Лазерная система контроля качества изготовления узлов и деталей газоанализаторов
На правах рукописи
СИРОТСКИЙ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ
Специальность:
05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Московском Государственном Университете Инженерной Экологии (МГУИЭ)
Научный руководитель: доктор технических наук
Гайтова Тамара Борисовна
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Дорохов Игорь Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Карабегов Михаил Александрович
кандидат технических наук, доцент
Карлов Сергей Петрович
Ведущая организация: ОАО НПО «Химавтоматика», г. Москва.
Защита диссертации состоится 26 ноября 2009 г. в 1400 часов в аудитории В–23 на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.
Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.
Автореферат разослан 24 октября 2009 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
Д 212.145.02
к.т.н., доцент Мокрова Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Значительную долю всех процессов контроля в элементах оптико-акустических газоанализаторов (ГА) составляют процессы контроля прямолинейности осей и профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях, в том числе в измерительных кюветах ГА.
Перспективными являются лазерные измерительные системы (ЛИС) позиционного типа (ПЛИС), в которых лазерный луч является эталонной базовой прямой. Существующие ПЛИС не получили широкого применения прежде всего из-за высокой погрешности измерения, обусловленной нестабильностью диаграммы направленности лазеров (ДНЛ). Этот недостаток устраняется в ЛИС с двумя оптически обращёнными каналами (ЛИС ДОК), в которых вводится дополнительный канал, оптически обращённый на 180 О относительно основного канала. Актуальными являются исследования, направленные на формирование комплексного подхода в проектировании ЛИС ДОК.
Проблемой повышения точности измерений занимались учёные: Телешевский В.И., Корндорф С.Ф., Веденов В.М., Мурачёв Е.Г., Бунько Е.Б., Харитонов В.И., и др. Выражаю признательность моему первому научному руководителю д.т.н., проф. МГТУ «МАМИ» Веденову В.М.
В основу диссертационного исследования положены наиболее значительные теоретические и экспериментальные результаты НИР и ОКР, выполненные соискателем в рамках научно-технических и отраслевых программ, в которых соискатель являлся непосредственным исполнителем:
– федеральной целевой научно-исследовательской программы (ФЦНИП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» «Машины и машиностроение будущего» Миннауки и технологий РФ по теме № 201-97 «Разработка автоматизированного комплекса контроля геометрических параметров технологического оборудования машиностроительного производства методами лазерных измерительных систем»;
– ФЦНИП Минобразования и науки РФ по темам № 201-02, № 201Н-04 «Разработка адаптивных систем активного контроля геометрических параметров деталей в процессе их формообразования»;
– отраслевой программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий», раздел «Высокоточные измерительные системы», по теме № 206ПТ-00 «Лазерная измерительная система для диагностирования геометрических параметров автоматизированного технологического оборудования машиностроительного производства».
Цель работы. Создание лазерной измерительной системы с улучшенными метрологическими характеристиками за счёт снижения погрешностей, повышения помехоустойчивости и автоматизации процесса измерений для контроля отверстий в узлах и деталях газоанализаторов.
Задачи работы:
– создание классификации позиционных ЛИС ДОК для контроля прямолинейности и положения осей отверстий в узлах и деталях газоанализаторов;
– уточнение и исследование математических моделей оценки погрешностей, параметрического проектирования, анализа и синтеза ЛИС ДОК с разделёнными и совмещёнными каналами с учётом амплитудных погрешностей;
– разработка способа компенсации амплитудных флуктуаций и снижения их влияния на точность фотоэлектрических ЛИС;
– разработка принципов построения, базовых структурных и функциональных схем реализации ЛИС, а также элементов конструкций преобразовательных блоков ЛИС;
– экспериментальные исследования макета ЛИС и его элементов;
– разработка аппаратно-программных средств автоматизации сбора, регистрации, хранения и обработки измерительной информации.
