устройство для измерения диаметров изделий

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ, содержащее оптически последовательно связанные осветитель, рассеиватель, эталонную диафрагму, объектив, дискретный фотоприемник, входы и выходы последнего соединены с блоком вычислений и управления, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерения, рассеиватель выполнен управляемым и соединен с блоком вычислений и управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляемый рассеиватель выполнен в виде светопроницаемой плоской ячейки, заполненной нематическим жидким кристаллом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляемый рассеиватель выполнен в виде светопроницаемого стеклянного диска с рассеивающими секторами, закрепленного на валу двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для стабилизации процесса вытягивания кварцевых труб.

Известно устройство, содержащее оптически последовательно связанные микроскоп, объектив, дискретный фотоприемник, выход которого соединен через АЦП с блоком вычислений, к которому подключен блок сигнализаций.

Недостатками устройства является ограниченность функциональных возможностей, так как с его помощью невозможно измерить внутренний диаметр, а также незначительный диапазон измеряемых размеров, который ограничен размерами и разрешением одной линейки фотоприемников, на основе которой выполнен дискретный фотоприемник.

Известно устройство для измерения диаметра изделий, содержащее оптически связанные осветитель, эталон, объектив, диафрагму, дискретный фотоприемник, выходы которого подключены к входам блока АЦП, входы к блоку управления, входы и выходы последнего соединены с блоком вычислений, который подключен к блоку сигнализации, командному блоку, блоку АЦП.

Недостатком данного устройства является ограниченность функциональных возможностей, так как с его помощью невозможно измерить внутренний диаметр изделий.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее оптически последовательно связанные осветитель, рассеиватель, эталонную диафрагму, объектив, фотоприемник, входы и выходы последнего подключены к блоку вычислений и управления.

Недостатком данного устройства является невысокая точность, вызванная существенной зависимостью расстояний между перепадами яркости в изображении от местоположения измеряемого изделия. Указанная зависимость размеров измеряемых диаметров в рамках описанного устройства не может быть скомпенсирована.

Целью изобретения является увеличение точности измерения диаметров изделий за счет исключения зависимости результатов измерения от местоположения изделия.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем оптически последовательно связанные осветитель, рассеиватель, эталонную диафрагму, объектив, дискретный фотоприемник, входы и выходы последнего соединены с блоком вычислений и управления, рассеиватель выполнен управляемым и соединен с блоком вычислений и управления. Управляемый рассеиватель в первом варианте выполнен в виде прозрачной плоской ячейки, заполненной нематическим жидким кристаллом (ЖК).

Управляемый рассеиватель во втором варианте исполнения выполнен в виде прозрачного стеклянного диска с рассеивающими секторами, закрепленного на валу шагового двигателя.

Повышение точности измерения диаметров в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что вновь введенный управляемый рассеиватель позволяет изменять характер прохождения световых лучей в оптической схеме устройства и в совокупности с остальными оптическими элементами дает возможность измерять внешний диаметр изделия в двух режимах: в параллельных и рассеянных лучах. В свою очередь, наличие отсчетов по внешнему диаметру в двух указанных режимах позволяет рассчитать положение изделия вдоль оптической оси, т.е. получить полную информацию о расположении изделия в оптической схеме устройства и ввести прецизионную корректирующую поправку в результат измерения внутреннего диаметра, получаемый в рассеянных лучах.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

В устройстве измерения наружного и внутреннего диаметров оптически последовательно соединены осветитель 1, управляемый рассеиватель 2, эталонная диафрагма 3, объектив 4, дискретный фотоприемник 5, выходы и входы которого соединены с блоком 6 вычислений и управления, выход последнего подключен к управляемому рассеивателю 2.

В конкретном исполнении осветитель 1 содержит коллимирующий объектив и лампочку накаливания с вертикально расположенным телом свечения (при вертикальном размещении трубы, диаметр которой измеряется) управляемый рассеиватель 2 в первом варианте исполнения это ячейка с нематическим жидким кристаллом марки М1, размещенным между прозрачными электродами с ориентирующим напылением.

