RU2648901C2 - Method of active control of product dimensions in the process of its grinding - Google Patents
Method of active control of product dimensions in the process of its grinding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648901C2 RU2648901C2 RU2016103693A RU2016103693A RU2648901C2 RU 2648901 C2 RU2648901 C2 RU 2648901C2 RU 2016103693 A RU2016103693 A RU 2016103693A RU 2016103693 A RU2016103693 A RU 2016103693A RU 2648901 C2 RU2648901 C2 RU 2648901C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tip
- product
- protrusions
- optical
- measurements
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 36
- 238000000227 grinding Methods 0.000 title claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 106
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 53
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 121
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 85
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 5
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 4
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 12
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 abstract description 9
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 19
- 230000000474 nursing effect Effects 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000002173 cutting fluid Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 238000002559 palpation Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000004439 roughness measurement Methods 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000036346 tooth eruption Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
- B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машино-, станко- и приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий, в первую очередь, с прерывистой поверхностью (золотников, плунжеров, шестерен, шлицевых и гладких валиков, сверл, фрез, зенкеров, разверток, метчиков, калибров, концевых мер длины, протяжек и др.) на операциях шлифования на кругло-, плоско- и других типах шлифовальных станков.The invention relates to machine, machine tool and instrument engineering and is intended to automatically control the size, surface roughness and temperature of products, primarily with a discontinuous surface (spools, plungers, gears, spline and smooth rollers, drills, mills, countersinks, reamers, taps, gauges, end-length measures, broaches, etc.) during grinding operations on round-, flat- and other types of grinding machines.
Современные контактные приборы активного контроля (ПАК) в процессе обработки изделия с прерывистой поверхностью должны включать для наконечника: датчик перемещений и управляемый фрикционный привод.Modern contact active control devices (PAC) in the process of processing a product with an intermittent surface should include for the tip: a displacement sensor and a controlled friction drive.
Датчики перемещений наконечника ранее массово создавали на основе индуктивных преобразователей с точностью на уровне 1-5 мкм, а теперь все чаще используют более точные оптические и в т.ч. растровые датчики.Tip displacement sensors were previously massively created on the basis of inductive transducers with an accuracy of 1-5 μm, and now they are increasingly using more accurate optical sensors, including raster sensors.
Управляемые фрикционные приводы должны обеспечивать двунаправленное управляемое активное движение наконечника и возможность фрикционного проскальзывания в виде обратного, пассивного движения при ударном его выталкивании выступами перемещаемой детали.The controlled friction drives must provide bi-directional controlled active movement of the tip and the possibility of frictional slippage in the form of a reverse, passive movement when it is pushed by the protrusions of the moving part.
Исследованиями показано, что для гарантированного механического контакта изделия и наконечника скорость движения последнего vн должна быть на (10…15)% больше скорости съема vс припуска с изделия, т.e. vн=(1,10…1,15)⋅vс (Леун В.И. «Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизионных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля». Докт. диссерт. С-Петербург, 1994). При проектировании ПАК учитывают значения vс для разных этапов обработки: для чернового шлифования - vчерн=200…500 мкм/с; для чистового шлифования - vчист=10…50 мкм/с; для выхаживания vвых=0,5…2,0 мкм/с.Studies have shown that for guaranteed mechanical contact of the product and the tip, the speed of movement of the latter v n should be (10 ... 15)% higher than the removal rate v from the allowance from the product, i.e. v n = (1.10 ... 1.15) сv s (Leun V.I. “Improving the efficiency of manufacturing technology and the accuracy of measuring the linear dimensions of precision parts of instruments, machines and tool products by means of automatic control.” Doctoral dissertation. S Petersburg, 1994). When designing the PAC, the values of v s are taken into account for different stages of processing: for rough grinding - v black = 200 ... 500 μm / s; for fine grinding - v net = 10 ... 50 microns / s; for nursing, vout = 0.5 ... 2.0 μm / s.
Таким образом, для управляемых фрикционных приводов в ПАК, создаваемых, как правило, на основе гидро-, пьезо- и электроприводов необходимо управлять скоростью движения наконечника vн в широких пределах с соотношением скоростей для этапов чернового шлифования и выхаживания - vчерн/vвых=1000. А с учетом потребности быстрого приближении к детали со скоростью не менее ~5 мм/с перед началом измерений это соотношение будет еще выше.Thus, for controlled friction drives in PAKs, created, as a rule, on the basis of hydraulic, piezo, and electric drives, it is necessary to control the speed of the tip v n over a wide range with the ratio of the speeds for the stages of rough grinding and nursing - v black / v out = 1000. And taking into account the need for a quick approach to the part with a speed of at least ~ 5 mm / s before starting measurements, this ratio will be even higher.
Одноконтактные ПАК более наглядны, поэтому для лучшей демонстрации предлагаемого будет представлен именно этот вариант.One-contact PAKs are more visual, therefore this option will be presented for a better demonstration of the proposed one.
Известен способ активного контроля линейных размеров изделий с прерывистыми поверхностями (способ-аналог), реализованный на основе устройства для линейных измерений (АС СССР №1328157, МПК B23Q 15/00, опубл. в бюл. №4, 10.02.2008), используют подвижный измерительный стержень с закрепленным на нем наконечником, фиксируют измерительный стержень от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе пьезопривода, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством этого пьезопривода управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к вращающейся (или перемещающейся) поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью неподвижного магнитопровода с катушками индуктивности и подвижного сердечника, установленного на измерительном стержне, преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.A known method of active control of the linear dimensions of products with discontinuous surfaces (analogous method), implemented on the basis of a device for linear measurements (USSR AS No. 13218157, IPC B23Q 15/00, published in Bulletin No. 4, 02/10/2008), use a movable measuring rod with a tip fixed on it, fix the measuring rod from its rotations around its axis, use a controlled speed controller based on a piezoelectric actuator connected through a friction coupling with the measuring rod, through this piezoelectric actuator control the direction The linear velocity and linear speed of the tip, set the tip speed in the direction normal to the rotating (or moving) surface of the product, consisting of protrusions and troughs, provide mechanical contact between the product and the tip, using a fixed magnetic circuit with inductors and a movable core installed on the measuring rod, the current coordinate of the tip is converted into an electrical signal, by the value of which the linear size of the product is judged, linear th size of the product.
Недостатками данных способа-аналога являются:The disadvantages of the data of the analogue method are:
1) ограничение точности измерений1) limitation of measurement accuracy
- наводок и помех от высокочастотного высоковольтного сигнала управления пьезопривода,- interference and interference from the high-frequency high-voltage control signal of the piezoelectric drive,
- из-за температурных погрешностей наконечника и изделия,- due to temperature errors of the tip and product,
- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,- due to the dependence on the width of the depressions between the protrusions of the depth of penetration of the tip in them at a constant speed of its movements for products with an irregular discontinuous surface,
2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:2) restriction of functionality due to the impossibility of:
- измерения шероховатости Ra и угла наклона α поверхностей выступов,- measuring the roughness R a and the inclination angle α of the surfaces of the protrusions,
- проведения бесконтактных измерений,- conducting contactless measurements,
- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,- synchronization of measurements from the movement of the protrusions of the product,
- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.- control of frictional slippage of the tip.
3) сложная схема как управляемого регулятора скорости при его сборке, настойке и юстировке, так и схемы управления высоковольтного (напряжение сигнала управления ~1000-2000 В) пьезопривода.3) a complex scheme of both a controlled speed controller during its assembly, adjustment and adjustment, as well as a high-voltage control circuit (control signal voltage ~ 1000-2000 V) of the piezo drive.
Известен способ активного контроля линейных размеров изделий (способ-аналог), реализованный на основе устройства для активного контроля линейных размеров изделий (патент RU 2316420, МПК В24В 49/00, 10.02.2008), который заключается в том, что используют трехгранный подвижный измерительный стержень со сквозным отверстием с закрепленным на нем подвижным сердечником, а на его торце наконечником, за счет использования трех граней измерительного стержня фиксируют от его поворотов вокруг своей оси, используют управляемый регулятор скорости на основе электромагнитного исполнительного механизма, связанного через фрикционную связь с измерительным стержнем, посредством электромагнитного исполнительного механизма управляют направлением и скоростью линейного движения наконечника, задают скорость движения наконечника в направлении по нормали к перемещающейся поверхности изделия, состоящей из выступов и впадин, обеспечивают механический контакт между изделием и наконечником, с помощью подвижного сердечника и магнитопровода с катушками преобразуют текущую координату наконечника в электрический сигнал, по значению которого судят о линейном размере изделия, индицируют линейный размер изделия.A known method of active control of the linear dimensions of products (analogue method), implemented on the basis of a device for active control of the linear dimensions of products (patent RU 2316420, IPC VB 49/00, 02/10/2008), which consists in the use of a trihedral movable measuring rod with a through hole with a movable core fixed on it, and a tip at its end, due to the use of three faces of the measuring rod, they are fixed from its rotation around its axis, using a controlled speed controller based on electronic the magnetic actuator connected through a friction connection with the measuring rod, by means of an electromagnetic actuator control the direction and speed of the linear movement of the tip, set the speed of the tip in the direction normal to the moving surface of the product, consisting of protrusions and depressions, provide mechanical contact between the product and the tip , using a movable core and a magnetic circuit with coils, convert the current coordinate of the tip into electronic If a linear signal is used to judge the linear size of the product, the linear size of the product is indicated.
Недостатками данного способа-аналога являются:The disadvantages of this analogue method are:
1) ограничение точности измерений1) limitation of measurement accuracy
- из-за температурных погрешностей наконечника и изделия,- due to temperature errors of the tip and product,
- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,- due to the dependence on the width of the depressions between the protrusions of the depth of penetration of the tip in them at a constant speed of its movements for products with an irregular discontinuous surface,
2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:2) restriction of functionality due to the impossibility of:
- измерения шероховатости Ra и угла наклона α поверхностей выступов,- measuring the roughness R a and the inclination angle α of the surfaces of the protrusions,
- проведения бесконтактных измерений,- conducting contactless measurements,
- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,- synchronization of measurements from the movement of the protrusions of the product,
- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.- control of frictional slippage of the tip.
Наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности предлагаемому изобретению является способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности (способ-прототип, патент RU 2557381, МПК В24В 49/00, G01B 7/12, 10.06.2015), включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника с заданной скоростью в направлении к поверхности изделия до возникновения механического контакта между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, используют наконечник из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, посредством лазерного излучения создают входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня и освещают им под заданным углом падения внутреннюю сторону лицевой поверхности наконечника, при этом в зоне контакта наконечника с изделием формируют отраженный световой поток и тепловой поток, интенсивность которого связана с температурой наконечника, направляют упомянутые потоки через упомянутое отверстие измерительного стержня для измерения их параметров, отделяют отраженный световой поток от теплового, преобразуют измеряемый параметр отраженного светового потока в электрический сигнал для расчета текущей координаты наконечника, измеряют интенсивность теплового потока и формируют второй электрический сигнал, связанный с текущей температурой наконечника, с учетом которого корректируют значение линейного размера обрабатываемого изделия.The closest in number of common features and in technical essence of the present invention is a method for actively controlling linear dimensions during processing of the product, made with cavities and protrusions on the surface (prototype method, patent RU 2557381, IPC B24B 49/00, G01B 7/12, 06/10/2015), including the use of a movable measuring rod that is connected frictionally to the drive and is fixed from rotations and has a through hole and a tip fixed to its end with its rear side, linear movement of the tip with a given speed towards the surface of the product until mechanical contact occurs between the product and the front surface of the tip with the formation of the working area, the formation of an electrical signal characterizing the current coordinate of the tip, and the use of this signal to calculate the linear size of the product with an indication of its value, use the tip from optically a transparent material with a protective coating deposited on its outer front surface with the formation of a hole corresponding to the con the stroke of the tip with the product, by means of laser radiation, creates an input light flux, which is directed through the through hole of the measuring rod and illuminate it with a given angle of incidence on the inner side of the front surface of the tip, while reflected light and heat flux are formed in the contact zone of the tip with the product, intensity which is associated with the temperature of the tip, directing said flows through said opening of the measuring rod to measure their parameters, separate the reflected luminous flux from the heat, convert the measured parameter of the reflected light flux into an electric signal to calculate the current coordinate of the tip, measure the intensity of the heat flux and form a second electrical signal associated with the current temperature of the tip, taking into account which the value of the linear size of the processed product is adjusted.
В этом способе-прототипе также входной световой поток радиально смещают от оси измерительного стержня, на внутренней стороне боковой поверхности наконечника выделяют две противоположные рабочие площадки с заданными углами наклона и используют их в качестве первой и второй зон отражения, освещают входным световым потоком первую зону отражения, передают входной световой поток внутри наконечника ко второй зоне отражения для создания отраженного светового потока.In this prototype method, the input luminous flux is also radially shifted from the axis of the measuring rod, on the inner side of the side surface of the tip there are two opposite working platforms with predetermined angles of inclination and they are used as the first and second reflection zones, the first reflection zone is illuminated with the input light flux, transmit the input light flux inside the tip to the second reflection zone to create a reflected light flux.
Кроме того, в этом способе-прототипе число зон отражения устанавливают больше двух и включают в это число зон рабочую зону отражения.In addition, in this prototype method, the number of reflection zones is set to more than two, and the working reflection zone is included in this number of zones.
Помимо этого, в данном способе-прототипе входной световой поток радиально смещают от продольной оси измерительного стержня, перед тыльной поверхностью наконечника устанавливают оптическую систему, с помощью которой отклоняют распространяющийся входной световой поток для освещения рабочей зоны отражения в наконечнике и формируют отраженный световой поток, отклоняющийся оптической системой.In addition, in this prototype method, the input light flux is radially offset from the longitudinal axis of the measuring rod, an optical system is installed in front of the back surface of the tip, with which the propagating input light flux is deflected to illuminate the reflection working area in the tip and a reflected light flux deflecting the optical system.
Также в этом способе-прототипе задают значение угла падения входного светового потока на рабочую зону отражения в наконечнике.Also in this prototype method, the value of the angle of incidence of the input light flux to the working reflection zone in the tip is set.
В этом способе-прототипе также в качестве измеряемого параметра отраженного светового потока используют фазовый набег.In this prototype method, a phase incursion is also used as a measured parameter of the reflected light flux.
Недостатками этого способа-прототипа являются следующие:The disadvantages of this prototype method are the following:
1) ограничение точности измерений1) limitation of measurement accuracy
- из-за температурной погрешности изделия,- due to the temperature error of the product,
- из-за зависимости от ширины впадин между выступами глубины западания наконечника в них при постоянной скорости его движений для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью,- due to the dependence on the width of the depressions between the protrusions of the depth of penetration of the tip in them at a constant speed of its movements for products with an irregular discontinuous surface,
2) ограничение функциональных возможностей из-за невозможности:2) restriction of functionality due to the impossibility of:
- измерения шероховатости Ra и угла наклона α поверхностей выступов,- measuring the roughness R a and the inclination angle α of the surfaces of the protrusions,
- проведения бесконтактных измерений,- conducting contactless measurements,
- синхронизации измерений от перемещения выступов изделия,- synchronization of measurements from the movement of the protrusions of the product,
- управления параметрами фрикционного проскальзывания наконечника.- control of frictional slippage of the tip.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.The technical objectives of the invention are to increase the accuracy of measurements and expand the functionality.
Указанная задача обеспечиваются тем, что способ активного контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры в процессе обработки изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности, включающий использование связанного фрикционно с приводом и зафиксированного от поворотов подвижного измерительного стержня со сквозным отверстием и наконечником, закрепленным на его торце своей тыльной стороной, линейное перемещение наконечника в направлении к поверхности изделия, формирование электрического сигнала, характеризующего текущую координату наконечника, и использование этого сигнала для расчета линейного размера изделия с индикацией его значения, использование наконечника из оптически прозрачного материала с защитным покрытием, нанесенным на его внешней лицевой поверхности с образованием отверстия, соответствующего зоне контакта наконечника с изделием, создание посредством лазерного излучения входного светового потока с его направлением через сквозное отверстие измерительного стержня, освещением им внутренней стороны лицевой поверхности наконечника, отражением от нее с появлением в зоне контакта наконечника с изделием отраженного светового потока, формированием наконечником теплового потока, интенсивность которого связана с его температурой, использование отраженного светового потока для создания выходного электрического сигнала, измерение интенсивности теплового потока и формирование второго выходного электрического сигнала, связанного с текущей температурой наконечника, корректировкой с учетом этого значения размера изделия, обеспечивают между изделием и лицевой поверхностью наконечника с образованием рабочей зоны механический контакт или зазор для осуществления соответственно контактных или бесконтактных измерений, освещение внутренней стороны лицевой поверхности наконечника осуществляют фокусированным входным световым потоком с расположением его фокуса вне наконечника, при этом наконечником принимают второй тепловой поток, формируемый изделием, This task is ensured by the fact that the method of actively controlling the size, surface roughness and temperature during the processing of the product, made with depressions and protrusions on the surface, including the use of a friction measuring rod connected with a drive and fixed from rotations with a through hole and a tip fixed to it the end with its back side, linear movement of the tip towards the surface of the product, the formation of an electrical signal, characterizing the current coordinate of the tip, and using this signal to calculate the linear size of the product with an indication of its value, using the tip of an optically transparent material with a protective coating deposited on its outer front surface with the formation of a hole corresponding to the contact zone between the tip and the product, creating using laser radiation input light flux with its direction through the through hole of the measuring rod, illuminating it with the inner side of the obverse tilt a source, by the appearance of a reflected light flux in the contact zone between the tip and the product, the formation of a heat flux by the tip, the intensity of which is related to its temperature, the use of the reflected light flux to create an output electric signal, measurement of the heat flux intensity and the formation of a second output electric signal, associated with the current temperature of the tip, the adjustment taking into account this value of the size of the product, provide between the product and the front erhnostyu tip from the working area forming a mechanical contact or gap, respectively for contact or non-contact measurement, the front surface of the inner side tip illumination is performed by a focused input light with its focus located outside the tip receiving a second thermal flow generated product with a tip
интенсивность которого связана с температурой изделия, и направляют этот поток вместе с первым тепловым потоком, причем выделяют часть отраженного светового потока и формируют на его основе первый отраженный световой поток, который вместе с двумя тепловыми потоками направляют вдоль оси сквозного отверстия измерительного стержня для измерения, при этом выбирается фиксированное значение погружения наконечника во впадины между выступами и осуществляют синхронизацию этих погружений наконечника по движению впадин и выступов изделия, причем отделяют два тепловых потока от первого отраженного светового потока, измеряют его с синхронизацией по движению впадин и выступов изделия, а в результате этого судят о текущей координате наконечника во время механического контакта между изделием и наконечником, при этом с тыльной стороны наконечника размещают оптические элементы, которыми выделяют из отраженного светового потока, по меньшей мере, две разные боковые части, преимущественно, в вертикальной плоскости, в виде второго и третьего отраженных световых потоков, направляя их через сквозное отверстие измерительного стержня, радиально смещенными, по разные стороны от его оси, преобразуя в третий и четвертый выходные электрические сигналы с измерением этих сигналов и соответственно интенсивности второго и третьего отраженных световых потоков с синхронизацией по движению впадин и выступов изделия, по уровням которых судят об индикатрисе отражения и ее наклоне и соответственно о шероховатости Ra и угле наклона α поверхности выступов, при этом посредством вышеупомянутого лазерного излучения создают второй входной световой поток, который направляют через сквозное отверстие измерительного стержня радиально смещенным с одной стороны от его оси, преимущественно, в горизонтальной плоскости, и освещают им внутреннюю сторону лицевой и/или боковой поверхностей наконечника и формируют на них, по меньшей мере, одну зону отражения с полным внутренним отражением и созданием четвертого отраженного светового потока, который the intensity of which is related to the temperature of the product, and they direct this flux together with the first heat flux, and a part of the reflected light flux is extracted and the first reflected light flux is formed on its basis, which, together with two heat fluxes, is directed along the axis of the through hole of the measuring rod for measurement, this selects a fixed value of the immersion of the tip in the depressions between the protrusions and synchronize these immersions of the tip by the movement of the depressions and protrusions of the product, etc. by which two heat fluxes are separated from the first reflected light flux, it is measured with synchronization by the movement of the hollows and protrusions of the product, and as a result, the current coordinate of the tip is judged during mechanical contact between the product and the tip, and optical elements are placed on the back of the tip, by which at least two different lateral parts are extracted from the reflected light flux, mainly in the vertical plane, in the form of the second and third reflected light fluxes, directing them through the through hole of the measuring rod, radially offset, on different sides of its axis, converting into the third and fourth output electrical signals with the measurement of these signals and, accordingly, the intensities of the second and third reflected light fluxes with synchronization by the movement of the valleys and protrusions of the product, according to the levels of which are judged indicatrix of reflection and its inclination and consequently of roughness R a and the inclination angle α of the projections surface, wherein the laser radiation by the aforementioned create second WMOs luminous flux, which is directed through the through hole of the measuring rod radially offset from one side of its axis, mainly in the horizontal plane, and illuminate with it the inner side of the front and / or side surfaces of the tip and form at least one reflection zone on them with total internal reflection and the creation of the fourth reflected light flux, which
направляют через сквозное отверстае измерительного стержня, преимущественно, также в горизонтальной плоскости, фазовый сдвиг которого преобразуют в пятый выходной электрический сигнал, по изменениям которого судят о перемещении наконечника, при этом для двух тепловых потоков осуществляют фотоэлектрическое преобразование с разделением друг от друга для измерений их интенсивностей, измеряют интенсивность второго теплового потока, и формируют шестой выходной электрический сигнал, по которому судят о температуре изделия, с учетом чего корректируют значение размеров изделия, причем управляют с помощью привода скоростью перемещения наконечника и меняя посадку и характер резьбового соединения измерительного стержня, осуществляют синхронизацию изменений параметров последней по движению впадин и выступов изделия, при этом отводят наконечник от изделия с измерением его перемещений и располагают вблизи фокуса первого входного светового потока.they are directed through the through opening of the measuring rod, mainly also in the horizontal plane, the phase shift of which is converted into the fifth output electrical signal, according to the changes of which the tip movement is judged, while for two heat fluxes, photoelectric conversion is carried out with separation from each other to measure their intensities , measure the intensity of the second heat flux, and form the sixth output electrical signal, which is used to judge the temperature of the product, taking into account what adjust the value of the dimensions of the product, and control the tip speed by means of a drive and changing the fit and nature of the threaded connection of the measuring rod, synchronize changes in the parameters of the latter according to the movement of the depressions and protrusions of the product, while the tip is removed from the product with the measurement of its displacements and is located near the focus of the first input light flux.
