Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор методов и средств измерения геометрии деталей и поверхностей 9
1.1. Классификация и сравнительные характеристики лазерных датчиков для измерения геометрических размеров и контроля дефектов 9
1.2. Лазерные дефектоскопы 21
1.3. Теневые методы измерения геометрических размеров... 31
1.3.1. Измерение малых размеров дифракционным методом... 31
1.3.2. Анализ практических решений реализаций теневого метода измерений 34
1.3.3. Исследование влияния аппроксимации края изображения и параметров лазерного излучения на точность измерений 39
1.3.4. Проблемы теневого метода измерений 42
1.4. Триангуляционные методы измерения геометрических размеров 44
1.4.1. Конструктивные особенности приборов 44
1.4.2. Влияние на точность измерений формы и ориентации поверхности 49
1.4.3. Пути повышения точности измерений триангуляционным методом 53
1.5. Анализ причин, ограничивающих достижение высокой точности, и постановка задачи исследований диссертационной работы 58
Глава II. Исследование влияния факторов, ограничивающих достижение высокой точности измерений бесконтактными лазерными методами 62
2.1. Влияние нестабильности мощности лазерного излучения и времени экспозиции на точность измерений теневым методом в приборах с оптической разверткой 62
2.2. Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах 69
2.3. Исследование флуктуации коэффициента отражения светоделителя в системе стабилизации мощности лазерного излучения 75
2.4. Экспериментальное исследование влияния флуктуации положения плоскости поляризации лазерного излучения на коэффициент деления светоделителя на кварцевой пластине 83
2.5. Пути повышения эффективности стабилизации мощности газовых лазеров 89
2.6. Флуктуации параметров и особенности использования полупроводниковых лазеров в триангуляционных измерителях 92
2.7. Влияние формы и ориентации поверхности на точность измерения триангуляционным методом при использовании поляризованного лазерного излучения 99
2.8. Влияние шероховатости измеряемой поверхности на точность измерения расстояния триангуляционным
методом 108
2.9. Основные принципы повышения точности триангуляционных измерителей 119
2.10.Выводы 122
Глава III. Разработка методов и узлов, позволяющих повысить точность измерений бесконтактными лазерными методами 125
3.1. Активные методы стабилизации мощности лазеров 125
3.2. Светоделители, неселективные к флуктуациям плоскости поляризации лазерного излучения 134
3.3. Фотоприемные устройства с компенсацией влияния температуры 142
3.4. Повышение долговечности и надежности работы полупроводникового лазера 148
3.5. Выбор оптимальных режимов работы лазерного триангуляционного измерителя при контроле геометрии поверхности 150
З.б.Электронная компенсация оптических искажений в лазерных измерителях на фотолинейке ПЗС 161
3.7. Выводы 170
Глава IV. Описание разработанных приборов 172
4.1. Измерение параметров колесных пар подвижного состава во время движения 172
4.2 Устройства стабилизации мощности лазерного излучения 181
4.3 Измерение параметров пружин рессорной подвески вагонов 189
4.3.1. Технология процесса измерения 190
4.3.2. Конструкция и технические характеристики стенда для испытания пружин 195
4.3.3. Компьютерное управление и обработка информации 200
Основные результаты и выводы 202
Приложение 209
Список литературы
- Исследование влияния аппроксимации края изображения и параметров лазерного излучения на точность измерений
- Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах
- Светоделители, неселективные к флуктуациям плоскости поляризации лазерного излучения
- Измерение параметров пружин рессорной подвески вагонов
Введение к работе
На машиностроительных заводах при контроле и ремонте транспортных средств, а также в других областях науки и техники создалось положение, когда, выпуская сложную, уникальную аппаратуру, осуществляя ремонт ответственных узлов, контроль геометрических параметров основных базовых деталей осуществляется в основном с помощью рулеток, шаблонов, штангенциркулей и других контактных ручных средств.
Применение таких контактных средств не только не обеспечивает необходимой точности и оперативности измерений, но и в некоторых (Щ) случаях делает их невозможными. Отсюда возникает невысокая точность
изготовления, приводящая к снижению эксплутационных показателей. С другой стороны, появились высокотехнологичные оптоэлектронные приборы, позволяющие создавать высокоэффективные бесконтактные измерители, снижающие погрешности, характерные для традиционной измерительной техники. Особое место среди них занимают бесконтактные лазерные измерители.
