывают тем самым необходимый диапазон изменения угловых положений поверхности.

Структурная схема волоконно-оптического бесконтактного преобразователя с расширенным динамическим диапазоном контроля профиля поверхности приведена на рис. 4. Здесь в электронном блоке А1 компараторами формируются прямоугольные импульсы, соответствующие информационному и опорному потокам. Блоки выделения середин электрических импульсов (БВСЭИ) вырабатывают временные отметки середин прямоугольных импульсов, которые в блоке регистрации временных интервалов (БРВИ) преобразуются в код информационного временного интервала. Если угловое положение локальной зоны превосходит по величине диапазон измерения канала, то отраженный световой поток не попадает обратно в первый световод и соответствующий прямоугольный импульс не формируется, что приводит к отсутствию информационного кода с выхода БРВИ-1. В этом случае микроконтроллер переходит к анализу состояния информационного кода следующего блока А2, который функционирует аналогично А1. Опрос каналов микроконтроллера производится последовательно до тех пор, пока в рабочем диапазоне угловых положений поверхности не будет зафиксирован информационный код контролируемой локальной зоны. Далее полученный информационный код поступает в микроконтроллер, который производит вычисление углового положения локальной зоны контролируемой поверхности. Результаты всех замеров в конкретных сечениях поверхности передаются на ПК, где в виде, удобном для пользователя, формируется графическое отображение изменения профиля контролируемой поверхности и в табличном виде – для документирования и хранения.

ВЫВОДЫ

Представленный волоконно-оптический преобразователь с тремя дополнительно введенными световодами и электронными блоками А1, А2, А3 позволяет расширить диапазон измеряемых угловых положений контролируемых поверхностей в 3 раза.

Рис. 3. Геометрические построения, определяющие угловое расстояние β между световодами, формирующими зондирующее излучение

Рис. 4. Структурная схема волоконно-оптического бесконтактного преобразователя углового положения поверхности с расширенным динамическим диапазоном