Другим отличием изобретения является то, что привод создают на основе механически соединенных электродвигателя, редуктора с возможностью изменения передаточного отношения электрическим сигналом, фрикционно-винтового механизма, связывающего вал редуктора с измерительным стержнем и преобразующего вращение первого в линейное перемещение второго, при этом фрикционно-винтовой механизм реализуют на основе винтовой передачи с резьбовым соединением, причем задают параметры и их значения резьбового соединения, а в качестве измеряемого параметра первого отраженного светового потока используют интенсивность и фазовый сдвиг.Another difference of the invention is that the drive is created on the basis of a mechanically connected electric motor, a gearbox with the possibility of changing the gear ratio by an electric signal, a friction-screw mechanism connecting the gearbox shaft with a measuring rod and converting the rotation of the first into linear movement of the second, while the friction-screw mechanism they are implemented on the basis of a screw transmission with a threaded connection, and parameters and their values of the threaded connection are set, and as a measured pair The first reflected light flux meter uses intensity and phase shift.
Еще одним отличием изобретения является то, что для изменения посадки в резьбовом соединении винтовой передачи фрикционно-винтового механизма используют, по меньшей мере, один подвижный элемент с Another difference of the invention is that to change the fit in the threaded connection of the screw transmission of the friction screw mechanism, at least one movable element with
возможностью изменения его толщины и/или формы от изменений электрического сигнала.the possibility of changing its thickness and / or shape from changes in the electrical signal.
Предлагаемый способ поясняется рисунками.The proposed method is illustrated by drawings.
Фиг. 1 представляет устройство, реализующее предлагаемый способ.FIG. 1 represents a device that implements the proposed method.
На фиг. 2 изображена оптическая схема устройства при бесконтактных измерениях, где Lв, Lнл и Lнт - координаты поверхности выступа, лицевой и тыльной поверхностей наконечника.In FIG. 2 shows the optical diagram of the device for non-contact measurements, where L in , L nl and L nt - the coordinates of the surface of the protrusion, the front and back surfaces of the tip.
Фиг. 3 показывает с тыльной стороны наконечника оптическую систему и прохождение через него оптических (световых) и тепловых потоков.FIG. 3 shows from the back of the tip the optical system and the passage of optical (light) and heat fluxes through it.
На фиг. 4 и 5 изображены схемы прохождения оптических потоков с освещением (фиг. 4) и без освещения (фиг. 5) рабочей зоны.In FIG. 4 and 5 depict optical flow patterns with illumination (Fig. 4) and without illumination (Fig. 5) of the working area.
Фиг. 6 демонстрирует ход оптических и тепловых потоков в процессе бесконтактных измерений.FIG. 6 shows the progress of optical and heat fluxes during non-contact measurements.
На фиг. 7 и 8 изображен фрикционно-винтовой механизм в поперечном А-А (фиг. 7) и продольном В-В (фиг. 8) разрезах с подвижным элементом на основе пьезопластины.In FIG. Figures 7 and 8 show a friction-screw mechanism in transverse AA (Fig. 7) and longitudinal BB (Fig. 8) sections with a movable element based on a piezoelectric plate.
На фиг. 9-11 показаны варианты винта: при создании резьбы вибронакатыванием (фиг. 9, 10) или путем намотки на стержень проволоки с заливкой ее компаундом (фиг. 11).In FIG. Figures 9-11 show screw options: when creating a thread by vibro-rolling (Fig. 9, 10) or by winding a wire onto a rod with filling it with a compound (Fig. 11).
На фиг. 1 изображены индикатор 1, система управления 2, измерительный преобразователь 3, состоящий из корпуса 4, наконечника 5 с защитным покрытием 6, закрепленного на подвижном измерительном стержне 7 с возможностью линейных перемещений ΔL с помощью направляющей 8, привода 9, включающий фрикционно-винтовой механизм, созданный на основе винта 10, фрикционного элемента 11, подвижного элемента 12, электродвигателя 13 с ротором 14, механически связанным со валом редуктора 15; оптический измеритель 16, неподвижное зеркало 17, оптическая система 18, изделие 19 с прерывистой поверхностью, шлифовальный круг (не обозначен).In FIG. 1 shows an
Оптический измеритель 16 (фиг. 2) имеет электрические вход и шесть выходов, окно для приемопередачи оптических, тепловых потоков и состоит из измерителя параметров поверхности 20, лазера 21, модулятора разности хода 22, низкогерентного 23 и высококогерентного 24 измерителей, пирометра 25, семи светоделителей 26, зеркала 27 и двух оптических фильтров 28 и 29.The optical meter 16 (Fig. 2) has an electric input and six outputs, a window for receiving and transmitting optical and heat fluxes and consists of a
Наконечник 5 выполнен из высокопрочного оптически прозрачного материала: алмаз, рубин, сапфир, карбид кремния или представителей корундовых кристаллов и условно имеет лицевую (спереди), боковую (сбоку) и тыльную (сзади) поверхности. Его лицевая и боковая поверхности могут иметь криволинейную выпуклую форму, близкую по форме к плоской в области, непосредственно прилегающей к зоне контакта с изделием 19 - рабочей зоне с ∅≤1-3 мм. Наконечник 5 используется одновременно в качестве отражателя оптического потока, распространяющегося внутри устройства, и окна для приемопередачи внешних оптических и тепловых потоков и может быть плоско-выпуклой собирающей линзой, а его тыльная поверхность с креплением к измерительному стержню 7 может быть плоской и иметь отражающее напыление.The
Защитное покрытие 6 имеет отверстие по месту и размеру зоны контакта наконечника 5 с изделием 19 и защищает большую часть его внешней поверхности от механических воздействий, налипания стружки, результатов металлообработки, остатков смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и создает условия полного внутреннего отражения для оптических потоков.The
Измерительный стержень 7 может быть выполнен в виде шестигранной трубки, встроенной в направляющую 8 поступательного перемещения, преимущественно качения, предотвращающей его повороты вокруг своей оси. С одной стороны он прикреплен к наконечнику 5 при герметизации эластичной гофрированной трубкой, а с другой стороны в него введен фрикционный элемент 11.The measuring
Привод 9 включает фрикционно-винтовой механизм, состоящий из соединения винтового стержня 10 (условно - «винт») с фрикционным элементом 11. Винтовой стержень 10 выполнен в виде цилиндра с наружной резьбой, скругленной на вершинах подобной круглой резьбе или резьбе Эдисона, с малой высотой выступов h, преимущественно, не более 100 мкм. На него надет фрикционный элемент 11 (условно - «гайка»), подобный втулке или чашке, прикрепленный к измерительному стержню 7, внутренняя поверхность которого может быть также резьбу, сопряженную с винтом 10. В паре винт 10-фрикционный элемент 11 последний может быть изготовлен из менее твердого материала, образуя пары в т.ч. материалы с малым трением, например, нержавеющая сталь - фторопласта и другие подобные.The drive 9 includes a friction-screw mechanism, consisting of connecting a screw rod 10 (conditionally, “screw”) with a
Вдоль фрикционного элемента 11 встроен электрически управляемый подвижный элемент 12, например, на основе пьезопластин (фиг. 1, 8), электрический вход с сигналом Uфв, подключенный ко второму выходу системы управления 2. Изменение сигнала Uфв меняет толщину или форму подвижного элемента 12, усиливая или ослабляя обжимание винта 10 фрикционным элементом 11 и меняя посадку, характер резьбового соединения от зазора до натяга (фиг. 7, 8).Along the
Соединение винта 10 и фрикционного элемента 11 создает винтовую передачу «винт-гайка» с преобразованием углового поворота Δγ первого в линейное перемещение ΔL второго и с возможностью его фрикционного проскальзывания при воздействии на наконечник 5.The connection of the
В одном из вариантов реализации предлагаемого способа сквозное отверстие создано также в фрикционном элементе 11, винте 10, редукторе 15 и роторе 14 электродвигателя 13 с возможностью распространения оптических и тепловых потоков внутри них насквозь и размещения оптического измерителя 16 за последним.In one embodiment of the proposed method, a through hole is also created in the
В другом варианте резьбовые поверхности винта 10 и фрикционного элемента 11 могут быть соответственно внутренней и наружной, образуя соединение «гайка-винт».In another embodiment, the threaded surfaces of the
Электродвигатель 13 может быть шаговым и используется для двусторонних поворотов Δγ своего ротора 14 по сигналу Uэд.The
Редуктор 15 передает вращение ротора 14 на винт 10 с возможностью изменения передаточного отношения kp по сигналу Up.The
Оптический измеритель 16 применяется для измерения положения поверхности выступов изделия 19 и наконечника 5, температуры выступов изделия 19 и наконечника 5, перемещений последнего, шероховатости поверхностей Ra выступов и их угла наклона α, вокруг оси OZ. Он имеет электрических шесть выходов с сигналами NRa, Nα Nни, Nви, Nтвс, Nти и один вход с сигналом Uои для синхронизации измерений.The
Зеркало 17 прикреплено к корпусу 4 и установлено внутри измерительного стержня 7, через прорезь в котором оптически связывает оптический измеритель 16 и наконечник 5.The
Оптическая система 18 (фиг. 3) включает пять оптических элементов: центральный и две пары боковых, размещенных, как вариант, вместе на одной подложке подобно линзе Френеля и прикреплена к тыльной поверхности наконечника 5.The optical system 18 (Fig. 3) includes five optical elements: a central one and two pairs of side ones placed, as an option, together on the same substrate like a Fresnel lens and attached to the back surface of
Первый оптический элемент 30 является центральным и собирающей линзой, фокусируя оптические и тепловые потоки в т.ч. вместе с наконечником 5 с фокусом на расстоянии 0,5-1,5 мм вне его.The first
Первая пара, т.е. второй 31 и третий 32 боковые оптические элементы расположены на расстояниях R1 и R2 по разные стороны от центра оптической системы 18, используются для углового отклонения и фокусирования двух отраженных оптических потоков, следующих, преимущественно, в плоскости XOY, применяемых для измерения шероховатости и угла наклона поверхностей выступов. Фокус этих оптических элементов совмещен с фокусом первого оптического элемента 30.The first pair, i.e. the second 31 and third 32 lateral optical elements are located at distances R 1 and R 2 on different sides from the center of the
Вторая пара, т.е. четвертый 33 и пятый 34 боковые оптические элементы расположены симметрично относительно центра оптической системы 18 и применяются подобно оптическим клиньям для углового отклонения оптических потоков, применяемым для измерения перемещения ΔL наконечника 5, следующих, преимущественно, в плоскости XOZ.The second pair, i.e. the fourth 33 and fifth 34 lateral optical elements are located symmetrically relative to the center of the
В данном способе используются низкогерентный 23 и высококогерентный 24 измерители, являющиеся основой соответствующих интерферометров. Они работают на разных принципах действия и обладают разным набором достоинств и недостатков, не дублируя друг друга, повышая универсальность, информативность, надежность и точность контактных и бесконтактных измерений.This method uses low coherent 23 and high coherent 24 meters, which are the basis of the corresponding interferometers. They work on different principles of action and have a different set of advantages and disadvantages without duplicating each other, increasing the versatility, information content, reliability and accuracy of contact and non-contact measurements.
