лазерная измерительная система

Формула изобретения

Лазерная измерительная система, содержащая блок питания со стрелочным прибором определения режима работы лазера, лазерный блок, подключенный к блоку питания, и устройство формирования двух параллельных световых пучков, смонтированное на лазерном блоке, отличающаяся тем, что она выполнена в виде трех конструктивных узлов, в состав первого конструктивного узла включены предметный стол, выполненный с возможностью перемещения его посадочной площадки по высоте и с возможностью вращения указанной площадки относительно основания вокруг двух взаимно перпендикулярных направлений, и лазерный блок, установленный на посадочной поверхности предметного стола с обеспечением распространения световых пучков в горизонтальной плоскости, в состав второго конструктивного узла включены рейтер, размещенный на рельсе с призматическими направляющими, вертикальная цилиндрическая колонка, закрепленная на основании рейтера, первый дефлектор, оптически связанный с лазерным блоком и закрепленный в держателе цилиндрической колонки с обеспечением перпендикулярности плоскостей распространения отраженных и падающих на первый дефлектор световых пучков, второй дефлектор, оптически связанный с первым дефлектором и установленный на посадочной площадке рейтера с обеспечением параллельности плоскостей распространения отраженных и падающих на второй дефлектор световых пучков, и установленный на рельсе штангенрейсмас, измерительная ножка которого соприкасается с поверхностью посадочной площадки рейтера, в состав третьего конструктивного узла включены штатив с цилиндрической колонкой, выполненной по форме скобы, базовый элемент сферического подвижного соединения, выполненный по форме кольца, закрепленного на верхнем торце цилиндрической колонки с обеспечением соосности с основанием штатива, три опорных шарика равного диаметра, закрепленных на верхней поверхности базового элемента, рабочий элемент сферического подвижного соединения, выполненный по форме усеченной полусферы и размещенный сферической поверхностью на опорных шариках, вертикально ориентированный стержень, верхним торцом соединенный с рабочим элементом со стороны его малого основания, координатный столик, закрепленный на нижнем торце стержня, и уголковый отражатель, оптически связанный со вторым дефлектором второго конструктивного узла и закрепленный на координатном столике с обеспечением совмещения плоскостей распространения отраженных и падающих на уголковый отражатель световых пучков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в автомобильной промышленности для калибровки рабочих площадок регулировочных стендов, предназначенных для проверки технического состояния автотранспортных средств.

Известна лазерная измерительная система, содержащая блок питания со стрелочным прибором определения режима работы лазера, лазерный блок, подключенный к блоку питания и установленный на неподвижной части измеряемого объекта, устройство формирования двух параллельных световых пучков, жестко закрепленное на лазерном блоке, бескабельный оптический датчик, установленный на подвижной части измеряемого объекта, фотоприемник, оптически связанный с датчиком, и обрабатывающий блок (Лазерная измерительная система LMS 100. Инструкция по эксплуатации. Предприятие "Карл Цейсс Йена", ГДР, 1986 г.).

Известная система характеризуется высокой разрешающей способностью. Однако диапазон измерений, составляющий ±0,5 мм, не позволяет использовать ее для калибровки рабочих площадок регулировочных стендов. Например, для стендов регулировки головного света фар автотранспортных средств отклонение от прямолинейности рабочих площадок может достигать 3 мм на 1 м (ГОСТ Р 51709-2001 "Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы поверки", п.5.3.3.1.).

Кроме того известная система используется лишь в случаях наличия у калибруемого объекта некоторой направляющей, например при монтаже, юстировке и метрологической приемке станков или координатных измерительных машин.

Задачей изобретения является расширение диапазона измерений.

Решение поставленной задачи заключается в том, что лазерная измерительная система, содержащая блок питания со стрелочным прибором определения режима работы лазера, лазерный блок, подключенный к блоку питания, и устройство формирования двух параллельных световых пучков, смонтированное на лазерном блоке, выполнена в виде трех конструктивных узлов. В состав первого конструктивного узла включены предметный стол, выполненный с возможностью перемещения его посадочной площадки по высоте и с возможностью вращения указанной площадки относительно основания вокруг двух взаимно перпендикулярных направлениях, и лазерный блок, установленный на посадочной поверхности предметного стола с обеспечением распространения световых пучков в горизонтальной плоскости. В состав второго конструктивного узла включены рейтер, размещенный на рельсе с призматическими направляющими, вертикальная цилиндрическая колонка, закрепленная на основании рейтера, первый дефлектор, оптически связанный с лазерным блоком и закрепленный в держателе цилиндрической колонки с обеспечением перпендикулярности плоскостей распространения отраженных и падающих на первый дефлектор световых пучков, второй дефлектор, оптически связанный с первым дефлектором и установленный на посадочной площадке рейтера с обеспечением параллельности плоскостей распространения отраженных и падающих на второй дефлектор световых пучков, и установленный на рельсе штангенрейсмас, измерительная ножка которого соприкасается с поверхностью посадочной площадки рейтера. В состав третьего конструктивного узла включены штатив с цилиндрической колонкой, выполненной по форме скобы, базовый элемент сферического подвижного соединения, выполненный по форме кольца, закрепленного на верхнем торце цилиндрической колонки с обеспечением соосности с основанием штатива, три опорных шарика равного диаметра, закрепленных на верхней поверхности базового элемента, рабочий элемент сферического подвижного соединения, выполненный по форме усеченной полусферы и размещенный сферической поверхностью на опорных шариках, вертикально ориентированный стержень, верхним торцом соединенный с рабочим элементом со стороны его малого основания, координатный столик, закрепленный на нижнем торце стержня, и уголковый отражатель, оптически связанный со вторым дефлектором второго конструктивного узла и закрепленный на координатном столике с обеспечением совмещения плоскостей распространения отраженных и падающих на уголковый отражатель световых пучков.

