CC BY
13Оптическая система теневого датчика
для контроля геометрических параметров изделий
о ы
а
а
«
а б
Черепанов Александр Николаевич,
к.ф.-м.н., доцент УрФУ, зам. директора Центра по работе с предприятиями Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, tchustu@mail.ru
Бочкарев Юрий Владимирович,
инженер, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, bocha@d-test.ru
Пестерев Сергей Николаевич,
директор ООО «Оптические измерительные системы», pesterev@d-test.ru
Попова Мария Александровна,
лаборант, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, mari.mashapopova@mail.ru
Тыщенко Игорь Сергеевич,
Университет Мельбурн, tis-public@yandex.ru
В данной статье приводится обзор разработки и конструирования теневого датчика для контроля геометрических параметров изделий, в особенности фотодетекторной и электронной части устройства. Разрабатываемый датчик предназначен для бесконтактных теневых измерений и контроля диаметров, зазоров и положений технологических объектов. С использованием датчиков данного типа можно обеспечить контроль геометрии сечения измеряемой детали с необходимой точностью и частотой. Упоминается два типа возможных композиций. Более того, предложен способ фокусировки лазерного излучения в детекторной части таких устройств, также описана оптическая система. Вся расчетная часть моделирования выполнена в программном пакете Zemax. В настоящее время данный датчик находится в стадии пуско-наладки и финального тестирования. Работа выполнена на базе ООО «Оптические измерительные системы» совместно с Уральским Федеральным Университетом. Ключевые слова: теневой датчик, оптические системы, zemax, контроль поверхности, обнаружение деффектов, лазер
Введение
В данной работе разрабатывается теневой двумерный оптоэлектронный датчик, который будет служить первичным сенсором для различных измерительных устройств и систем. Также такой датчик может выполнять роль самостоятельного измерительного устройства.
На сегодняшний день определение геометрических размеров объектов является сложной и востребованной физической задачей.
Разрабатываемый в рамках данной статьи датчик предназначен для бесконтактных теневых измерений и контроля диаметров, зазоров и положений технологических объектов. С использованием датчиков данного типа можно обеспечить контроль геометрии сечения измеряемой детали с необходимой точностью и частотой.
Результатом измерений проектируемого прибора будет служить облако точек измеряемой поверхности и рассчитанные геометрические размеры с требуемыми метрологическими характеристиками.
На данный момент в России не создается оптических средств измерений. Эта практика давно утеряна, в то время как зарубежные приборы отличаются своей высокой стоимостью или недостаточной точностью для выполнения необходимых задач. В 2017 году УрФУ и ООО «Оптические измерительные системы» начали выпускать датчики данного типа, чтобы решить данную проблему. В статье приводится описание технической реализации и конструктивного решения данного типа приборов.
Техническая реализация
Теневые датчики или оптические микрометры разрабатываются в основном на основе одного из двух принципов сканирования объектов:
- сканирование с использованием вращающегося оптического элемента (зеркала/призмы);
- сканирование путем формирования широкодиапазонного линейного света [ж].
Теневые датчики, сделанные с использованием первого принципа, включают в себя опти-
ческии элемент, который отражает и преломляет лазерное излучение для его проецирования по всей зоне измерений [х]. Измеряется время перекрытия светового пучка при относительном перемещении контролируемого изделия и данного пучка. Схема такого устройства представлена на рисунке 1.
- 1
Рисунок 1 - Схема теневого датчика с вращающимся зеркалом.
Световой пучок от источника излучения (лазера) 1 формируется оптической системой 2 и поступает на вход сканирующего устройства 3. На выходе устройства 3 пучок перемещается по измерительному пространству, в котором находится контролируемое изделие 4. На выходе фотоприемного устройства 5 образуется информационный сигнал, поступающий затем на вход устройства вторичной обработки информации 6, включающего ЭВМ. Здесь производится измерение длительности сигнала, которая известным функциональным образом (например, линейно) связана с контролируемым геометрическим параметром (размером) изделия 4. Важным нормировочным компонентом, участвующим в процессе измерения, является калибровочная рамка 7 [х].
В нашей статье в основном рассматривается второй метод построения оптического микрометра. Он и будет использован в проектируемом теневом датчике. Способ основан на создании опорного лазерного излучателя линейного света Данный излучатель не использует вращающиеся призмы или зеркала, так как там используется полупроводниковый лазер или мощный све-тодиод совместно со специальной оптической системой для развертки луча и высокоскоростная CCD матрица. В этом решении значительно увеличена скорость и точность измерений по сравнению с первым вариантом конструкции.
Одной из главных причин выбора в рамках данного проекта датчиков, основанных на втором способе построения, является устранение погрешности непостоянства и нелинейности скорости перемещения лазерного пучка, обусловленного влиянием сферической аберрации объектива сканирующей системы датчиков, реализованных на основе первого метода. Дан-
ная погрешность является основной в таком типе датчиков и не может быть скомпенсирована программным обеспечением.