Научная новизна. Научная новизна включает в себя:
– разработанную классификацию ЛИС ДОК для контроля прямолинейности и положения осей отверстий в узлах и деталях ГА, которая систематизирует способы построения ЛИС по конструктивным признакам, исполнению и назначению;
– уточнённую математическую модель оценки погрешностей ЛИС ДОК;
– запатентованный способ повышения точности и компенсации амплитудных погрешностей ЛИС (система отражённого луча);
– разработанный оптический блок ЛИС, его математическую модель и практические рекомендации по проектированию оптических блоков ЛИС ДОК;
– методы и реализующие их средства контроля прямолинейности осей и получения профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях газоанализаторов с визуальным воспроизведением объекта контроля;
– типовые функциональные и структурные схемы построения ЛИС в соответствии с разработанной классификацией и технологическими задачами контроля;
– созданную автоматизированную систему сбора данных и обработки результатов измерений в ЭВМ.
Практические результаты:
– создан действующий макет ЛИС ДОК и разработаны его составные блоки;
– разработаны средства и методы контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА;
– получен патент РФ на изобретение «Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений»;
– за разработку лазерной измерительной системы получен диплом выставки «Золотые инновации России и стран СНГ», проходившей на ВВЦ в Москве.
Практическая ценность. Практической ценностью работы являются результаты, позволяющие создавать новые лазерные системы контроля качества изготовления отверстий в узлах и деталях ГА, отличающиеся более высокой точностью и помехоустойчивостью и более низкой стоимостью.
Сформулированы рекомендации и предложены решения по конструированию ЛИС ДОК, их узлов и блоков. ЛИС обеспечены аппаратно-программными средствами преобразования сигналов, ввода и обработки информации в ЭВМ.
Полученные практические и теоретические результаты позволяют значительно расширить области применения ЛИС ДОК во многих областях промышленности.
Апробация и реализация результатов работы.
- Использование в учебном процессе:
Результаты диссертационной работы использовались при чтении лекций, в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании на кафедрах «Автоматика и ПУ» МГТУ «МАМИ» и «МАСК» МГУИЭ.
- Участие в конференциях и семинарах:
Основные результаты работы обсуждались на 16 конференциях и семинарах, в том числе: Межд. н. симпозиум «60 лет воссоздания МАМИ», М., МГТУ «МАМИ», 1999 г.; ММНК "XXVI Гагаринские Чтения", М., РГТУ «МАТИ», 2000 г.; 31-я МНТК ААИ, М., МГТУ «МАМИ», 2000 г.; МНТК «Гражданская авиация на рубеже веков», М., МГТУГА, 2001 г.; МНТК «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий», М.-Сочи, 2001; 2005; 2008 г.; Российско-германская НТК «Датчики и системы», СПбГТУ, 2002 г.; 39-я МНТК ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», М., МГТУ «МАМИ», 2002 г.; 44-я МНТК «Проблемы качества и сертификация автотранспортных средств», г. Дмитров-7, НИЦИАМТ, 2003 г.; НПК «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» ESEA-NI-04, М., РУДН, 2004 г.; 49-я МНТК ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», М., МГТУ «МАМИ», 2005 г.; МНМК «Высшее профессиональное образование в современной России: перспективы, проблемы, решения», М., МГТУ «МАМИ», 2005 г.; 5-я МЭНТК «Технологическая системотехника – 2006», ТулГУ, Тула, 2006 г.; ВМНПК молодых учёных «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем», М., МГИЭТ (ТУ), 2007 г.
- Участие в выставках и презентациях:
1. ЛИС демонстрировалась в декабре 2000 г. на выставке-презентации «Золотые инновации России и стран СНГ» в г. Москве, на ВВЦ (ВДНХ). Экспонату присуждён диплом ВВЦ.
2. Стенд с ЛИС демонстрировался в марте 2005 г. на выставке научно-технических разработок МГТУ «МАМИ» к Международному Научному Симпозиуму, посвящённому 140-летию МГТУ «МАМИ».
