旧式大型工具显微镜数显化

第29卷第1期2003年1月光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U EV ol.29No.1Jan. 2003文章编号:1002 1582(2003)01 0091 03旧式大型工具显微镜数显化王春艳(长春光学精密机械学院光电系,长春 130022)摘 要:大型工具显微镜是用途较广的精密长度计量仪器,主要用于测量螺纹中径、圆柱的直径等。

目前实验室和工厂现有的仪器属50年代生产的老型号产品,用目视螺旋测微鼓上的刻度读数,人工记录和处理数据,测量时费时费工。

针对大型工具显微镜数显化的问题,阐述了光栅、光电显微镜、单片机、新型传感器在数显上的应用。

利用新技术和新型传感器改造老设备,使其实现数字化和智能化,以提高测量效率和测量精度。

改造的结果表明,改造后的仪器测量效率大大提高,精度可提高一个数量级。

关键词:数显;光栅;改造直径中图分类号:TH741.7 文献标识码:AMaking big facility microscope into automatic instrumentWAN G Chu n yan(Changchun Institute of O ptics and Fine M echanics Photoelectricity Department,Changchun 130022,China)Abstract:Big tackle microscope is a pr ecise length measur ing instrument.It can be used many fields,for ex ample,mea sur ing screw and column s diameter.At present,t here ar e50 aged old product at the laboratory and facto ry.It s reading method is using graduated disc eye scr ew measur e tiny drum,noting and disposing data at manual w ork.It used much time and labor.T his text has br ought forward a problem about making old facility microscope into automatic instrument.T his text has chosen the raster and photoelectricity microscope and SCM and new type sensor.Its aim is to alter t he old equipment using new technician and new type sensor,and making it realize auto mation and improv ing measure efficiency and precision.T ransforma tion s r esults indicated that not only did the altered instrument improv e the efficiency o f measuring but also it s precision has been improved10times.Key words:automatic reading;raster;alter at ion大型工具显微镜的改造工作是针对机械厂和仪器仪表工厂及大中院校而提出的。

一般工厂和大中院校还不可能更换老型号的大型工具显微镜和万能工具显微镜,况且,这类仪器通常是在计量室里使用,性能完好,不可能废弃掉。

改变这类工具显微镜落后的检测方式经济而可行的途径是利用新技术改变这种老设备,提高仪器的自动化、智能化程度。

这样,花钱少,效果好,符合我国当前的国情。

1 问题方案老型号工具显微镜由于总体结构不先进,以至整个操作过程均需靠检验人员完成,这样不仅工作效率低,而且人为因素影响太大。

为克服上述弊端而提出的自动化、智能化测量系统。

下面主要从三个方面来改造老式大型工具显微镜。

1.1 工件自动对准用光电显微镜,即光电自动对准系统自动判定工件轮廓,代替人工对准工件轮廓。

1.2 自动显示和输出工件位移用光栅数字测长系统自动显示和输出工件位移量(坐标),代替螺纹测微鼓指示工件位移量。

1.3 自动采集和处理数据用单片微型计算机系统自动采集和处理数据、自动比较和判别、自动显示和打印测量结果代替人工读数、记录和处理数据。

流程图如图1。

图12 光电显微镜光电显微镜按其工作状态分为静态和动态的;按工作原理可分为光度式和位相式的,按其用途可分为对准刻线和对准轮廓的。

位相式光电显微镜主要适用于对准刻线。

在工具显微镜上判别工件轮廓位置时,工件同工具显微镜相对运动,所以,适合采91收稿日期:2002 04 09作者简介:王春艳(1971 ),女,吉林人,长春光学精密机械学院博士研究生,从事光电技术与检测研究。

用光度式动态显微镜。

光度式动态光电显微镜通常包括照明系统、物镜、分光棱镜和分划板、目镜、狭缝、光电转换器件、信号提取和处理电路等部分。

利用大型工具显微镜光学系统已有的某些部分作为光电显微镜的组成部分,改造费用可大大降低,但这样一来就要迁就原有的结构,受一些因素约束,使研制过程中技术难度增加。

要使项目研制的光电测量系统能在今后工厂技术改造中容易推广应用,降低成本是至关重要的。

所以,我们就选用此种方法,暂称这种方法为改造型方法。

把大工显的光学系统同光电显微镜的光学系统作一对比,可以看出两者的相似之处和不同之处,从中得到启发,形成了改造显微镜的基本方案,即:(1)利用大型工具显微镜原来的光学系统,通过目镜观察和对准工件位置,这样就不需要另外设置光电显微镜的目镜观察系统。

(2)专门制作一光电头,其内部包括狭缝、光电转换器、信号提取和处理电路,其外部下端和大工显的目镜头下端结构和配合尺寸相同。

从正向棱镜盒接口处取下目镜头,换上光电头,原来的光学系统集成为光电对准系统,即光电显微镜。

改造型光电显微镜除了光电头是新增加的,其他部分均为大工显原来有的。

显然,增加光电头所花费用比研制整台产品型光电显微镜的费用要少的多。

适合一般光学系统的光源种类不少,但从亮度、体积、稳定性、电源、成本、寿命等方面考虑,能适宜作光度式动态光电显微镜光源的只有仪器用白炽灯,仪器用澳钨灯和He Ne激光器。