Низкогерентный измеритель 23 вместе с оптической схемой, описанной далее, представляет собой т.н. низкогерентный интерферометр или интерферометр «белого света», работающий, как правило, в импульсном режиме по сигналу синхронизации Uои. С его помощью измеряют положение поверхностей изделий в условиях ограничения когерентности оптических потоков: отраженных от шероховатых поверхностей и/или при прохождении их через СОЖ (или ее паровоздушной смеси) в бесконтактных измерениях.The low-coded
Высококогерентный измеритель 24 вместе с оптической схемой образует интерферометр Майкельсона, применен для измерения в выбранной системе координат перемещений наконечника 5, являющегося отражателем.The highly
Пирометр 25 измеряет температуры Твс выступов изделия 19 и Тн наконечника 5 по интенсивности тепловых потоков, излучаемых ими и формирует выходные сигналы Nтвс, Nтн, следующие на пятый и шестой входы системы управления 2 для корректировки результатов измерений.The
Оптические фильтры 28 и 29 используются для спектрального разделения пространственно совмещенных оптических и тепловых потоков, следующих от наконечника 5. Первый настроен на длину волны λo лазера 21, которая, обычно, бывает из ряда наиболее часто используемых 0,63 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм, а второй - на длину волны λт тепловых потоков в стандартном для пирометров инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне ~3-15 мкм.
Система управления 2 имеет по шесть электрических входов и выходов. Все ее входы соединены с шестью соответствующими выходами с сигналами NRa, Nα Nни, Nви, Nтвс, Nтн оптического измерителя 16, а ее выходы используются следующим образом: первый с сигналом Uои подключен ко входу оптического измерителя 16, второй с сигналом Uфв подключен ко входу подвижного элемента 12 в приводе 9, выходы с сигналами: третий Up, четвертый Uэд и пятый Nинд - подключены соответственно к редуктору 15, электродвигателю 13 и индикатору 1, а шестой выход Nвых используется для выдачи сводной информации.The
В статике при формировании сигналов данный способ, реализованный на круглошлифовальном станке, осуществляют следующим образом.In statics, when generating signals, this method, implemented on a circular grinding machine, is carried out as follows.
В начальный момент времени сигналы Uфв, Uмп и Uэд, поступающие со второго, третьего и четвертого выходов системы управления 2 на входы привода 9 и, соответственно, редуктора 15 и электродвигателя 13 не меняются, а измерительный стержень 7 и наконечник 5 неподвижны.At the initial time, the signals U fv , U mp and U ed coming from the second, third and fourth outputs of the
Положения поверхностей выступов изделия 19 и наконечника 5 измеряются с помощью низкогерентного интерферометра следующим образом.The position of the surfaces of the protrusions of the
Для удобства описания принимается, что термин оптический поток используется для случаев входа/выхода их из цельных, законченных блоков, узлов и т.д., а при их делении, в основном, используется термин - часть, доля и т.п. При контакте лицевая поверхность наконечника 5 совмещена с поверхностью выступа изделия 19 без зазора.For convenience of description, it is assumed that the term optical flow is used for cases of their entry / exit from solid, finished blocks, units, etc., and when dividing them, the term is mainly used - part, fraction, etc. Upon contact, the front surface of the
Нумерация светоделителей 26 следующая (фиг. 2):The numbering of the
- первый, второй и седьмой светоделители расположены последовательно по прямой, вдоль оптического потока, сформированного лазером 21 и следующего на вход высококогерентного измерителя 24,- the first, second and seventh beam splitters are arranged sequentially in a straight line, along the optical flux generated by the
- четвертый светоделитель расположен напротив оптического входа модулятора разности хода 22,- the fourth beam splitter is located opposite the optical input of the modulator of the
- третий (напротив выхода модулятора разности хода 22), пятый (напротив входа низкокогерентного измерителя 23) и шестой (напротив входа пирометра 25) светоделители расположены вдоль части оптического потока, изменившего свое направление после второго светоделителя.- the third (opposite the output of the path difference modulator 22), the fifth (opposite the input of the low coherent meter 23) and the sixth (opposite the input of the pyrometer 25) are the beam splitters along the part of the optical stream that changed direction after the second beam splitter.
Итак, в оптическом измерителе 16 (изображен на фиг. 2) лазер 21 излучает когерентный оптический поток длиной волны λо, который поступает на входы низкогерентного и высококогерентного интерферометров. Состав и принцип действия последнего рассмотрены далее при описании измерений перемещений ΔL наконечника 5. Низкогерентный интерферометр включает в себя низкогерентный измеритель 23 и два разбалансированных друг относительно друга интерферометра: опорный и измерительный (не обозначены).So, in the optical meter 16 (shown in Fig. 2), the
В опорном интерферометре делением оптического потока от лазера 21 первым светоделителем 26 на две части формируются опорное и сканирующее плечи (фиг. 2) со следующими маршрутами:In the reference interferometer, by dividing the optical flux from the
- первый светоделитель 26 → второй светоделитель 26 → третий светоделитель 26 = опорное плечо,- the
- первый светоделитель 26 → четвертый светоделитель 26 → модулятор разности хода 22 → третий светоделитель 26 = сканирующее плечо.-
Длина опорного плеча неизменна, а длина сканирующего плеча сигналом Uои с первого выхода системы управления 2 может быть изменена модулятором разности хода 22. В качестве таких модуляторов могут использоваться специальные волоконные фазовые модуляторы с частотой модуляции fмод, как минимум, до 300 кГц, например, с циклом измерений до ≈3 мкс и разностью хода до ~6000 рад, что для λo≈1,5 мкм составляет около 1,5 мм (Коваленко В.Г. Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н.: Спец. 01.04.03 Ин-т радиотехники и электроники. - М.: 2005., Губин В.П., Коваленко В.Г., Сазонов А.И., Старостин Н.И. Пьезоволоконный фазовый модулятор света с пониженным уровнем поляризационной модуляции / Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып. 7, с. 78-83.).The length of the support arm is unchanged, and the length of the scanning arm by the signal U о from the first output of the
Итак, на третьем светоделителе 26 опорного интерферометра формируется оптический поток 35, состоящий из двух частей от опорного и сканирующего плечей с модулируемой разностью хода Δlои между ними. Этот поток далее следует в измерительный интерферометр к пятому светоделителю 26, первое стабильное плечо которого является опорным (и может включать световод) и образовано прохождением света между неподвижным зеркалом 27 и пятым светоделителем 26. Второе - переменное плечо, являющееся измерительным, включает путь света от пятого светоделителя 26 к наконечнику 5 и изделию 19 с последовательным прохождением, оптического фильтра 28, шестого светоделителя 26 и после отражения от зеркала 17 и прохождения вдоль оси сквозного отверстия измерительного стержня 7, оптический элемент 30 и далее через наконечник 5. Так на выходе измерительного интерферометра, т.е. после пятого светоделителя 26 формируется первый входной оптический поток 36, состоящий из нескольких частей, следующий в направлении наконечника 5.So, on the
Оптическим элементом 30 входной оптический поток 36 фокусируется с расположением фокуса в виде перетяжки оптического потока диаметром не более 50-500 мкм на расстоянии не более 0,5-1,5 мм за пределами лицевой поверхности наконечника 5.By the
Отражающими поверхностями при прохождении выступов изделия 19 мимо наконечника 5 для этого потока выступают:The reflecting surfaces during the passage of the protrusions of the
- для контактных измерений - тыльная и лицевая поверхности наконечника 5, последняя из которых совмещена с поверхностью выступа изделия 19 (фиг. 1, 5),- for contact measurements - the back and front surfaces of the
- для бесконтактных измерений - тыльная и лицевая поверхности наконечника 5, а также поверхность выступов изделия 19 (фиг. 2, 4, 6).- for non-contact measurements - the back and front surfaces of the
При контактных измерениях лицевая поверхности наконечника 5 совмещена с поверхностью выступа изделия 19 (фиг. 1, 5) и сходящийся первый входной оптический поток 36 освещает шероховатую поверхность выступа и, отразившись, следует обратно отраженным оптическим потоком с определенной индикатрисой отражения. Она имеет пространственное распределение интенсивности в пределах телесного угла, которое зависит, в первую очередь, от шероховатости Ra и угла наклона а поверхности этого выступа.In contact measurements, the front surface of the
Первая, вторая и третья части этого отраженного оптического потока выделяются первым 30, вторым 31 и третьим 32 оптическими элементами (фиг. 6) и формируют соответственно первый 37, второй 38 и третий 39 отраженные оптические потоки, направляемые на зеркало 17. При этом в первый отраженный оптический поток 37 после прохождения наконечника 5 добавляется часть первого входного оптического потока 36, отраженная от его тыльной поверхности.The first, second and third parts of this reflected optical stream are distinguished by the first 30, second 31 and third 32 optical elements (Fig. 6) and form respectively the first 37, second 38 and third 39 reflected optical streams directed to the
При бесконтактных измерениях, когда между лицевой поверхностью наконечника 5 и поверхностью выступа изделия 19 имеется зазор lз, то первый отраженный оптический поток 37 после наконечника 5 будет состоять из трех частей, отраженных от тыльной и лицевой поверхностей наконечника 5 и поверхности выступа изделия 19 (фиг. 2, 4, 6).When contactless measurement when between the front surface of the
Итак, первый отраженный оптический поток 37 следует обратно и последовательно проходит в обратном порядке вышеуказанные оптические элементы: оптический элемент 30 → зеркало 17 → шестой светоделитель 26 → оптический фильтр 28. В итоге, освещая пятый светоделитель 26 и пространственно совмещаясь вместе с частью оптического потока, отраженного от зеркала 27 попадает на вход низкогерентного измерителя 23. В итоге в измерительном интерферометре формируется разность хода между опорным и измерительным плечами - Δlии.So, the first reflected
Второй 38 и третий 39 отраженные оптические потоки применяются для измерения шероховатости Ra и угла наклона α поверхностей выступов и их участие в процессе измерений описано далее в соответствующих разделах.The second 38 and third 39 reflected optical fluxes are used to measure the roughness R a and the angle of inclination α of the surfaces of the protrusions and their participation in the measurement process is described further in the corresponding sections.