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в ООО «Система Групп» для контроля деталей энергоустановок и в ФГУП «75 Арсенал МО РФ», где была проведена опытная эксплуатация автоматизированной ЛИС ДОК для активного контроля прямолинейности и пространственного положения осей отверстий на участке ремонта инерциальных объектов.
На защиту выносятся:
– классификация ЛИС для контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА, построенная исходя из конструктивных признаков и вариантов исполнения;
– уточнённая математическая модель оценки погрешностей ЛИС ДОК;
– запатентованный способ повышения точности измерений и снижения погрешностей ЛИС за счёт компенсации амплитудных флуктуаций интенсивности излучения (система отражённого луча);
– математическая модель геометрических параметров и метод расчёта многофункционального оптического блока ЛИС;
– методика контроля положения осей и профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях ГА с визуальным воспроизведением объекта контроля;
– базовые структурные и функциональные схемы построения ЛИС ДОК для контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА в соответствии с разработанной классификацией;
– предлагаемое техническое решение и программное обеспечение компьютеризированной системы сбора и обработки измерительной информации в ЭВМ;
– анализ экспериментальных результатов и выводы, на основе которых сформулированы практические рекомендации по созданию ЛИС.
Публикации. По теме диссертационной работы имеется 51 публикация, в том числе: 1 патент РФ, 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 отчёта по НИР, издано одно методическое указание по выполнению лабораторной работы.
Изобретения. Получен патент РФ № 2196300 на изобретение «Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений».
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 145 наименований и 5 приложений. Содержит 200 страниц машинописного текста, 123 рисунка и фотографии, 7 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные положения и цель, а также задачи исследования. Определяется научная новизна, практическая значимость, приводятся основные результаты работы.
В первой главе ставится задача по разработке средств контроля качества выполнения глубоких отверстий в деталях ГА, и анализируются имеющиеся технические решения. Установлено, что кювету ГА можно рассматривать как деталь с глубоким отверстием глубиной L (рис. 1).
Методы контроля прямолинейности и положения осей отверстий можно разделить на две группы:
– средства и методы контроля без воспроизведения реальной оси;
– средства и методы контроля с воспроизведением реальной формы объекта контроля (оси отверстия).
Определено, что для ЛИС должна формироваться система координат с реализацией оси OZ при помощи лазерного луча. Отмечены преимущества и недостатки данного способа. Сформированы требования к современным ЛИС и ряд частных задач, нуждающихся в проработке для создания высокоточных ПЛИС.
Во второй главе описаны принципы построения ПЛИС, особенности базирования в них, отмечено, что в ПЛИС базой является энергетическая балансная ось лазерного луча. Раскрыто понятие ЛИС ДОК, описаны принципы их построения. Оптическая часть системы ДОК обеспечивает разделение исходного лазерного луча на два луча, оптически обращённых друг относительно друга путём разворота одного из лучей на 180 ° вокруг своей оси так, что флуктуации энергетической оси одного из них находятся в противофазе по отношению к флуктуациям оси другого луча.
Два оптически обращённых канала могут быть сформированы в виде одного совмещённого (объединённого) луча, либо в виде двух раздельных лучей (каналов).
На рис. 2 показан принцип формирования ДОК с объединённым лучом. Входящий луч 1 попадает на кубик 2 и разделяется на два луча одинаковой мощности, один из которых – прямой луч 3. Второй луч попадает на отражатель 5, проходит через оборачивающую систему 7, в которой он оборачивается на 180 ° относительно своей оси, отражается от отражателя 9 и попадает на кубик 11, где оба луча совмещаются относительно их энергетических центров и направляются на позиционно-чувствительный фотоприёмник (ПЧФ) 13.