这三种光源中,仪器用白炽灯成本最低,寿命也较长,灯丝发光面小,功率小,灯箱散热简单,其电源输出电流和电压稳定性达到较高的水平不十分困难,但亮度较后二者差。

He Ne激光器亮度高,但体积较大,要配置专用电源,激光器输出功率不容易达到较高的稳定性,成本也较高。

澳钨灯是较理想的光源,亮度高、光效好、体积小、成本低,问题是目前出售的产品质量不稳定,卤钨循环不良,泡壳里面就会变黑,因此,三种光源中首先考虑的是仪器用白炽灯。

大工显原有的光学系统只有一组聚光镜,因为用眼睛观察时,照明光源不需太强,但当用光电显微镜时,光强就要求提高,为此,在光源与光栏之间增加一块聚光镜,使灯丝发出的光束在较大的空间角范围内被会聚利用,从而,可使照明光的光强大大提高。

此外,增加一聚光镜以后使大工显原有的照明系统改变成远心柯拉照明方式,这对提高光电显微镜的对准精度是非常有利的。

万能工具显微镜的照明系统已采用远心柯拉照明方式。

万工显改造时,这部分就不用动,光源直接配一6V高稳定度直流稳压电源即可。

硅光电池响应时间和灵敏度不如硅光二极管和三极管,但噪声较小,性能较稳定,故在本系统中选其作为光电转换器件。

光电转换器件输出的信号需要放大和处理。

由于光学系统存在像差和衍射,照明光束存在斜光束而工件又有一定厚度,工件被测表面轮廓边缘离焦和调焦不准等等因素的影响,当光电显微镜相对于工件运动,扫过工件轮廓边缘时,狭缝后面的光电元件所接收的光通量 不是突变的,而是渐变的,经放大器放大输出的信号也是渐变的,因此,必须对信号进行处理。

信号处理的目的是获得同轮廓边缘对应的两个脉冲。

3 光栅测长系统大工显改造成自动化、智能化仪器时工作台移动量不能靠原来的螺旋测微鼓测量,而必须采用数字测长系统测量,并以数字信号形式送入微机。

数字测长系统的测量精度、稳定性和成本直接影响大工显光电测量系统的精度、稳定性和成本,关系到改造方案的推广。

所以需要全面分析,综合考虑,选定性能、价格比最佳的测长系统。

在各种测长系统中激光干涉测长系统精度最高,可达0 1 m,应用也较广。

但其价格较高,如果改造后的大工显和万能工具显微镜测量精度要求很高,则可选干涉测长系统。

从性能、价格、安装调整、使用环境、整个系统推广应用等方面综合考虑,在本项目中采用光栅测长系统较合适。

大工显的结构限定了光栅尺只能安装在仪器外部。

使用场合尽管是计量,适合较清洁的工作场地,但不可避免灰尘会落到光栅尺上,故选闭式光栅为宜。

安装时,主光栅用支架装在工作台下面的纵向滑板上,指示光栅用支架固定在仪器底座上,安装调整非常方便。

4 单片微型计算机控制系统目前,在我国单片微型计算机已广泛用于机电设备、智能化仪表以及测量和控制系统。

把大工显改造成自动化、智能化精密计量仪器,不言而喻,也可用于单片机系统化替人去完成读数、运算、判别、列出测量结果等功能。

如果要进一步提高大工显测量系统自动化程度,还可以通过单片机系统进行控制驱动系统使工作台按照预定的检测尺寸的顺序移动。

92光 学 技 术 第29卷上述基本功能,即或是增加工作台移动控制功能,采用M SC 51系列中8031单片机扩展的应用系统是完全能实现的。

在本项目中宜选用8031单片机组成单片机控制系统,其设定的功能有:(1)读数 当接收到光电显微镜电学系统输出的工件被测表面边缘对准信号时,同时读取光栅测长系统在此刻输出的光栅位置坐标值。

如果,光电显微镜临时出故障,或有时需用目视判别表面位置时,则可用原有的大工显目镜头对准表面轮廓边缘。

通过按钮也可使单片机系统发出信号,读取坐标值;(2)运算 根据尺寸测量类型(测量长度或齿距)将有关表面位置坐标值代入计算公式进行计算,求出相应的长度或齿距,并通过显示器显示出来;(3)判别 将计算结果和预先置入的上下限尺寸进行比较,判别是否合格,超过上下限则可通过指示灯显示出来;(4)打印 按预定格式打印出测量结果;(5)标准件校正 测量前由键盘输入标准件实际尺寸,重复四次测量标准件可自动校正误差。

单片机控制系统设置功能键盘,如下表:有20个功能键,其分布如图2所示。