202314. lajstromszámú szabadalom • Lézeres méretellenőrző készülék
1 HU 202 314 B 2 A találmány tárgya lézeres méretellenőrző készülék elsősorban hengeres tárgyak, mint pl. rudak, csövek, tengelyek, kábelek stb. külső átmérőjének méréséhez és ellenőrzéséhez. A különféle ipari technológiák műszerezésében és automatizálásában egyre nagyobb szerepet kapnak az érintésmentes, optikai elven működő mérőeszközök. Az érintés nélküli mérési módszer különösen fontos az automatizált precíziós méretellenőrzéseknél, ahol a mikrodeformációk elkerülése érdekében zérus mérőnyomás kívánatos. Ugyancsak nélkülözhetetlen az ilyen jellegű mérés az olyan technológiai gyártósorokon, ahol a munkadarab mérés közben mozog vagy forog, s ráadásul esetleg még magas hőmérsékletű is, s emiatt annak fizikai érintése nem kívánatos. Munkadarabok átmérőjének érintésmentes mérésére többféle optikai módszer ismeretes. Az iparban a legelterjedtebb ezek közül a pásztázó lézersugaras módszer, mivel ezzel érhető el a legnagyobb felbontóképesség és a működési sebessége is igen jelentős. A pásztázó lézersugaras méretellenőrző készülékben egy lézer fényét általában egy gyűjtőoptika fókuszában elhelyezkedő, elforduló tükörrel eltérítik, s a gyűjtőoptikára vetítik, amely utóbbi az elforduló lézersugárból egy önmagával párhuzamosan elmozduló sugarat állít elő. E sugárral a mérendő munkadarabot a tükör megfelelő mozgatásával ismételten végigpásztázzák, miközben a mögé helyezett fényérzékelővel figyelik, hogy a pásztázó sugarat a munkadarab mikor tokaija el, ill. hogy mögüle a pásztázó sugár mikor bukkan újra elő. így a belépő és kilépő kontúrpontok helyzetkülönbsége adja a kívánt méretet. Ezek meghatározásához természetesen ismerni kell a pásztázó sugár térbeli pozícióját a kontúrpontoknál. A feladatot megnehezíti, hogy közönséges szférikus lencsékből összeépített gyűjlőoptika esetén a pásztázó sugár elmozdulása nem arányos az eltérítő tükör szögelfordulásával, hanem annak nemlineáris függvénye. Elméletileg tökéletes lencsékből álló gyűjtőoptika esetén ezen nemlinearilás tonges függvénynyel írható le. Valóságos szférikus lencsék esetében ezen tangens függvényre még a lencsetorzításokból eredő további nemlineáris komponensek is szuperponálódnak. A pásztázó sugár térbeli pozíciójának nyomon követésére s ezzel a munkadarab-kontúrpontok helyzetének azonosítására több ismert megoldás van, s ezek két fő csoportba sorolhatók. Az ismert megoldások egyik fő csoportjánál a pásztázó sugarat féligáteresztő tükörrel kétfelé csatolják, s így létrehoznak egy második, ún. referenciasugarat, amelynek mindekori mozgása a fő pásztázó sugárral azonos. A referenciasugarat optikai rácson vezetik végig, amely utóbbi mögött egy vagy több fényérzékelő helyezkedik el. A sugár mindekori térbeli helyzetét a rácsvonalak között áthaladó fényimpulzusok számlálásával, sűrűbb rács esetén pedig a rajta keletkező diffrakciós fényimpulzusok számlálásával azonosítják. A módszer tökéletesített változata taláható a HU 183 942 lajstromszámú (magyar) szabadalmi leírásban. Ez utóbbi megoldásnál a szomszédos rácsvonalak közötti töredék vonalszélességnyi elmozdulásokat időinterpoláció segítségével számítja ki a mérőkészülékbe beépített processzor. A referenciasugaras megoldások előnye, hogy a pásztázósugár sebességingadozása a mérési pontosságot gyakorlatilag nem befolyásolja, így a készülékben olcsó és igénytelen gyűjtőoptika és sugáreltérítő alkalmazható. Hátránya