 Рис. 2. Принцип формирования ДОК с объединённым лучом: 1 – входящий луч; 2 – разделяющий кубик; 3 – прямой луч; 4, 6, 8, 10 – обращённый луч; 5, 9 – отражатели; 7 – оборачивающая система; 11 – объединительный кубик; 12 – выходящий луч (два канала); 13 – ПЧФ; 14 – вся конструкция |  Рис. 3. Система координат XOY ПЧФ, на светочувствительную поверхность которого спроектированы совмещённые зонды прямого и обращённого каналов лазерного излучения |
Математические модели ЛИС ДОК рассматриваются в системе координат XOY ПЧФ, на светочувствительную поверхность которого спроектированы зонды прямого и обращённого каналов лазерного излучения (рис. 3). Энергетический центр зонда прямого канала лазерного потока излучения находится в точке Оп с координатами X1 и Y1 (радиус вектор 
), а обращённого канала – в точке Оо с координатами X2 и Y2 (радиус-вектор 
).
Для оценки эффективности стабилизации диаграммы направленности лазера (ДНЛ) используется коэффициент стабилизации ДНЛ (КСДНЛ), который показывает, во сколько раз введение второго обращённого оптического канала уменьшает нестабильность энергетической оси лазерного луча:
, (1)
где 
– радиус-вектор погрешности положения энергетического центра светового зонда лазера без его разделения и обращения; 
– результирующий радиус-вектор погрешности положения энергетических центров лазерных зондов в ЛИС ДОК (рис. 3).
Для систем с совмещённым лучом и раздельными лучами КСДНЛ соответственно равен:
и 
, (2, 3)
где M и m – соотношение мощностей прямого и обращённого каналов; N и n – соотношение радиус-векторов погрешностей прямого и обращённого каналов; – угловая погрешность обращения каналов; 
– соотношение между параметрами каналов; S1, S2 – координатные чувствительности ПЧФ; F1, F2 – мощности излучения в каналах; k1, k2 – коэффициенты усиления.
Предложено учитывать нестабильность соотношения интенсивностей в каналах во времени, для чего введена функция q(t), показывающая изменение соотношения во времени интенсивностей в каналах, например, из-за воздействия внешних гармонических помех (возмущений). Таким образом, отмечено, что ПЧФ чувствителен не только к координате, но ещё и амплитуде, что может вызывать погрешности измерения. Для выявления характера изменения КСДНЛ при изменении интенсивности падающего излучения используется функция стабилизации ДНЛ (ФСДНЛ). Для систем с совмещённым лучом и с раздельными лучами ФСДНЛ соответственно равна:
и 
, (4, 5)
где q(t) – функция нормированности интенсивности излучения в обращённом канале по отношению к прямому каналу.
Динамическая функция погрешности положения энергетического центра лазерного зонда позволяет оценить погрешности ЛИС, возникающих из-за неточностей положения результирующего радиус-вектора энергетического центра лазерного зонда в зависимости от флуктуаций интенсивностей излучения в каналах ЛИС. Она определяется как соотношение реального радиус-вектора погрешности положения энергетического центра светового зонда, состоящего из двух оптически обращённых каналов 
, к мнимому радиус-вектору погрешности положения энергетического центра светового зонда 
:
. (6)
Для систем с совмещённым и разделёнными лучами динамическая функция погрешности положения энергетического центра ЛЗ соответственно равна:
и 
, (7, 8)
При q(t)=const динамическая функция погрешности положения энергетического центра лазерного зонда превращается в коэффициент пропорциональной ошибки.
Для оценки ошибки измерения, возникающей от снижения интенсивности излучения, используется коэффициент относительной амплитудной ошибки ЛИС ДОК:
= 
100 %. (9)
В третьей главе произведён математический анализ погрешностей ЛИС ДОК в среде MathCAD. На рис. 4 показана зависимость коэффициента КСДНЛ для ЛИС ДОК с объединённым каналом, на рис. 5 – графики ФСДНЛ во времени.
 Рис. 4. Трёхмерная зависимость коэффициента К стабилизации ДНЛ для ЛИС ДОК ОК от m и при n = 0,99 |  Рис. 5. Зависимости изменения КСДНЛ во времени при различных параметрах каналов и при воздействии на каналы помех промышленной частоты |
В четвёртой главе предлагается новый способ построения ЛИС с улучшенными метрологическими характеристиками.