На фиг.1 изображена схема размещения конструктивных узлов измерительной системы относительно рабочей площадки регулировочного стенда, на фиг.2 показаны первый и второй конструктивные узлы, на фиг.3 - второй и третий конструктивные узлы системы, на фиг.4 поясняется ход световых лучей в измерительной системе.

Калибруемая рабочая площадка представляет собой комплект стандартных металлических плит 1-4, снабженных регулировочными домкратами 5. Лазерная измерительная система выполнена в виде трех конструктивных узлов 6, 7 и 8 (фиг.1).

В первый конструктивный узел включены предметный стол 9 в составе посадочной площадки 10, опорной площадки 11, регулировочных винтов 12-14, подъемного механизма 15 и основания 16, лазерный блок 17, снабженный опорными планками 18 и подключенный посредством кабеля 19 к блоку питания 20 со стрелочным прибором 21 определения режима работы лазера, и устройство 22 формирования двух параллельных световых пучков J₀₁ и J₀₂ (фиг.2).

В состав второго конструктивного узла включены рельс 23 с призматическими направляющими 24, рейтер 25, вертикальная цилиндрическая колонка 26 с держателем 27 первого дефлектора 28, второй дефлектор 29 и штангенрейсмас 30 (фиг.2, 3).

В состав третьего конструктивного узла включены штатив 31 с цилиндрической колонкой 32, выполненной по форме скобы, базовый элемент сферического подвижного соединения, выполненный по форме кольца 33, три опорных шарика 34 равного диаметра, рабочий элемент 35 сферического подвижного соединения, выполненный по форме усеченной полусферы, вертикально ориентированный стержень 36, координатный столик 37 и уголковый отражатель 38 (фиг.3).

Работа измерительной системы заключается в следующем.

Соответствие метрологических характеристик (прямолинейность, горизонтальность, плоскостность) рабочей площадки регулировочного стенда требованиям нормативных документов определяют по перепадам высот проверяемых точек поверхности комплекта стандартных металлических плит 1-4 размером (L₁×L ₂), укомплектованных регулировочными домкратами 5. Расстояния между указанными точками вдоль продольного и вдоль поперечного направлений задаются в методиках калибровки в зависимости от габаритов рабочей площадки и назначения регулировочного стенда. Для измерения перепадов высот заданных проверяемых точек поверхности плит 1-4 лазерную измерительную систему компонуют в виде трех конструктивных узлов 6, 7 и 8, схема размещения которых относительно рабочей площадки приведена на фиг.1.

Предметный стол 9 первого конструктивного узла 6 выполнен с возможностью перемещения его посадочной площадки 10 по высоте и с возможностью вращения площадки 10 относительно основания 16 вокруг двух взаимно перпендикулярных направлений: вокруг осей "X" и "Z". Вокруг оси "X" положение посадочной площадки 10 регулируют непосредственно винтами 12, вокруг оси "Z" - винтами 13 и 14, определяющими ориентацию опорной площадки 11. По высоте предметный стол 9 регулируют подъемным механизмом 15 (фиг.2).

Предметный стол 9 и рельс 23 второго конструктивного узла 7 измерительной системы размещают перед плитой 1 и ориентируют его вдоль оси "Z" рабочей площадки. Используя микрометрический уровень в качестве эталона горизонтальности, поверхность посадочной площадки 10 и прилегающую к направляющим 24 рельса 23 плоскость выставляют параллельной плоскости "XZ". Лазерный блок 17, подключенный кабелем 19 к блоку 20 питания, устанавливают на предметный стол 9 и жестко закрепляют опорные планки 18 лазера к посадочной площадке 10. При этом опорные планки 18 должны быть прикреплены к лазерному блоку 17 с обеспечением распространения двух параллельных световых пучков J₀₁ и J₀₂, формируемых устройством 22, в горизонтальной плоскости (плоскость Q₁ на фиг.4).