Алгоритм работы низкогерентного измерителя 23 основан на сканирующих модуляциях длины хода опорного интерферометра Δlои модулятором разности хода 22 за счет модуляции сигнала Uои и фиксации его значения соответствующих разным частям первого отраженного оптического потока 37 по максимумам интенсивности (контраста), формируемых интерференционных сигналов для нулевой разности хода Δlои-Δlии≈0 и интерференционным измерениям по фазовому сдвигу в небольшом диапазоне вблизи этого условия. Таким образом, на примере бесконтактных измерений в пределах цикла модуляции Uои может быть определено положение нескольких поверхностей, формирующих части первого отраженного оптического потока 37: координаты выступа Lв (с определением размера изделия Lизд), лицевой Lнл и тыльной Lнт поверхностей наконечника 5 (фиг. 2). Можно также определить зазор lз между наконечником 5 и выступом изделия (при бесконтактных измерениях), значение отрыва наконечника 5 от выступа изделия (при контактных измерениях), толщину и износ наконечника 5. При этом на третьем входе оптического измерителя 16 формируется цифровой сигнал Nни, являющийся первым выходным электрическим сигналом, содержащим информацию об измеренных параметрах, поступающий на третий вход системы управления 2.The operation algorithm of the low-coded
Подобные схемные решения уже апробированы для работы в т.ч. с диффузно отражающими поверхностями (АС СССР 1758421, МПК G01B 11/24, 30.08.1992), а также в волоконно-оптическом исполнении (Галкин С.Л., Игнатьев А.В., Бабаджан А.И. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений. Приборы и системы управления. 1992, №2, с. 24, R. Claus White-light scanning fiber Michelson interferometer for absolute position-distance measurement. Optics Letters, 1995, v. 20, №7, pp. 785-787, патент RU 2147728, МПК G01B 11/06, G01B 9/02, 20.04.2000, Иванов B.B. Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н.: Спец. 01.04.01 Институте физики микроструктур РАН, Нижний Новгород - 2005.) и позволяют достичь точности измерений на уровне, как минимум, ≈λo/4-λo/2, что для λo≈1,5 мкм составить ≈0,4-0,8 мкм.Similar circuit solutions have already been tested for work, including with diffusely reflecting surfaces (AS USSR 1758421,
Конструкция низкогерентного интерферометра может быть незначительно изменена для улучшения режима работы и получаемых характеристик. Так, для повышения доли света, отраженного от тыльной поверхности наконечника 5, на нее может быть нанесено отражающее покрытие или подобрано сочетание оптических параметров: материал наконечника 5 с нужными прозрачностью, коэффициентом преломления для используемой длины волны лазера λo Также в одно из плеч измерительного интерферометра, например, между пятым светоделителем 26 и зеркалом 27 может быть введен световод, уменьшающий длину когерентности оптических потоков и увеличивающий длину этого плеча.The design of the low-coherent interferometer can be slightly modified to improve the operating mode and the obtained characteristics. So, to increase the fraction of light reflected from the back surface of
Измерения шероховатости поверхностей Ra выступов изделия 19 является дополнительной функциональной возможностью данного способа. Так, например, шероховатость Ra для передних и задних поверхностей главных режущих кромок и фасок фрез может находиться в диапазоне 0,3-3 мкм. Для сверл и зенкеров параметр Ra шероховатости поверхности может быть не выше, чем 5-10 мкм, а для различных конструкций разверток 0,1-5 мкм (Справочник технолога-машиностроителя. Под ред. Дальского A.M., Суслова А.Г., Косиловой А.Г., Мещерякова Р.К. В 2-х томах. 5-е издание, Машиностроение, 2001).Measurement of the surface roughness R a of the protrusions of the
Как и описано выше, второй 31 и третий 32 оптические элементы, расположенные на разных расстояниях R1 и R2 от центра оптической системы 18 (фиг. 1, 3, 6), выделяют два разных локальных угловых сектора отраженного оптического потока, следующего от поверхности выступа изделия 19. Далее этими оптическими элементами осуществляется угловое отклонение и фокусирование двух выделенных секторов света с формированием двух коллимированных (или близких к ним) второго 38 и третьего 39 отраженных оптических потоков следующих, преимущественно, в плоскости XOY, через сквозное отверстие измерительного стержня 7 к зеркалу 17 и далее на вход оптического измерителя 16. Далее направляясь его оптическими деталями (на фиг. 2 не показаны) эти два отраженных оптических потока поступают на вход измерителя параметров поверхности 20, в котором осуществляется измерение шероховатости Ra.As described above, the second 31 and third 32 optical elements located at different distances R 1 and R 2 from the center of the optical system 18 (Figs. 1, 3, 6) distinguish two different local angular sectors of the reflected optical flux following from the surface the protrusion of the
К настоящему времени известно много технических решений для измерения шероховатости поверхности Ra на основе измерения параметров индикатрисы отражения, в т.ч. в выделенных из отраженного оптического потока разных частей в пределах выделенных локальных угловых секторах. В подобных измерениях могут регистрироваться такие параметры, как распределение интенсивности оптического потока по пространственным частотам (в диапазоне определенных углов отклонения и соответственно по сечению каждого из потоков), соотношения по кратным пространственным частотам и другие параметры. Некоторые технические решения основаны на использовании:To date, there are many technical solutions for measuring the surface roughness R a based on measuring the parameters of the reflection indicatrix, including in different parts extracted from the reflected optical flux within the selected local angular sectors. Such measurements can record parameters such as the distribution of the optical flux intensity over spatial frequencies (in the range of certain deviation angles and, accordingly, over the cross section of each of the fluxes), relationships over multiple spatial frequencies, and other parameters. Some technical solutions are based on the use of:
- пространственно-временной развертки (Загребельный В.Е. Построение лазерных систем для контроля шероховатости поверхности на основе импульсной акустооптической пространственно-временной развертки: Автореферат дис. к.т.н. 05.11.16, МГТУ «СТАНКИН», Москва, 1993, патент RU 2217696, МПК G01B 11/30, 27.11.2003);- spatio-temporal sweep (Zagrebelny V.E. Construction of laser systems for controlling surface roughness based on pulsed acousto-optic spatio-temporal sweep: Abstract of dissertation, candidate of technical sciences 05.11.16, MSTU "STANKIN", Moscow, 1993, patent RU 2217696,
- координатно-измерительных фотоприемников на основе ПЗС-матриц (патент RU 2424492, МПК G01B 11/30, 20.07.2011).- coordinate measuring photodetectors based on CCD arrays (patent RU 2424492,
Ввиду циклических перемещений изделия 19 измерение шероховатости Ra проводится по синхронизирующему сигналу Uои при прохождению выступов мимо наконечника 5. В результате измерения параметров пространственной структуры второго 38 и третьего 39 отраженных оптических потоков измеряется шероховатость Ra поверхности выступа и измеренное значение цифровым кодом NRa, являющийся третьим выходным электрическим сигналом, который передается с первого выхода оптического измерителя 16 на первый вход системы управления 2.Due to the cyclic movements of the
Оценим быстродействие двух этих двух вариантов измерения шероховатости поверхности Ra выступов.Let us evaluate the performance of these two two options for measuring the surface roughness R a of the protrusions.
При одновременной пространственно-временной развертке с шириной каждого из потоков ≈10 мм длительность цикла измерения с использованием двух твердотельных акустооптических ячеек со светозвукопроводом из стекла со скоростью звука ≈3000 м/с займет не более 3,3 мкс (Балакший В.И, Парыгин В.Н, Чирков Л.И Физические основы акустооптики. - Радио и связь Москва, 1985. - С. 280.).At the same time-space scan with a width of each of the streams ≈10 mm, the duration of the measurement cycle using two solid-state acousto-optical cells with a light and sound pipe made of glass with a sound speed of ≈3000 m / s will take no more than 3.3 μs (Balakshiy V.I., Parygin V .N, Chirkov L.I. Physical basis of acoustooptics. - Radio and communications Moscow, 1985. - P. 280.).
Для изделия 19 диаметром ∅=10 мм с частотой вращения n=600 об/мин это время будет эквивалентно смещению его поверхности на ≈1 мкм.For
Быстродействие второй группы способов на основе ПЗС-матриц существенно выше, т.к. время экспозиции для современных высокоскоростных видеокамер например, таких серий как Optronis CamRecord (Германия, https://www.cameraiq.ru/catalog/series/358-CamRecord-skorostnaia-videokamera) и NAC Memrecam GX (Япония, https://www.cameraiq.ru/catalog/group/1?ref44=1) может быть ≤0,5-1 мкс, что эквивалентно смещению поверхности изделия ≈0,16-0,3 мкм.The speed of the second group of methods based on CCD matrices is significantly higher, because exposure time for modern high-speed video cameras, for example, such series as Optronis CamRecord (Germany, https://www.cameraiq.ru/catalog/series/358-CamRecord-skorostnaia-videokamera) and NAC Memrecam GX (Japan, https: // www .cameraiq.ru / catalog / group / 1? ref44 = 1) can be ≤0.5-1 μs, which is equivalent to a displacement of the product surface ≈0.16-0.3 μm.