ugyanakkor ezen megoldásoknak az, hogy a referencia fényűt miatt járulékos optikai és elektronikus elemekre van szükség, ami növeli a készülék geometriai terjedelmét és bizonyos mérvű többletköltséget is okoz. Az ismert megoldások másik fő csoportja a pásztázási sebesség stabilizálására épül. Ezért stabilizált fordulatszámú poligontükrös sugáreltérítőt alkalmaznak, továbbá a gyűjtőoptika olyan, nemszférikus lencsékből álló linearizált optika - ún. F-0 optika -. amely biztosítja, hog a sugáreltérítő tükör elfordulási szöge és a pásztázó sugár elmozdulási távolsága közötti kapcsolat szigorúan lineáris legyen. így a pásztázósugár elmozdulásának, ill. pillanatnyi térbeli pozíciójának azonosítása akár az elmozdulási idő mérése útján, akár a sugáreltérítő tükör tengelyéről nyerhető szögelfordulás-jel alapján lehetséges. Ismeretes ezen módszer olyan változata is, amelynél a mérendő munkadarab mögött egy annál nagyobb méretű, etalonként szolgáló kalibrált ablakot helyeznek el és a pásztázás során - egy ütemgenerátor órajeleinek számlálásával - mérik egyrészt az etalon ablak két széle közötti pásztázási időtartamot, másrészt a munkadarab két kontúrja közötti pásztázási időtartamot. Az etalon ismeretében a keresett méretet aránypárral számítja ki a készülékbe beépített processzor. Ezzel a módszerrel számottevően enyhíthető a sugáreltérítő tükör hosszú idejű fordulatszám stabilitására vonatkozó követelmény. Az F-0 optikát alkalmazó egy fényutos megoldások előnye, hogy a készülék súlya és terjedelme kicsi, mérési pontossága, felbontóképessége és működési sebessége pedig igen nagy lehet E megoldások hátránya viszont az, hogy az F-0 optika előállítása nagyon költséges és olyan magas szintű technológiát igényel, amely a legfejlettebb ipari országokban is nehezen hozzáférhető. így az ilyen készülékek hazai előállítása - ha egyáltalán keresztülvihető - csak magas konvertibilis import ráfordítással volna lehetséges. Találmányunk célja az ismert megoldások hátrányainak kiküszöbölése. Célunk olyan pásztázó lézersugaras mérőkészülék megvalósítása, amely nem tartalmaz sem referencia fényutot, sem F-0 optikát, de mérési sebessége és felbontóképessége legalább akkora, mint amit a referencia-fényutos megoldásokkal el lehet érni. Találmányunk alapja az a felismerés, amely szerint ez a célkitűzés úgy érhető el, hogy az egy fényutas, kalibrált etalon-ablakos megoldásokban F-0 optika helyett közönséges szférikus lencsékből álló optikát alkalmazunk, ennek nemlineáris jelleggörbéjét fix tartalmú memóriában rögzítjük, s ez utóbbit a készülék aritmetikai egységéhez, azaz processzorához kapcsoljuk, miáltal a nemlineáris torzítás hatása korrekcióba vehető. Találmányunk tárgya tehát olyan lézeres méretellenőrző készülék, amely tartalmaz lézert, forgó poligontükrös sugáreltérítőt, pásztázó gyűjtőoptikát, továbbá a mérendő munkadarab mögött elhelyezkedő kalibrált ablakot, gyűjtőlencsét és fényérzékelőt. Ez utóbbi villamos kimenete jelformálón keresztül jelszintváltozás számláló bemenetéhez, valamint ütemgenerátoros meghajtású időszámláló indító bemenetéhez kapcsolódik. A készülék tartalmaz még tárolóregisztert, amelynek adatbemenetéhez az időszámláló kimenete, vezérlő bemenetéhez a jelszintváltozás számláló kimenete, kimenetéhez pedig aritmetikai egység van kapcsolva, amely utóbbi kimenete képezi a készülék adatkimenetét. A találmány lényege abban van, hogy a pásztázó 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