В настоящее время наиболее широко для измерения геометрии поверхностей применяются методы: лазерной дефектоскопии теневой и триангуляционный. Их совокупность дает возможность определить качество
обработки поверхности, ее дефекты, контуры деталей, а также профиль поверхности изделия. Однако массовое применение их ограничено. Этому способствует ряд причин. Для лазерных дефектоскопов максимально достижимая точность измерений определяется флуктуациями мощности излучения лазера. При использовании теневого метода возникают ограничения, связанные с быстродействием, размерами рабочей зоны и синхронизацией результатов измерений нескольких измерителей. Лазерные триангуляционные измерители развиваются наиболее активно ( «РИФТЭК» ф Беларусь; КТИ НП СО РАН, Россия; "MTI Instruments Inc.", США; "MEL",
Германия; "Кеуепсе", Великобритания ), однако их массовое применение ограничено. Причина этого в том, что производители рассчитывают работу своих приборов с поверхностями, имеющими равномерное рассеяние и расположенными ортогонально зондирующему лазерному пучку. Реальная поверхность всегда шероховата, может иметь царапины, ржавчину, следы обработки, отверстия. В результате прибор, рассчитанный на погрешность 10-50 мкм, дает погрешность миллиметры.
Таким образом, комплексное решение вопросов, способствующее повышению точности измерений лазерных дефектоскопов, теневых и триангуляционных измерителей, является актуальной научно - технической проблемой, имеющей важное практическое значение.
В работе дан сравнительный анализ различных лазерных методов измерения, описаны принципы создания и характеристики бесконтактных лазерных измерителей. В ней рассмотрены вопросы применения конкретных лазеров, фотоприемных устройств, телевизионных камер, оптических систем. Освещены условия эффективного использования лазеров. Рассмотрены бесконтактные лазерные измерители, используемые для контроля на железнодорожном транспорте, а также при ремонте машин и подвижного состава на железной дороге.
В работе поставлена цель разработать и исследовать методы и средства, позволяющие создать высокоточные лазерные измерители качества поверхности, измерители контурных размеров сложных крупногабаритных деталей, лазерные триангуляционные измерители, способные работать на поверхностях с различной шероховатостью, имеющих сложную форму и локальные дефекты.
В процессе измерения участвуют лазер, поверхность объекта и фотоприемное устройство с оптической системой. Каждый из них может вносить погрешность в процесс измерения.
Исследовано влияние параметров лазерного излучения, формы
ф измеряемой поверхности и ее шероховатости, а также параметров
фотоприемного устройства на точность измерений. Предложены методы и средства, способные снизить это влияние.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Закономерности влияния на точность и стабильность работы активных систем стабилизации мощности газоразрядных лазеров флуктуации поляризационного соотношения. Показано, что флуктуации поляризационного соотношения вызывают значительные изменения коэффициента отражения светоделителя, что существенно снижает эффективность работы систем стабилизации мощности.
2. Установленный факт влияния флуктуации мощности лазерного излучения на точность измерений в устройстве, использующем теневой лазерный метод с оптической разверткой. Предложен способ компенсации этого влияния, позволяющий при использовании стабильного светоделителя повысить точность измерения.
3. Математическая модель, описывающая влияние формы и ориентации поверхности на точность измерений триангуляционным методом. Модель позволяет вычислить смещение координаты центра пятна при деформации
/ индикатрисы рассеяния локальными изменениями формы поверхности.
4. Методы конструирования и использования лазерных триангуляционных измерителей, работающих с шероховатыми поверхностями, заключающиеся в :
- расположении плоскости триангуляции ортогонально к направлению штрихов обработки с целью повышения точности измерений деталей со следами обработки, имеющих упорядоченную деформацию поверхности;
- использовании зондирующего лазерного пучка с круговой поляризацией с целью повышения наибольшей равномерности распределения индикатрисы рассеяния, обеспечивающей наивысшую точность определения координат центра пятна зондирующего лазерного
излучения при измерении поверхностей, имеющих анизотропную и изотропную шероховатость.