Во втором варианте исполнения управляемый рассеиватель 2 представляет собой шаговый двигатель ШДИ-200 со стеклянным диском, закрепленном на его валу и содержащем четыре рассеивающих сектора. Эталонная диафрагма 3 стальная рамка с прецизионной щелью, размер которой превосходит максимальный диаметр измеряемых труб, объектив 4 высокоразрешающий фокусирующий объектив рамки Ж-53; дискретный фотоприемник 5 содержит две линейки фотоприемников 1200ЦЛ1; блок вычислений и управления 6 цифровая схема распределения импульсов управления, собранная на микросхемах КР580ВИ53, К597САЗ, К155ИЕ5, К155ИЕ4, К155РЕЗ, К155ТМ2, К155ЛА11 и содержащая выходные транзисторные ключи для переключения фаз шагового двигателя во втором варианте выполнения управляемого рассеивателя, содержит также два аналого-цифровых преобразователя с усилителями (МС К1107ПВ1, К14ОУД7, КР544УД2, К155ЛП10), тактовый генератор (МС КР580ГФ24), микропроцессор (МС КР580ВМ80А, КР580ВК38, блок памяти (ОЗУ КР537РУ10, ПЗУ К573РФ5), интерфейс (КР580ВВ55 и буферные логические элементы).

Устройство работает следующим образом. При включении питания с помощью осветителя 1 параллельный пучок световых лучей направляется на управляемый рассеиватель 2, которым указанный пучок пропускается на эталонную диафрагму, которая ограничивает апертуру параллельного пучка, последний, пройдя измерительную трубу, поступает на вход объектива 4. На выходе объектива 4 в данном режиме работы получается изображение измеряемой трубы в параллельных лучах, которые поступают на вход дискретного фотоприемника 5. Также при включении питания в блоке вычислений и управления 6 формируется сигнал "СБРОС", который инициализирует блок 6 вычислений и управления и его интерфейс, через который выдаются и принимаются внешние информационные сигналы.

По сигналам тактового генератора блок вычислений и управления начинает выполнять программу, содержащуюся в ПЗУ блока вычислений и управления. По командам программы в блоке вычислений и управления после временного интервала накопления формируется последовательность фазовых импульсов опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 5.

В блоке вычислений и управления производится оцифровка выходных сигналов первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 5, где также определяется: наличие нормальных по амплитуде "световых" сигналов на выходах обеих линеек фотоприемников дискретного фотоприемника и блок вычислений и управления переходит к основной программе измерения диаметра трубы; наличие только "темновых" сигналов (при этом блок вычислений и управления 6 через интерфейс выдает сигнал, который свидетельствует или о необходимости замены лампочки накаливания в осветителе 1, или о необходимости юстировки оптических элементов; отсутствие сигналов на выходе одной из линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 5 (при этом блок вычислений и управления 6 через интерфейс выдает сигнал, который сигнализирует о наличии сбоя в устройстве).

Основная программа измерения диаметра включает в себя n циклов опроса первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 5, оцифровки и ввода амплитуд измеренных сигналов фотоприемников в ОЗУ блока памяти блока вычислений и управления. Между двумя циклами ввода производится сложение текущих амплитуд с накопленными ранее для последующего усреднения. После циклов опроса и усреднения массивы чисел а_i, а_i", описывающие выходные сигналы первой и второй линеек фотоприемников дискретного фотоприемника 5, подвергают медианной фильтрации, в процессе которой получаются соответственно массивы b_i, b_i", в них исключены провалы отсчетов, вызванные разбросом параметров фотоприемников.

Далее выполняется подпрограмма выделения перепадов яркости изображений на первой и второй линейках фотоприемников дискретного фотоприемника 5, причем первый i+K фотоприемник, находящийся на первом перепаде яркости изображения, определяется из условий

_0,35M (1) где K const 10 число, превышающее максимальное количество фотоприемников, находящихся на перепадах яркости,

M=0,1b_j

Последний i*-K фотоприемник, расположенный на анализируемом краю изображения, определяется из условий:

_{0,35 M}*

где M=0,1b_j (2)

Аналогично в массиве b_i, находится второй край изображения, принадлежащий измеряемой трубе (первый перепад яркости создан краем эталонной диафрагмы 3). Далее определяются фотоприемники массива b_i", принадлежащие третьему и четвертому перепадам яркости изображения, которые созданы соответственно вторыми предметными краями трубы и эталонной диафрагмы 3.