При использовании чувствительных к амплитудной модуляции ПЧФ, в ЛИС возникают случайные погрешности вследствие следующих причин:
1. Луч лазера может иметь собственные нестабильности интенсивности излучения во времени, т.е. временные флуктуации интенсивности излучения.
2. Лазерный луч, обладает затуханием, т.е. его интенсивность уменьшается за счёт поглощения и частичного рассеяния в среде распространения.
3. Между излучателем и ПЧФ, установленным оптически противоположно апертуре излучателя и перпендикулярно лазерному лучу, могут возникать амплитудно-фазовые флуктуации излучения, т.к. поверхности ПЧФ и апертуры лазера частично выполняют роль дополнительного внешнего оптического резонатора.
Абсолютная и относительная ошибки измерений составят:
, 
%, (10)
где IS – текущее значение уровня интенсивности излучения ЛЗ; I0 – номинальное значение интенсивности излучения ЛЗ.
Повысить точность измерений предлагается введением обратной связи по интенсивности излучения, падающего на поверхность ПЧФ, конструктивно выражающейся в организации дополнительных измерений с коррекцией основных результатов измерений в ЭВМ («система отражённого луча» - СОЛ).
ПЧФ 4 (рис. 6) устанавливается под непрямым углом к лазерному лучу 2. Отражённый от ПЧФ луч попадает на амплитудный фотоприёмник 6, где измеряется текущая интенсивность излучения для коррекции измерений, полученных на ПЧФ. Система 12 формирует эллиптическую форму луча, т.к. ПЧФ 4 установлен под углом, и если на него будет падать эллиптический луч, то на его поверхности он снова станет круглым, что обеспечит одинаковый масштаб измерений по координатам.
Разворот ПЧФ позволяет не допустить обратный ход луча в лазер, и также измерять интенсивность отражённого луча. На способ получен патент РФ № 2196300.
Техническим результатом использования способа СОЛ является повышение точности, стабильности и помехоустойчивости ЛИС, расширение диапазона измерений за счёт устранения амплитудно-фазовых искажений и учёта флуктуаций интенсивности излучения в тракте прохождения луча.
В пятой главе на основе конструктивных признаков и вариантов исполнения дана классификация ЛИС для различных видов контроля качества изготовления деталей ГА с учётом предложенных решений.
По способу формирования ДОК, ЛИС могут быть: с объединёнными и разделёнными оптически обращёнными каналами (ДОК ОК и ДОК РК).
По количеству ПЧФ: с одним, с двумя и более ПЧФ на измерительный канал.
По наличию оптического отражателя в подвижных узлах системы ЛИС ДОК могут быть: без отражателя, при этом ПЧФ размещается в преобразователе перемещений или на объекте контроля; с отражателем (отражателями), с размещением ПЧФ стационарно относительно блока лазерного излучателя; комбинированные, с реализацией обоих способов.
По месту расположения оптического блока формирования ДОК: стационарно вне объекта контроля, на одном жёстком основании с лазерным излучателем; непосредственно на объекте контроля, в оптическом блоке измерения перемещений, подвижно относительно лазерного излучателя.
По наличию опорного канала ЛИС ДОК могут быть: без опорного канала и с опорным каналом.
Опорный канал может иметь два назначения: для измерения нестабильности ДНЛ после ДОК и для контроля траектории движения измерителя.
По наличию системы компенсации амплитудных нестабильностей излучения, ЛИС ДОК могут быть: с системой отражённого луча и без неё. Подсистема СОЛ позволяет устранить обратное отражение луча по направлению к излучателю и возникающие амплитудные флуктуации, а также непрерывно измерять текущие значения интенсивности излучения.
По назначению и контролируемым параметрам ЛИС ДОК используют для контроля: прямолинейности перемещений (движения); прямолинейности осей отверстий; пространственного положения осей отверстий с воспроизведением оси; параметров отверстий.