Конструктивное решение
Основой конструкции датчика являются две части - излучатель, с помощью которого коли-мированный лазерный пучок света проецируется на измеряемый объект и приемника с телецентрическим объективом и ПЗС-фотоприемником [х].
Основной принцип оптического микрометра -проецирование тени измеряемого объекта на ОМОБ-матрицу через оптическую систему [х].
Структурное построение датчика, разрабатываемого в рамках данной статьи представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурная схема датчика
Излучения полупроводникового лазера проецируется на исследуемый объект в виде не расходящегося пучка, после чего теневая картина объекта собирается на двумерной фотоприемной матрице телецентрическим фокусирующим объективом [х]. Полученное на матрице изображение анализируется с помощью ПЛИС, далее процессор рассчитывает все необходимые геометрические размеры.
Реализация оптической системы
Для фокусировки и управления лазерным пучком в приемной части данного устройства авторами была спроектирована следующая оптическая система с использованием пакета 2етах. К сожалению, конкретные расстояния и выбранные линзы не могут быть приведены в рамках данной работы, так как это представляет собой коммерческую тайну, но общая концепция построения будет приведена.
Оптическая система представлена на рисунке 3. Синим цветом смоделированы лазерные лучи.
О R
I»
£
55 П П
о ы
а
Рисунок 3 - Оптическая система приемной части теневого датчика
Оптическое излучение, являющееся теневой картиной объекта, попадает на поворотную пластину, с помощью которой проецируется на ко-лимирующую асферическую линзу 1. Часть ко-лимированного пучка вырезается апертурой и далее фокусируется с помощью второй линзы на фотоприемной матрице.
Использование асферических линз обусловлено их способностью понижать уровень аберраций системы.
Общее строение оптической системы, представленной выше может быть использовано для построения приемной части датчиков в различных рабочих диапазонах, для чего необходимо изменять расстояния между компонентами системы в зависимости от конкретной задачи.
Заключение
В данной статье были рассмотрены проблемы, возникающие при построении оптоэлек-тронных теневых датчиков для контроля геометрических параметров различной продукции на производстве, а также приведены решения некоторых из них. Представлены основные принципы построения таких датчиков.
Было разработано конструктивное решение для приемной части оптической системы теневого датчика в пакете Zemax. Данное решение может быть использовано при фокусировке лазерного излучения в различных системах в разных рабочих диапазонах.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора от 01.12.2015г № 02.G25.31.0161.
Литература
1. Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пу-ряев Д.Т. Оптические измерения. - М. Машиностроение, 1987. - 264 с.
2. В.П. Коронкевич, А.Г. Полещук, А.Г. Седу-хин, Г.А. Ленкова Лазерные интерферометриче-ские и дифракционные системы // Компьютерная оптика. - 2010, том 34, №1, с. 4-23.
3. Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев Теория оптических систем. - М. :Физматлит, 1992. - 448 с.
4. Ю.М. Климков Прикладная лазерная оптика. - М. Машиностроение, 1985. - 66 с.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding // Optic & Photonic. - 2007, Vol. 2, Issue 4, p. 2-60.
Optical system shadow sensor for monitoring geometrical parameteres of products
Pesterev S.N., Popova
Cherepanov A.N., Bochkarev Yu.V., M.A., Tyshchenko I.S.
Ural Federal University named after the first president of Russia Boris Yeltsin, "Optical measuring systems" Ltd., University of Melbourne
This article provides an overview of the development and design of a shadow sensor for monitoring the geometric parameters of products, especially the photodetector and electronic parts of the device. The sensor being developed is designed for non-contact shadow measurements and for monitoring diameters, gaps and positions of technological objects. With the use of sensors of this type, it is possible to control the geometry of the section of the measured part with the required accuracy and frequency. Two types of possible compositions are mentioned. Moreover, a method for focusing laser emission in the detector part of such devices is proposed, and an optical system is also described. The entire calculation part of the simulation is performed in the software package Zemax. At present, this sensor is in the stage of commissioning and final testing. The work was performed on the basis of LLC "Optical measuring systems" in conjunction with the Ural Federal University.
Key words: shadow sensor, optical systems, zemax, deffects detection, laser.
References
1. G.V. Kreopalova, N.L. Lazarev, D.T. Puryaev D.T. Optical
measurements. - M.: Mechanical Engineering, 1987. - 264 p.
2. V.P. Koronkevich, A.G. Poleshchuk, A.G. Sedukhin, G.A. Lenkova Laser Interferometric and Diffraction Systems // Computer Optics. - 2010, volume 34, №1, p. 4-23.
3. N.P. Zakaznov, S.I. Kiryushin, V.I. Kuzichev Theory of optical
systems. - M.: Fizmatlit, 1992. - 448 p.
4. Yu.M. Klimkov Applied laser optics. - M.: Mechanical Engineering, 1985. - 66 p.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding // Optic & Photonic.
- 2007,
5
«
a
6