Как видно, значение динамической погрешности, возникающей от смещения поверхности изделия за время измерения обоих вариантов достаточно мало и им можно пренебречь. И эти оценки показывают применимость подобных методов для измерение шероховатости Ra.As you can see, the value of the dynamic error arising from the displacement of the product surface during the measurement of both options is quite small and can be neglected. And these estimates show the applicability of similar methods for measuring the roughness R a .
Для измерения угла наклона α поверхностей выступов изделия 19 используется то, что, как правило, индикатриса отражения является симметричной (Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. - Л.: Машиностроение, 1988. - 191 с.) и изменение угла наклона отражающей поверхности для двух и более каналов измерения, расположенных в плоскости поворота, меняет соотношение интенсивностей между ними.To measure the angle of inclination α of the surfaces of the protrusions of the
В данном случае так определение соотношения интенсивностей для второго 38 и третьего 39 отраженных потоков позволяет, например, на основе уже имеющихся калиброванных заранее зависимостей для каждого значения шероховатости Ra найти текущее значение угла наклона вокруг оси OZ освещаемого участка поверхности выступа изделия 19. Использование подобного подхода для четного числа каналов было ранее подтверждено (патент RU 2223462, МПК G01B 11/02, G01B 11/30, 10.02.2004).In this case, the determination of the intensity ratio for the second 38 and third 39 reflected flows makes it possible, for example, based on the calibrated dependencies already available for each roughness value R a, to find the current value of the angle of inclination around the axis OZ of the illuminated portion of the protrusion surface of the
В результате измерений угла наклона α на втором выходе оптического измерителя 16 формируется выходной сигнал Nα, являющийся четвертым выходным электрическим сигналом, поступающим на второй вход системы управления 2. Такое измерение может быть проведено по синхронизирующему сигналу Uои с первого выхода системы управления 2, в т.ч. с реализацией стробоскопического режима измерений.As a result of measuring the angle of inclination α at the second output of the
Несмотря на индивидуальный микрорельеф и топографию поверхностей выступов после каждого такта обработки шлифовальным кругом, изменениями значений их шероховатости Ra и угла наклона α за несколько циклов перемещения изделия можно пренебречь, что позволяет применить стробоскопический режим измерения этих параметров.Despite the individual microrelief and topography of the surfaces of the protrusions after each grinding cycle, changes in their roughness values R a and the angle of inclination α for several cycles of product movement can be neglected, which allows the use of a stroboscopic measurement mode for these parameters.
Перемещения наконечника 5 измеряют следующим образом.The movement of the
Ранее уже было описано лазер 21 излучает когерентный оптический поток длиной волны λo (фиг. 2), который делится первым светоделителем 26 на две части. Первая из них, не меняя направления и последовательно проходя через второй и седьмой светоделители 26, поступает на вход высококогерентного измерителя 24 и становится опорным оптическим потоком. Вторая часть потока, отклонившаяся первым светоделителем 26, далее, не меняя направления, проходит через четвертый светоделитель 26, выходя через окно оптического измерителя 16, становится вторым входным оптическим потоком 42 (выделен пунктиром) и следует к зеркалу 17. Далее он проходит радиально смещенным через сквозное отверстие измерительного стержня 7 по маршруту: четвертый оптический элемент 33 → наконечник 5, после отражения от которого становится четвертым отраженным оптическим потоком 43 (выделен пунктиром) и далее следует по пути: пятый оптический элемент 34 → зеркало 17 → окно оптического измерителя 16 → седьмой светоделитель 26 → вход высококогерентного измерителя 24. На входе последнего четвертый отраженный 43 и опорный оптические потоки пространственно совмещаются и интерферируют друг с другом.As previously described, the
Для второго входного 42 и четвертого отраженного 43 оптических потоков наконечник 5 является отражателем, а угол падения на внутренние грани его лицевой и боковой поверхностей подобран из условия полного внутреннего отражения для всех возможных внешних сред, среди которых могут быть металлическое изделие (n≈1,5 для железа), воздух (n≈1) и СОЖ (n≈1,56). Зоны на его внутренней стороне лицевой или боковой поверхностей, освещаемые светом и его отражающие будут называться зонами отражения, а одна из них, соответствующая области внешнего механического контакта с изделием 19 - рабочей зоной.For the
Второй входной 42 и четвертый отраженный 43 оптические потоки внутри наконечника 5 могут следовать так:The
1) с освещением рабочей зоны, например, следующими маршрутами1) with illumination of the working area, for example, the following routes
- четвертый оптический элемент 33 → рабочая зона → пятый оптический элемент 34 (фиг. 2),- the fourth
- четвертый оптический элемент 33 → первая зона отражения → рабочая зона → вторая зона отражения → пятый оптический элемент 34 (фиг. 4);- the fourth
2) без освещения рабочей зоны, например, следующими маршрутами2) without lighting the working area, for example, the following routes
- четвертый оптический элемент 33 → первая зона отражения → вторая зона отражения → пятый оптический элемент 34 (фиг. 5).- the fourth
В соответствии с расположением четвертого 33 и пятого 34 оптических элементов второй входной 42 и четвертый отраженный 43 оптические потоки следуют в плоскости XOZ и образуют измерительный канал интерферометра перемещений Майкельсона. Измерения набега фаз Δϕ между ними от перемещений ΔL наконечника 5 с последующим фотоэлектрическим и фазоцифровым преобразованием позволит с учетом двойного хода потоков сформировать на выходе высококогерентного измерителя 24 выходной код Nви, определяемый по формуле Nви=2k⋅ΔL/λo, где k - коэффициент пропорциональности. Код Nви, являющийся пятым выходным электрическим сигналом подается с четвертого выхода оптического измерителя 16 на третий вход системы управления 2, и позволяет рассчитать также скорость vн=ΔL/Δt=NLн⋅λo/2k⋅Δt и ускорение aн=ΔL/Δt2=NLн⋅λo/2k⋅Δt2 наконечника 5.In accordance with the arrangement of the fourth 33 and fifth 34 optical elements, the
Измерения скорости vн и ускорений ан наконечника 5 позволяет отслеживать динамику его движений в процессе контактных измерений. Это особенно важно в моменты его резких возвратных движений при выходе с впадины на выступ и позволит определить динамические усилия при известных массах наконечника 5 и измерительного стержня 7 и сопротивлении, создаваемым в фрикционно-винтовом механизме. Полученные данные используются для подбора оптимального сочетания режимов работы устройства в динамике с максимальной точностью измерений, с исключением отрыва наконечника 5 при выходе с впадины на выступ и других целей.Measurement of the speed v n and accelerations a n of the
Измерения температуры основаны на том, что оптически прозрачный наконечник 5 сам является источником теплового потока 40 и пропускает через себя внешний второй тепловой поток 41 от изделия 19. Интенсивности тепловых потоков 40 и 41 связаны с температурами наконечника 5 и обрабатываемых выступов изделия 19. При этом первая является инерционной, медленно меняющейся, а вторая - переменной, с максимумом сигнала на выступе и минимумом на впадине и модулирована частотой вращения выступов изделия 19, их прохождением мимо наконечника 5.Temperature measurements are based on the fact that the optically
Эти два разночастотных потока, пространственно совместившись, фокусируясь и направляясь первым оптическим элементом 30 проходят последовательно через сквозное отверстие в измерительном стержне 7 и, отражаясь зеркалом 17 в окно оптического измерителя 16, направляются шестым светоделителем 26 через оптический фильтр 29 на оптический вход пирометра 25. Посредством фотоэлектрического преобразования эти разночастотные тепловые потоки 40 и 41 преобразуются в электрические сигналы и далее разделяются друг от друга фильтрацией и измеряются отдельно. В результате измерений на выходах пирометра 25 и соответственно на пятом и шестом выходах оптического измерителя 16 формируются сигналы Nтвс и Nтн, связанные с температурами выступов изделия 19 и наконечника 5, передаваемые на пятый и шестой входы системы управления 2. Для устройства сигнал Nтн является пятым выходным электрическим сигналом.These two different-frequency flows, spatially aligned, focused and guided by the first
В определенных случаях у пирометра 25 может быть создан электрический вход с подачей на него сигнала по шине Uои от системы управления 2, синхронизированного с прохождением выступов изделия 19. Тогда частотное разделение двух разночастотных сигналов может быть произведено за счет синхронного детектирования.In certain cases, the
В динамике предлагаемый способ осуществляют, преимущественно, контактными измерениями на стадиях черного и чистового шлифования и бесконтактными - на стадии выхаживания.In dynamics, the proposed method is carried out mainly by contact measurements at the stages of black and finish grinding and non-contact - at the stage of nursing.
Контактные измерения начинают с регулировок после приближения к изделию 19 наконечника 5 и появления между ними механического контакта с небольшими поступательно-возвратными движениями:Contact measurements begin with adjustments after approaching the
- поступательными из-за управляемых перемещений, западаний во впадину между выступами,- progressive due to controlled movements, sinking into the cavity between the protrusions,
- возвратными из-за обратных выталкивающих движений ударного характера от столкновений с выступами и фрикционным проскальзыванием измерительного стержня 7 в фрикционно-винтовом механизме.- returnable due to reverse push-out movements of a shock nature from collisions with protrusions and frictional slipping of the measuring
Для поступательных движений наконечника 5 на вход редуктора 15 подают сигнал Up, задающее нужное передаточное отношение kp, и сигналом Uэд, поступающим на электродвигатель 13, поворачивают его ротор 14 на угол Δγ, который приводит к повороту на угол Δγ'=Δγ/kp выходного вала редуктора 15, соединенного с винтом 10, который в свою очередь соединяясь с фрикционным элементом 11 передачей типа «винт-гайка» перемещает измерительный стержень 7 и наконечник 5.For translational movements of the
Все перемещения наконечника 5 и положения поверхности выступов изделия 19 регистрируются низкокогерентным 23 и/или высококогерентным 24 измерителями. При этом с помощью первого измеряются также значения отрыва наконечника 5 от поверхности выступа при выходе на него со впадины. Полученные результаты измерений сигналами Nни и Nви передаются на третий и четвертый вход системы управления 2.All movements of the
Реализация контактных измерений предполагает синхронизацию работы привода 9 и оптического измерителя 16 по движению впадин и выступов изделия, например, по синхронизирующему сигналу, связанному с текущим положением детали в процессе ее обработки.The implementation of contact measurements involves synchronizing the operation of the drive 9 and the
Это возможно при наличии предварительной информации об изделии и текущей информации о положении части станка, фиксирующего изделие, шпинделя (для круглошлифовальных станков) с помощью датчика обратной связи (Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков / Бушуев В.В., Молодцов В.В.: Вестник МГТУ Станкин, 2011, №3 - с. 24-26), в качестве которых возможно использование в станках абсолютные угловые фотоэлектрические датчики положения (абсолютные энкодеры) ЛИР-ДА119, ЛИР-ДА219, ЛИР-ДА136, ЛИР-ДА158, ЛИР-ДА190 (http://www.skbis.ru/index.php?p=3&c=5) производства ОАО "СКБ ИС" (Санкт-Петербург) или других производителей.This is possible if there is preliminary information about the product and current information about the position of the part of the machine fixing the product, the spindle (for circular grinding machines) using a feedback sensor (High-speed motor spindles of the drives of the main movement of metal cutting machines / Bushuev V.V., Molodtsov V. V .: Vestnik MGTU Stankin, 2011, No. 3 - pp. 24-26), which can be used in machines absolute angular photoelectric position sensors (absolute encoders) LIR-DA119, LIR-DA219, LIR-DA136, LIR-DA158 , LIR-DA190 (http://www.skbis.ru/inde x.php? p = 3 & c = 5) manufactured by OJSC SKB IS (St. Petersburg) or other manufacturers.