Группа ЛИС ДОК для контроля параметров отверстий подразделяется на ЛИС для: определения прямолинейности оси и степени коробления отверстия; определения некруглости, профиля и трёхмерного моделирования отверстия.
 | Рис. 7. Структурная схема ЛИС ДОК РК СОЛ с отражателем | |
 | Рис. 8. Функциональная схема ЛИС ДОК: 1 –основание; 2 – опора; 3 – контролируемая деталь; 4 – привод перемещения измерителя; 5 – самоцентриру-ющийся измеритель (ОФПБ); 6 – лазер; 7 – блок формирования ДОК ОК; 8 – оптический делительный кубик; 9 – отража-тельный кубик; 10 – отражатель; 11, 12 – ПЧФ; 13, 14, 15, 16 – усилители; 17 – ЭВМ | |
В соответствии с классификацией предложено 16 структурных схем построения ЛИС ДОК, ЛИС ДОК СОЛ. На рис. 7. приведена схема реализации ЛИС ДОК РК СОЛ с отражателем. Предложен ряд функциональных схем построения ЛИС ДОК. Схема с разработанным ОФПБ (рис. 8) обеспечивает контроль прямолинейности и пространственного положения оси отверстия.
Далее рассмотрены два вида измерительных преобразователей для ЛИС ДОК.
1. Измерительный узел ЛИС, состоящий из триппель-призмы в оправке, самоцентрирующейся в контролируемом отверстии по трём точкам на опорах А, В, и С (рис. 9). Вершина триппель-призмы находится в точке О, а основание (передняя плоскость) параллельно сечению контролируемого отверстия.
Подобная конструкция позволяет создавать системы двух типов.
Тип первый. Система для контроля прямолинейности оси отверстия при допущении, что отверстие абсолютно круглое и постоянного диаметра. Данная задача возникает при контроле изделий на прогиб, искривление, деформацию и т.д.
Тип второй. Система для получения профиля поперечного сечения, трёхмерной модели внутренней поверхности отверстия:
, (11)
где Хс – вычисляемые координаты профиля отверстия; i – текущий угол поворота; Хо – измеряемые координаты положения оси отверстия в текущем сечении.
Полученные выражения описывают относительные координаты точки касания измерительным узлом стенки отверстия в зависимости от заданного углового положения измерительного узла, поворачивающегося вокруг оси отверстия.
По типу конструкции привода и управлению процессом измерения системы могут быть: с последовательным продольно-шаговым и угловым движением, с одновременным равномерным продольным и угловым движением. В первом случае отверстие измеряется по сечениям, во втором случае – по спирали и строится трёхмерная модель. Описана техника измерений, методика обработки данных в среде MathCAD и получения трёхмерной спиралевидной визуализации (рис. 10).
 Рис. 9. Схема измерительного преобразователя перемещений ЛИС – триппель-призма в самоцентрирующейся оправке |  Рис. 10. Визуализация формы внутренней поверхности отверстия кюветы ГА в среде MathCAD |
2. Многофункциональный оптико-фотоприёмный блок (ОФПБ) ЛИС с двумя ПЧФ и отражателем.
  Рис. 11. Компоновка ОФПБ Рис. 12. Схема прохождения лучей | Предложена компоновка данной конструкции и методика проектирования (рис. 11). Показана схема прохождения лучей (рис. 12). Создана математическая модель ОФПБ, связывающая его геометрические параметры и величины перемещений лазерного зонда по поверхностям ПЧФ при движении вдоль оси OZ: |
(12)
(13)
Установлено, что при измерении угловых перемещений данный ОФПБ имеет тангенциальные зависимости, но в области малых углов они могут считаться линейными.
В шестой главе описаны экспериментальные установки и проведённые измерения.
Описан тип, свойства и характеристики применённых лазеров и ПЧФ, обосновано применение фотодиодного режима. Разработан прецизионный усилитель с максимальным коэффициентом усиления 106, возможностью установки смещения и коэффициента усиления, тарировки заданием опорного напряжения. Исследованы АЧХ и ФЧХ усилителя.