Обработка амплитуд сигналов фотоприемников, находящихся на первом краю изображения, заключается в следующих операциях: определение среднего уровня перепада сигнала

=M+(M^*-M)/2,

определение средней крутизны изменения сигналов соседних фотоприемников, принадлежащих первому перепаду яркости:

=

где n=INT

определение номера фотоприемника l, имеющего амплитуду сигнала, ближайшую к среднему уровню , но меньшую его

(3) определение расстояния от начала первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 до середины первого перепада яркости изображения (первой край эталонной диафрагмы 4):

S₁=Tl+T(-b_l)/=Tl+ (4) где Т период линейки фотоприемников, поправка положения края изображения с учетом линейной аппроксимации сигналов фотоприемников, принадлежащих рассматриваемому перепаду яркости изображения.

Далее аналогично определяются: расстояние от начала первой линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 до середины второго перепада яркости изображения (первый край трубы): S₂; расстояния от начала второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 до середины третьего перепада яркости изображения (второй край эталонной диафрагмы 3): S₃; от начала второй линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 до середины четвертого перепада яркости изображения (второй край трубы): S₄. Последующий блок программы определяет внешний диаметр D трубы с учетом систематической и случайной ошибок устройства, так как наряду с одновременно полученными отсчетами S₁,S₄, в блоке вычислений и управления 6 используется L_o размер эталонной диафрагмы 3, считываемый из ПЗУ:

D L_o S₂ + S₁ S₄ + S₃ (5)

Выражение (5) используется ввиду того, что первая и вторая линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 опрашиваются навстречу друг другу. Далее по программе специальной командой из блок 6 вычислений и управления инициируется управляемый рассеиватель 2 (в первом варианте исполнения за счет активного состояния нематического жидкого кристалла, во втором варианте за счет поворота стеклянного диска на 90^о) параллельный входной пучок превращается в диффузно рассеянный. При этом на входах дискретного фотоприемника 5 образуются изображения диффузно освещенных краев эталонной диафрагмы 3, полученные после отражения от внутренней и внешней поверхности измеряемой трубы. Четыре перепада яркости, соответствующих этим изображениям, несут информацию о внешнем и внутреннем диаметрах.

Далее по программе также как и ранее опрашиваются линейки фотоприемников дискретного фотоприемника 5 (при другом времени накопления) и аналогично определяются координаты перепадов яркости изображений: S₁", S₄". При этом, вследствие расфокусировки оптические фронты изображений непосредственно краев эталонной диафрагмы являются пологими и не обнаруживаются условием (1). В то же время обнаруженные первый и третий перепады яркости соответствуют наружной поверхности трубы, а второй и четвертый внутренней. Далее определяется смещение l трубы вдоль оптической оси:

l= l _1 (6) где lо номинальное расстояние от трубы до главной плоскости объектива 4; смещение трубы перпендикулярно оптической оси S и внутренний диаметр d:

S S₂ S₄ (7)

d=(D+S₂+S₄-S-S) (8)

Выражения 5-7 с целью их упрощения приводятся для случая коэффициента увеличения оптической схемы, равного 1.

Далее из блока вычислений и управления 6 через интерфейс выводятся измеренные внутренний и внешний диаметры d и D.

Технико-экономические преимущества заявляемого объекта заключаются в улучшении качества вытягиваемых опорных труб, и следовательно, в повышении основных эксплуатационных характеристик волоконно-оптических линий связи, так как затухание, частотные свойства волокон, вытягиваемых из опорных труб, во многом определяются стабильностью их геометpических размеров.

В предлагаемом устройстве определяется положение измеряемой трубы в оптической системе ( l, S), что позволяет, с одной стороны, получить скорректированный, точный результат (30 мкм) измерения внутреннего диаметра, а с другой стороны имеется возможность скорректировать положение вытягиваемой трубы в нагревательной печи (если в технологическом оборудовании предусмотрены соответствующие двигатели), что исключает неравномерность нагрева трубы и разнотолщинность ее стенок в различных направлениях.

Предлагаемое устройство позволяет в 4-6 раз повысить точность измерения внутреннего диаметра вытягиваемых труб, в реальном масштабе времени корректировать основные характеристики установки вытяжки опорных труб, что позволяет увеличить процент выхода годных изделий, т.е. повысить экономическую эффективность технологической установки вытяжки кварцевых труб.

Разработан и создан макет предлагаемого устройства (для стабилизации вытяжки кварцевых опорных труб).