Также могут применяться и другие специальные алгоритмы определения текущего положения изделия в процессе обработки. Одним из вариантов может быть основан на использовании существующих всегда естественных ненулевых отклонений размеров изделия и использовании автокорреляционной функции результатов его измерения. Так за счет начальных измерений происходит измерение профиля изделия 19 по амплитуде и по времени по внешнему контуру «выступ-впадина» подобно ощупыванию, в которых наконечник 5 подобен щупу профилометра, а полученные результаты измерения - профилограмме. Далее определяется длительность цикла перемещения изделия 19, например, за счет определения времени задержки, через которую эти измеренные значения повторяются. Эта процедура основана на наличии предварительной информации обрабатываемого изделия. Подобное определение с помощью автокорреляционной функции может быть осуществлено программно (software) или аппаратно (hardware) подобно использованию уже апробированных устройств (АС СССР 478316 МПК G06F 15/36, 25.07.1975).Other special algorithms for determining the current position of the product during processing can also be applied. One of the options can be based on the use of always existing natural non-zero deviations of the dimensions of the product and the use of the autocorrelation function of the results of its measurement. So, due to the initial measurements, the profile of the
На основе этого появляется возможность определить моменты времени начала и конца выступов, временных интервалов и фаз им соответствующих, позволяя измерить ширину выступов Lвс1, Lвс2…Lвсn и впадин Lвп1, Lвп2…Lвпn (фиг. 1), общую центровку изделия 19 и системой управления 2 на первым выходе формируется сигнал Uои синхронизации измерений.On the basis of this, it becomes possible to determine the time points of the beginning and end of the protrusions, time intervals and phases corresponding to them, making it possible to measure the width of the protrusions L vs1 , L vs2 ... L vsn and troughs L vp1 , L vp2 ... L vpn (Fig. 1), the
Итак, затем осуществляются регулировки устройства. Выбирается фиксированное значение западания наконечника 5 во впадины изделия 19 и посадка винта 10 с измерением низкокогерентным и высококогерентным интерферометрами параметров движения (перемещение ΔL, скорость vн и ускорение ан) определением динамических усилий, фиксацией появления зазора lз между наконечником 5 и поверхностью выступа при выходе со впадины на выступ.So, then the device is adjusted. A fixed value of the penetration of the
Также сигналом Uфв на входе подвижного элемента 12 задается посадка винта 10. Для обеспечения перемещений ΔL наконечника 5 в передаче «винт-гайка» и фрикционного проскальзывания возможны как постоянная посадка с Uфв=const, так и переменная для Uфв=var, с синхронизацией по движению впадин и выступов изделия с двумя возможными состояниями: зазор/натяг, что для винта 10 соответствует зажат/свободен.Also, the signal U fv at the input of the
Подобные регулировки могут быть проделаны в серии циклов вращения изделия 19 с их общей длительностью не более 3-20 с. И по их завершения начинается активный контроль с синхронизацией от движений выступов изделия 19 перемещений наконечника 5. При этом он входит во впадину на определенную глубину к определенному моменту времени перед набегающим выступом, выходя на выступ без отрыва от его поверхности с минимумом динамических усилий.Similar adjustments can be made in a series of cycles of rotation of the
Все перемещения ΔL наконечника 5 измеряются высококогерентным интерферометром в следящем режиме, а по синхронизирующему сигналу Uои проводятся импульсные измерения низкокогерентного интерферометра и измеряются температуры наконечника 5 и выступа, шероховатость его поверхности и угол ее наклона. С пятого выхода системы управления 2 текущее значение размера изделия Lизд и другие параметры выводятся на индикатор 1, а на шестом выходе формируются результаты измерений сигналом Nвых.All
Такие контактные измерения проводятся и на этапе чистового шлифования с переходом к бесконтактным измерениям на этапе выхаживания, на котором по достижении нужного размера изделия обработка и активный контроль заканчиваются.Such contact measurements are also carried out at the stage of fine grinding with the transition to non-contact measurements at the nursing stage, at which, upon reaching the desired product size, processing and active control end.
Оценим дискретность измерений вдоль поверхности изделия 19 ΔLд. Для сверла диаметром 10 мм с длиной окружности Lсв=31,4 мм и частоте вращения n=600 об/мин детали длительность одного оборота составит tоб=100 мс и для цикла измерений длительностью tц=3 мкс, определяемых, в основном, быстродействием модулятора разности хода 22, линейная дискретность измерений ΔLд определится формулой ΔLд=Lсвtц/tоб и для указанных данных будет на уровне 1 мкм.We estimate the discreteness of measurements along the surface of the
Стробоскопический режим измеренийStroboscopic measurement mode
Для уменьшения значения ΔLд, например, при контроле ответственных участков выступов, таких как режущая кромка инструмента, с радиусом закругления ≈2-4 мкм (http://www.stroitelstvo-new.ru/drevesina/zatochka/lezvie.shtml), а также повышения точности измерений за счет многократных измерений с их последующим усреднением предложен стробоскопический режим измерений. Он заключается в измерениях низкокогерентным интерферометром 23, синхронизированных с прохождением выступов движущегося изделия 19 мимо наконечника 5 в каждом цикле движения для серии смежных, соседних циклов.To reduce the ΔL d value, for example, when controlling critical sections of protrusions, such as the cutting edge of a tool, with a radius of ≈2-4 μm (http://www.stroitelstvo-new.ru/drevesina/zatochka/lezvie.shtml), as well as increasing the accuracy of measurements due to multiple measurements with their subsequent averaging, a stroboscopic measurement mode is proposed. It consists in measurements with a
При этом в момент времени, соответствующему контакту наконечника 5 с выступом, определенным заранее или по сигналу датчика положения шпинделя станка, поступающего в систему управления 2 (не показан), на ее первом выходе формируется импульсный сигнал Uои, поступающий на электрический вход модулятора разности хода 22. При появлении изменений этого сигнала на электрическом входе модулятор разности хода 22 циклом изменяет длину хода Δlои сканирующего плеча и соответственно осуществляя изменения разности хода Δlои между двумя частями оптического потока 35 и соответственно первого входного оптического потока 36 на выходе низкокогерентного интерферометра. В процессе этого длина плечей опорного и измерительного интерферометров становится равной Δlои≈Δlии, что, в итоге, фиксируется низкогерентным измерителем 23 с определением положения при измерении сигнала Uои.At the same time, at the moment of time corresponding to the contact of the
Число измерений для стробоскопического режима измерений можно оценить так. При погрешности измерений 1 мкм, скорости съема металла для этапа выхаживания 0,5 мкм/с при частоте вращения n=600 об/мин общее число оборотов и соответственно число стробоскопических измерений в серии будет не более 20.The number of measurements for the stroboscopic measurement mode can be estimated as follows. If the measurement error is 1 μm, the metal removal rate for the nursing stage is 0.5 μm / s at a rotation speed of n = 600 rpm, the total number of revolutions and, accordingly, the number of stroboscopic measurements in the series will be no more than 20.
Формированием серии сигналов Uои периодом tц равным периоду tоб вращения изделия 19: tц=tоб осуществляет серию измерений положения поверхности выступа на локальном освещаемом участке его поверхности.The formation of a series of signals U о with a period t c equal to the period t about the rotation of the product 19: t c = t about carries out a series of measurements of the position of the surface of the protrusion on the local illuminated area of its surface.
Проведение серии измерений в интервале, когда изменения размера изделия 19 от обработки меньше погрешности позволяет усреднить результаты измерений, уменьшить случайную составляющую и повысить точность измерений.Carrying out a series of measurements in the interval when the change in the size of the
При увеличении периода tц на малую долю Δt от цикла к циклу tц=tоб+Δt положение этого локального освещаемого участка тоже будет смещаться, тем самым, осуществляя сканирование поверхности выступа за определенное время. При условии tоб>>Δt подобные измерения повышают дискретность измерений вдоль поверхности изделия 19 ΔLд без повышения частоты модуляции модулятора разности хода 22. Например, для прежних данных с tоб=100 мс и tц=3 мкс формирование сигнала Uои в режиме стробоскопических измерений с Δt=1 мкс в следующей временной последовательности: 0, 100,001 мс, 200,002 мс, 300,003 мс позволит уменьшить для серии измерений ΔLд в 3 раза, т.е. 0,33 мкм.When the period t c is increased by a small fraction of Δt from cycle to cycle t c = t r + Δt, the position of this local illuminated area will also shift, thereby scanning the surface of the protrusion for a certain time. Provided on the t >> Δt measurements similar increase the measurement resolution along the surface of the
Как видно, изменением времени формирования (фазы) синхросигнала Uои, управляющего работой модулятора разности хода 22, от цикла к циклу (оборота к обороту) можно управлять параметрами перемещений области контроля на поверхности выступа: значением шага (дискреты), а также направлением и скоростью перемещения.As can be seen, by changing the formation time (phase) of the clock signal U о , which controls the operation of the
Бесконтактные измерения, как указано выше, могут осуществляться преимущественно на заключительной стадии обработки, выхаживании с приближением наконечника 5 к вращающемуся изделию 19 до возникновения между ними зазора lз в диапазоне 0,5-1,5 мм (фиг. 2). Он определяется разностью положения выступов Lв и лицевой поверхности наконечника 5, измеренными, соответственно, низкокогерентным и высококогерентным интерферометрами. Постоянство его значения в указанном диапазоне поддерживается, формируемым на четвертом выходе системы управления 2, компенсирующим сигналом управления Uэд, подаваемым на электродвигатель 13.Contactless measurement as described above can advantageously be carried out in the final treatment stage, nursing approaching the
Как и при контактных измерениях, описанных выше, по сигналу синхронизации измерений Uои с первого выхода системы управления 2 при прохождении выступа мимо наконечника 5 измеряются положения Lв его поверхности, шероховатости Ra, и угла наклона α, температуры выступов и наконечника 5. Все измеренные данные передаются с выходов оптического измерителя 16 на соответствующие входы системы управления 2.As with the contact measurements described above, according to the measurement synchronization signal U о from the first output of the
При бесконтактных измерениях также может быть реализован стробоскопический режим измерения, описанный ранее.With non-contact measurements, the stroboscopic measurement mode described previously can also be implemented.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.