5. Метод определения параметров триангуляционного измерителя и границы его применимости при работе на поверхностях с различной шероховатостью на основе приведенной в работе математической модели.
6. Показано, что изменение тока лазерного диода, происходящее от изменения температуры, влияет на распределение интенсивности мощности по изображению пятна зондирующего лазерного излучения на многоэлементном фотоприемнике, приводящее к изменению координаты центра тяжести пятна и являющееся одним из физических ограничений достижения высокой точности измерений триангуляционным методом.
Исследование влияния аппроксимации края изображения и параметров лазерного излучения на точность измерений
Теневые методы измерения геометрических параметров основаны на определении границ тени от измеряемого объекта на фотоприемном ( устройстве. Изображение тени от края плоского объекта хорошо изучено в [55].
В большинстве случаев измеряемые объекты имеют определенную толщину. Ее влияние на точность измерений показано в [56]. В качестве объекта в большинстве случаев служит объемный, абсолютно поглощающий край полуплоскости. Анализ полей в предельных случаях выявил условия, когда объемные эффекты выражены сильно и когда ими можно пренебречь. За основу анализа принят метод эквивалентных диафрагм. Из анализа выражения для спектра объемного края получено, что случай, когда объемные эффекты выражены слабо, соответствует N »1 (N = 0кр / о; кР критический уровень дифракции; о - половина угловой апертуры оптической системы). Влияние толщины объекта проявляется в смещении его изображения на величину, пропорциональную размеру зоны Френеля. Значительно сильнее объемные эффекты проявляются при N « 1.
Полученные в [56] результаты позволяют учитывать влияние толщины объема (объекта) на точность измерений. Точность определения границ свет - тень определяется алгоритмом обработки сигнала с фотолинейки.
Алгоритм определяет положение края объекта по превышению уровня дч сигнала на і пикселе заданного порогового уровня. После определения краев объекта по номерам пикселов проводится вычисление геометрических параметров объекта. В этом случае координата края определяется с точностью до одного пиксела, а общая точность измерений составит д I п, где д - диапазон измерения; п - число пикселов фотолинейки. Во многих случаях такой точности недостаточно. Точность можно значительно повысить, используя аппроксимацию распределения интенсивности на фотолинейке. В работе [33] используется линейная аппроксимация распределения интенсивности, а координата края определяется x = x0 + (Uo-B)/A, Погрешность аппроксимации при использовании для аппроксимации 5 отсчетов составила не более ± 5,8 мкм.
В [57] показано влияние размера протяженного монохроматического источника на теневую картину. Увеличение размера протяженного монохроматического источника приводит к росту интенсивности контурного изображения по сравнению со случаем точечного источника такой же мощности. Контраст контура изображения при этом падает незначительно, а уровень боковых лепестков слабо вырастает. Увеличение ширины спектра также оказывает очень слабое влияние на рост расстояния между максимумами основных лепестков и контраст контура.
Измеряемые объекты имеют отверстия, края объектов могут иметь микродефекты и просто значительную шероховатость. Наличие локального дефекта приводит к существенному изменению структуры дифракционной картины [42,43,44,45,58] в виде дополнительной модуляции, что, в свою очередь, приводит к снижению точности измерений. Модуляция интенсивности зависит от размеров дефекта. Она характеризуется абсолютной погрешностью измерения размера Sa= dV І (і(аДСф/а), где V-глубина модуляции, адеф - размер дефекта, а - диаметр отверстия. Чувствительность для отверстия с острыми углами почти в 10 раз больше максимума чувствительности для отверстия без дефектов. Наличие микродефекта в отверстии вызывает интерференцию излучения, рассеянного объектом. Модуляция интенсивности носит четко выраженный локальный характер. Эти явления необходимо учитывать при создании точных теневых измерителей, способных работать в цеховых условиях с деформированными объектами, имеющими неровные края и отверстия.
В работе [42] приведены зависимости, позволяющие оценить погрешность дифракционного метода и осуществить ее минимизацию, проводя оптимальный выбор диаметра лазерного пучка и выравнивая освещенность максимумов дифракционной картины.