Для автоматизации ЛИС создана виртуальная измерительная система (ВИС) на основе модуля ICP DAS PCI-1202H и разработана программа сбора данных на языке G (Джей) в среде программирования LabView, обеспечивающая снятие показаний с двух датчиков по четырём каналам. ВИС легко интегрируется в действующие АСУ ТП, и может применяться для производственных и исследовательских целей. Блок-схема алгоритма программы показана на рис. 13. Разработана методика проведения измерений. Программа позволяет снимать показания параллельно по 4 каналам до 1800 измерений в секунду в униполярном и дифференциальном режимах, сохранять результаты в файл (*.txt и *.bin), графически отображать измеряемые сигналы «on-line», масштабировать графики.
Создан макет ЛИС с многофункциональным ОФПБ (рис. 14). Он состоит из платформы, на которой установлен двухкоординатный линейный шаговый двигатель (ЛШД) с ОФПБ, перемещающимся по двум координатам: продольно вдоль оси лазерного луча (координата Z) и поперечно (координата X). Разработана методика настройки и юстировки многофункционального ОФПБ ЛИС.
Для исследований «системы отражённого луча» был создан макет (рис. 15).
Проведены экспериментальные исследования нестабильностей ДНЛ. Положение энергетического центра ЛЗ зависит от прогрева и времени работы лазера, при этом имеет место дрейф энергетического центра относительно геометрического центра ЛЗ, который может меняться с течением времени и иметь амплитуду от 4 – 5 до 15 – 20 мкм (рис. 16).
Показано, что в ЛИС ДОК остаточная нестабильность ДНЛ мало зависит от фазы работы лазера и имеет размах 0,6 мкм (рис. 17). Коэффициент стабилизации ДНЛ составляет 10…30, и зависит от фазы работы лазера. Измерены амплитудные нестабильности лазеров, которые могут быть устранены применением СОЛ (рис. 18). В зависимости от типа лазера и условий его эксплуатации, амплитудная составляющая погрешности составляет 10 – 20 %.
Проведена экспериментальная апробация ОФПБ.
Предложена методика измерений и обработки результатов при помощи разработанной ВИС.
 Рис. 14. Макет ЛИС: 1 – плита; 2 – ЛШД; 3, 4 – приводы перемещений; 5, 18 – провода; 6 – контакты; 7, 15 – стойки; 8, 11, 14 – микрометрические планшеты; 9 – механизм углового разворота; 10 – триппель-призма; 12, 13 – ПЧФ; 16, 17 – оптические кубики; 19 – лазер; 20, 21, 22 – винты регулировки; 23 – основание блока лазера |  Рис. 15. Макет ЛИС СОЛ |
| Создана методика обработки результатов контроля положения и пространственного моделирования осей отверстий, реализованная в среде MathCAD (рис. 19), которая может быть интегрирована в действующие процессы. Погрешность лазерной системы контроля составляет 1 мкм. Адекватность математической модели ОПФБ ЛИС подтверждена методами прикладной статистики. |
 Рис. 16. Результаты измерений нестабильности энергетического центра лазерного зонда |  Рис. 17. Остаточная нестабильность после стабилизации в ЛИС ДОК |
 Рис. 19. Трёхмерная модель отверстия в кювете ГА с воспроизведением пространственного положения оси | |
 Рис. 18. Амплитудная нестабильность лазера |
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ:
1. Систематизированы и классифицированы разновидности ЛИС ДОК, предложены структурные и функциональные схемы их реализации для контроля качества изготовления узлов и деталей газоанализаторов.
2. Установлена зависимость результатов измерений от интенсивности излучения лазера и развиты математические методы анализа и синтеза ЛИС ДОК по погрешностям на с учётом данной зависимости.
3. Разработан способ повышения точности лазерных систем за счёт устранения влияния амплитудных флуктуаций лазерного излучения.
4. Предложена методика проектирования ЛИС ДОК, ЛИС СОЛ и их основных блоков.