На рельсе 23 размещают рейтер 25, на основании которого дополнительно закрепляют вертикальную цилиндрическую колонку 26 с держателем 27 первого дефлектора 28. Изменением высоты предметного стола 9 и вращением держателя 27 вокруг оси вертикальной колонки 26 дефлектор 28 оптически связывают с лазерным блоком 17. При этом дефлектор 28 должен быть закреплен в держателе 27 с обеспечением перпендикулярности плоскостей Q₂ и Q ₁ распространения отраженных и падающих на первый дефлектор 28 световых пучков J₁₁ (J ₁₂) и J₀₁ (J₀₂ ).

На посадочную площадку рейтера 25 устанавливают второй дефлектор 29. При установке дефлектор 29 ориентируют таким образом, чтобы он был оптически связан с первым дефлектором 28 и чтобы обеспечивалась параллельность плоскостей Q₃ и Q₂ распространения отраженных и падающих на второй дефлектор световых пучков J₂₁ (J₂₂) и J₁₁(J ₁₂).

При компоновке третьего конструктивного узла 8 базовый элемент 33 сферического подвижного соединения жестко закрепляют к верхнему торцу цилиндрической колонки 32 с обеспечением соосности с основанием штатива 31. Рабочий элемент 35 сферического подвижного соединения, выполненный по форме усеченной полусферы, сферической поверхностью размещают на опорных шариках 24. Стержень 36 соединяют с рабочим элементом 35 со стороны его малого основания. К нижнему торцу стержня 36 крепят координатный столик 37 с уголковым отражателем 38. При этом уголковый отражатель 38 ориентируют таким образом, чтобы посредством регулировочных винтов координатного столика 37 обеспечить возможность совмещения плоскостей распространения отраженных и падающих на уголковый отражатель световых пучков J₃₁ (J₃₂) и J ₂₁ (J₂₂) (фиг.3).

Третий конструктивный узел 8 устанавливают на первую проверяемую точку поверхности рабочей площадки и приступают к проведению юстировки измерительной системы: смещением второго конструктивного узла 7 вдоль оси "Z" оптически связывают уголковый отражатель 38 со вторым дефлектором 29, поворотом штатива 31 вокруг оси "Y", а затем посредством регулировочных винтов координатного столика 37 добиваются совмещения сформированных уголковым отражателем 38 световых пучков J ₃₁ и J₃₂ с плоскостью O ₃, а изменением наклона посадочной площадки координатного столика 37 относительно плоскости "XZ" световые пучки J₃₁ и J₃₂ выставляют параллельными оси "X". Последнюю операцию производят один раз за время проведения калибровки, т.к. за счет наличия сферического подвижного соединения конструкция узла 8 позволяет поддерживать постоянной пространственную ориентацию уголкового отражателя 38 при отклонениях поверхности рабочей площадки от горизонтальной плоскости "XZ".

Изменяя высоту Н_x рейтера 25 (и соответственно расстояние h_x между дефлекторами 28 и 29) на величину ± h_Х, световые пучки J ₀₁ (J₁₁, J₂₁ ) и J₀₂ (J₁₂, J ₂₂) попарно совмещают со световыми пучками J ₅₂ (J₄₂, J₃₂ ) и J₅₁ (J₄₁, J ₃₁) (фиг.4). При точном попадании световых пучков J ₅₁ и J₅₂ в выходные отверстия устройства 22 возникает оптическая обратная связь, возмущающе воздействующая на стабилизацию лазерного блока 17. О совмещении указанных световых пучков судят по колебаниям стрелки прибора 21 блока питания 20. На рельс 23 устанавливают штангенрейсмас 30 и приводят его измерительную ножку в соприкосновение с поверхностью посадочной площадки рейтера 25. Значение H₁, пропорциональное значению h₁ на фиг.4 и измеренное штангенрейсмасом 30, принимают за результат измерения в первой проверяемой точке поверхности рабочей площадки.

Третий конструктивный узел 8 последовательно устанавливают на проверяемые точки данного продольного сечения рабочей площадки. Для каждой проверяемой точки проводят необходимые операции при юстировке измерительной системы и по показаниям штангенрейсмаса 30 определяют значение Н_х. Затем смещением рейтера 25 второго конструктивного узла 7 вдоль оси "Z" совмещают плоскость Q₃ распространения световых пучков J ₂₁ и J₂₂ с очередным продольным сечением рабочей площадки и производят аналогичные измерения.

По результатам измерений определяют соответствие метрологических характеристик (прямолинейность, плоскостность, горизонтальность) калибруемой рабочей площадки требованиям нормативных документов и, в случае необходимости, посредством регулировочных домкратов 5 сглаживают неровности рабочей площадки и производят повторную калибровку ее поверхности.

Предлагаемая измерительная система по сравнению с прототипом отличается более широким диапазоном измерений и может использоваться в тех случаях, когда с достаточной точностью должны быть определены позиции измеряемого объекта, не содержащего подвижных частей, используемых в прототипе в качестве направляющих.