1. Для повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей за счет использования прочного оптически прозрачного наконечника для активного контроля предлагается реализовать бесконтактные измерения положения поверхности выступов, ее угла наклона, шероховатости и температуры.1. To improve the accuracy of measurements and expand the functionality through the use of a durable optically transparent tip for active control, it is proposed to implement non-contact measurements of the position of the surface of the protrusions, its angle of inclination, roughness and temperature.
При контактных измерениях появляется возможность зафиксировать и измерить значения отрыва наконечника 5 от выступа в процессе выхода со впадины изделия с целью его последующего исключения.With contact measurements, it becomes possible to fix and measure the values of the
Повышение точности контактных измерений и обеспечение равных динамических нагрузок для изделий с нерегулярной прерывистой поверхностью обеспечивается за счет формирования фиксированного значение западания наконечника 5 во впадину между выступами, например, не более 5-50 мкм, в зависимости в т.ч. от особенностей изделия, этапа обработки и других параметров.Improving the accuracy of contact measurements and ensuring equal dynamic loads for products with an irregular discontinuous surface is ensured by the formation of a fixed value of the
2. Также предлагается синхронизировать измерения в т.ч. с реализацией стробоскопического режима измерений. В его основе лежит синхронизация для серии циклов перемещений изделия серии импульсных измерений параметров вдоль поверхности изделия: положения поверхности выступа, ее шероховатости и угла наклона. Так можно перейти к режиму измерения от цикла к циклу любого локального участка каждого выступа с управлением значения шага, направлением и скорости его перемещения. Это позволит измерять параметры выступов с очень малым шагом, повышая разрешающую способность ΔLд дискретность измерений вдоль поверхности изделия и снижая требования по быстродействию элементов устройства.2. It is also proposed to synchronize measurements, including with the implementation of the stroboscopic measurement mode. It is based on synchronization for a series of product movement cycles of a series of pulse measurements of parameters along the product surface: the position of the protrusion surface, its roughness and the angle of inclination. So you can go to the measurement mode from cycle to cycle of any local section of each protrusion with control of the step value, direction and speed of its movement. This will allow you to measure the parameters of the protrusions with a very small step, increasing the resolution ΔL d measurement discreteness along the surface of the product and reducing the speed requirements of the elements of the device.
При нулевом подобном шаге возможно проведение серии измерений для нескольких циклов выбранного участка на выступе с последующим усреднением их результатов.With such a zero step, it is possible to carry out a series of measurements for several cycles of the selected area on the ledge, followed by averaging of their results.
3. Для расширения функциональных возможностей привода 9 предлагается использовать в нем электрически управляемые:3. To expand the functionality of the drive 9, it is proposed to use electrically controlled in it:
- редуктор 15 с возможностью изменения по сигналу Up передаточного отношения kp вращений ротора 14 электродвигателя 13 к винту 10,-
- фрикционно-винтовой механизм с винтовой передачей типа «винт-гайка» с преобразованием в перемещения ΔL фрикционного элемента 11, прикрепленного к измерительному стержню 7, от угловых поворотов Δγ винта 10 с возможностью изменения посадки последнего. Эти изменения посадки винта 10 в фрикционном элементе 11 осуществляются изменениями обжатия первого по сигналу Uфв за счет управления изменениями толщины и/или формы подвижного элемента 12, встроенного во второй, с возможностью создания постоянного значения или с переменного, синхронизированного по движениям выступов и впадин изделия 19.- friction-screw mechanism with screw transmission of the screw-nut type with conversion into displacements ΔL of the
Оценка реализуемости и достигнутого технического уровня.Assessment of feasibility and achieved technical level.
Реализуемость механической части устройства, включающей наконечник, закрепленный на измерительном стержне 7, ограниченный в угловых поворотах, линейные перемещения ΔL которого осуществляются с помощью направляющей и соединенного с редуктором 15 и электродвигателем 13 с ротором была подтверждена ранее макетным исполнении (патент RU 2447984, МПК В24В 49/00, G01B 7/12, 20.04.2007). Проверка работоспособности проводилась на круглошлифовальном станке мод. ЗА110 со скоростью вращения изделия 150-600 об/мин, диапазон перемещения измерительного стержня 7 был ≈100 мм, а изделием служил зенкер двухперый с твердосплавными режущими зубьями с шириной выступа 0,05 мм. Общая масса измерительного стержня 7 с другими элементами была в пределах 30-35 грамм.The feasibility of the mechanical part of the device, including the tip mounted on the measuring
В качестве подвижного элемента 12 может использоваться пьезоэлемент двухслойный, биморфный, изгибного типа производства ф. ОАО «НИИ «Элпа» (Россия, http://www.elpapiezo.ru/index.shtml), с частотой работы не менее 5-7 кГц, достаточной для описанных выше режимов работы.As the
В настоящее время технологии создания регулярного микрорельефа на поверхностях изделий уже достаточно развиты и их можно использовать для создания винта 10 (Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом.- 2-3 изд. Перераб. и доп. - Л., Машиностроение, Ленигр. отд-ние, 1982. - 248 с., ил.).Currently, the technology for creating a regular microrelief on the surfaces of products is already quite developed and can be used to create a screw 10 (Schneider Yu.G. Operational properties of parts with a regular microrelief. - 2-3 ed. Rev. and additional - L., Mechanical Engineering , Leningrad Departure, 1982.- 248 p., Ill.).
В связи с вышеизложенным, практическая реализуемость предлагаемого изобретения не должна вызывать сомнений.In connection with the foregoing, the feasibility of the invention should not be in doubt.
Данное изобретение может быть практически реализовано несколько по-другому, чем конкретно описано, без отступления от сущности изобретения и в объеме заявленной формулы.This invention can be practically implemented in a slightly different way than specifically described, without departing from the essence of the invention and in the scope of the claimed formula.
Как видно из всего описания предложенное изобретение повышает точность измерений и расширяет функциональных возможностей и соответственно успешно решает поставленные технические задачи.As can be seen from the entire description, the proposed invention improves the accuracy of measurements and expands the functionality and, accordingly, successfully solves the technical problems.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016103693A RU2648901C2 (en) | 2016-02-04 | 2016-02-04 | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016103693A RU2648901C2 (en) | 2016-02-04 | 2016-02-04 | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016103693A RU2016103693A (en) | 2017-08-10 |
RU2648901C2 true RU2648901C2 (en) | 2018-03-28 |
Family
ID=59631904
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016103693A RU2648901C2 (en) | 2016-02-04 | 2016-02-04 | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2648901C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3793775A (en) * | 1970-12-03 | 1974-02-26 | Toyoda Machine Works Ltd | Sizing device |
US4473951A (en) * | 1983-03-09 | 1984-10-02 | Finike Italiana Marposs S.P.A. | Gauging head for checking dimensions of workpieces |
SU1328157A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-07 | Омский политехнический институт | Device for linear measurements |
RU2316420C2 (en) * | 2006-03-07 | 2008-02-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Arrangement for active control of linear sizes of articles |
RU2557381C2 (en) * | 2013-11-28 | 2015-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Измираль" | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation |
-
2016
- 2016-02-04 RU RU2016103693A patent/RU2648901C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3793775A (en) * | 1970-12-03 | 1974-02-26 | Toyoda Machine Works Ltd | Sizing device |
US4473951A (en) * | 1983-03-09 | 1984-10-02 | Finike Italiana Marposs S.P.A. | Gauging head for checking dimensions of workpieces |
SU1328157A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-07 | Омский политехнический институт | Device for linear measurements |
RU2316420C2 (en) * | 2006-03-07 | 2008-02-10 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Arrangement for active control of linear sizes of articles |
RU2557381C2 (en) * | 2013-11-28 | 2015-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Измираль" | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016103693A (en) | 2017-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9217859B2 (en) | Apparatus and method for high-speed phase shifting for interferometric measurement systems | |
EP0226658B1 (en) | Method and arrangement for optically determining surface profiles | |
CN101403608B (en) | Precise measuring device and measuring method for workpiece surface topography | |
CN102494615A (en) | Step distance measuring device based on femtosecond optical-frequency comb and measuring method thereof | |
EP2211696A1 (en) | Intra-oral three-dimensional imaging system | |
US5995224A (en) | Full-field geometrically-desensitized interferometer employing diffractive and conventional optics | |
JP2012083274A (en) | Vibration measuring device and vibration measuring method according to white light interferometry | |
CN110823123B (en) | Optical system, coordinate measuring machine, method and device for determining transverse position or angular deflection value | |
US20150077759A1 (en) | Compact, Slope Sensitive Optical Probe | |
RU2648901C2 (en) | Method of active control of product dimensions in the process of its grinding | |
CN103697832A (en) | Method of vertical white light scanning interference open-loop control | |
CN105783771A (en) | Method through white-light interference vertical scanning method nonlinear open-loop scanning | |
US4222669A (en) | Interferometer for determining the shape of an object | |
RU2442967C1 (en) | Method for determination of temperature fields in the cutting part of the instrument in process of cutting | |
JP3564569B2 (en) | Real-time surface shape measurement method and device | |
CN100480621C (en) | Three-dimensional on-line measuring method and system using synthesis wave to interfere whole-field nano surface | |
RU2603516C1 (en) | Method of article made with surface recesses and ledges linear sizes measuring | |
RU2557381C2 (en) | Method for active control of linear dimensions during processing of product, and device for its implementation | |
CN107560555A (en) | Laser interference slide measure | |
Günther et al. | Displacement, distance, and shape measurements of fast-rotating rough objects by two mutually tilted interference fringe systems | |
JP2019086297A (en) | Measurement device and drive device | |
WO2017060803A1 (en) | Device for the linear nanometer-precision displacement of an object within a large range of possible displacements | |
Wang et al. | Application of an optical interferometer for measuring the surface contour of micro-components | |
EP0480028A1 (en) | Method and device for determining surface profile of diffusion-reflecting objects | |
RU2612349C1 (en) | Blasting control method of linear product dimensions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20171128 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20171220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190205 |