5. Для ЛИС ДОК создана виртуальная измерительная система и разработано программное обеспечение сбора и обработки данных, учитывающее структуру, режимы работы и параметры лазерных систем контроля.
6. Предложены методы сбора, обработки данных и воспроизведения геометрических параметров отверстий в узлах и деталях ГА и реализующие их средства.
7. Основная цель – разработка ЛИС контроля качества деталей ГА с улучшенными метрологическими характеристиками – достигнута за счёт применения разработанных решений. Погрешность контроля составляет 1 мкм/м.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
- Патент РФ № 2196300. Веденов В.М., Сиротский А.А. Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений. Бюлл. № 1, 2003.
- Сиротский А.А. Повышение точности позиционных лазерных измерительных систем. // Электромагнитные волны и электронные системы, №12, 2008. – с. 72 – 74.
- Сиротский А.А. Лазерные измерительные системы с компенсацией амплитудных погрешностей измерений. // Электромагнитные волны и электронные системы, № 10, 2009, с. 54 – 58.
- Сиротский А.А., Дорохов И.Н., Володин В.М. Лазерные измерительные системы с двумя оптически обращёнными каналами и отражателем для контроля геометрии протяжённых нефтегазовых трубопроводов // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 7, 2008. – с. 29 – 31.
- Сиротский А.А. Программное и математическое обеспечение автоматизированных прецизионных лазерных измерительных систем с двумя оптически обращёнными каналами. // Известия МГТУ «МАМИ», №2, 2008. – с. 157 – 165.
- Сиротский А.А., Мурачёв Е.Г., Дорохов И.Н. Компьютеризированные средства автоматизации контрольно-измерительных операций на основе технологии LabVIEW. // Известия МГТУ «МАМИ», № 1, 2009. – с. 179 – 185.
- Сиротский А.А. Контроль отливок автоматизированными лазерными измерительными системами. // Литейщик России № 7 – 8, 2002. – с. 27 – 29.
- Веденов В.М., Сиротский А.А. Автоматизированный контроль осей отверстий деталей // Автомобильная промышленность, № 3, 2002. – с. 32 – 33.
- Антипенко В.С., Сиротский А.А. Повышение точности измерения введением обратной связи по интенсивности луча лазера // Автотракторное электрооборудование, № 6, 2004. – с. 37 – 41.
- Сиротский А.А., Антипенко В.С., Чижков Ю.П. Способы устранения влияния флуктуаций лазерных лучей на точность измерения размерных параметров // Грузовик, № 10, 2004. – с. 20 – 24.
- Сиротский А.А. Применение среды «Маткад» для автоматизированной обработки информации с лазерной измерительной системы и трехмерного визуального моделирования объектов контроля // Известия ТулГУ. Серия «Технологическая системотехника». Выпуск 9, Тула: ТулГУ, 2006. – с. 85 – 92.
- Сиротский А.А. Изучение автоматизированной лазерной измерительной системы. – М.: МГТУ «МАМИ», 2008, – 20 с.
- Харитонов В.И., Веденов В.М., Сиротский А.А. и др. Разработка автоматизированного комплекса контроля геометрических параметров технологического оборудования машиностроительного производства методами лазерных измерительных систем. Отчёт о НИР (промежуточный) по теме №201-97. М: МГТУ «МАМИ», 2000 г. 58 с.
- Харитонов В.И., Веденов В.М., Сиротский А.А. и др. Разработка автоматизированного комплекса контроля геометрических параметров технологического оборудования машиностроительного производства методами лазерных измерительных систем. Отчёт о НИР (окончательный) по теме №201-97. М: МГТУ «МАМИ», 2001 г. 93 с.
- Антипенко В.С., Харитонов В.И., Сиротский А.А., и др. Разработка адаптивных систем активного контроля геометрических параметров деталей в процессе их формообразования. Отчёт о НИР (окончательный) по теме №201Н-04. М: МГТУ «МАМИ», 2004 г. 108 с.
Подписано в печать 22.10.09. Формат 60х84/16. Объём 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ
Издательский центр МГУИЭ. 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4