Исследование влияния модового состава [59] показало, что ,, нецелесообразно применять многомодовые лазеры, когда размеры измеряемых изделий равны или больше интервала корреляции. В случае, если размеры измеряемых изделий меньше интервала корреляции, результат измерения не зависит от положения измеряемого изделия в поперечном сечении пучка. У гелий-неоновых лазеров в многомодовом режиме интервал корреляции лежит в пределах 100 - 150 мкм. Измеряемое изделие может иметь отверстия или выступающие части подобных размеров. Чаще всего это резьба. При измерении таких изделий, для которых v/a 1 (v - ширина щели; интервал корреляции) необходимо увеличивать сечение лазерного пучка,
В исследованиях [59] намечены пути уменьшения погрешности измерения изменение размера поперечного сечения пучка, переход при измерении на дальние дифракционные порядки, использование одномодового излучения.
Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах
В измерительных приборах и системах наиболее широко используются газоразрядные и полупроводниковые лазеры. Это обусловлено их ценой, компактностью, а также тем, что они перекрывают весь спектр длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов.
В связи с этим будет рассмотрено влияние флуктуации параметров излучения газоразрядных и полупроводниковых лазеров на работу измерителей геометрических параметров.
Как было показано в 2.1., нестабильность мощности является причиной, ограничивающей точность измерения в лазерных дефектоскопах и в измерителях, использующих теневой метод с оптической разверткой. Для повышения стабильности используются пассивные и активные методы. Пассивные включают в себя оптимизацию режимов работы лазера. Активные методы предполагают непосредственное измерение мощности излучения и влияние на нее с целью стабилизации. При помощи пассивных методов удавалось достичь уровня 1-3% [86]. Дальнейшее снижение нестабильности мощности возможно при использовании активных методов стабилизации, базирующихся на создании различных систем стабилизации мощности (ССМ). Различные ССМ рассматривались и ранее, но, несмотря на схожесть средств и методов, результаты различных авторов получались не одинаковые [87]. Недостаточно исследовано влияние флуктуации параметров лазерного излучения на точность ССМ.
Рассмотрим влияние этих факторов на работу ССМ с целью выяснения требований к отдельным узлам, позволяющим создать более высокостабильные источники лазерного излучения.
Спектр флуктуации мощности излучения непрерывных газоразрядных лазеров довольно широк и перекрывает диапазон от нуля до сотен килогерц. Наибольшая относительная нестабильность наблюдается в диапазоне 0 - 0,5 Гц [88].
При построении системы стабилизации мощности необходимо знать влияние на работу ССМ величины нестабильности, частотного диапазона флуктуации, зависимости от прогрева, зависимости от типа прибора, величины и частотного диапазона высокочастотных флуктуацией. В зависимости от этих параметров ставятся требования к системе стабилизации в целом и отдельным ее частям.
Рассмотрим эти факторы с целью выяснения их влияния на работу ССМ и уточнения требований к отдельным узлам [89].
Измерения нестабильности мощности излучения (рис.2.6) проводились в соответствии с ГОСТ 25786-83 компенсационным методом, регистрировались самописцем и проводились при наличии ССМ и при ее отсутствии, т.е. излучение лазера I поступало непосредственно на контрольный фотоприемник 7, минуя элементы 2 и 3. Ток разряда активных элементов стабилизировался с относительной погрешностью 10", изменения параметров окружающей среды были минимальными, например, изменения температуры в помещении составляли не более 2 - 3С. Измерения многократно повторялись. Причиной нестабильности мощности излучения являлось изменение параметров лазера в процессе разогрева током разряда. Основу активной ССМ излучения лазера составил акустооптический модулятор (АОМ). Измерения нестабильности мощности излучения осуществлялись с промышленными приборами различных типов ЛГ-79, ЛГН-203, ГН118, ГН-25, ГН-15, ГЛ-106, ГКЛ-40, ЛГН-207А, ЛГН-203, ЛГН ) Использовалось несколько приборов каждого типа.
Нестабильность мощности излучения всех перечисленных выше приборов типа ЛГ характеризуется флуктуациями и дрейфом, при этом встречаются резкие выбросы. Некоторые зависимости приведены на рис. 2.7. Значения нестабильности мощности излучения для ряда приборов приведены в таблице 2.1. Включение ССМ, приведенной на рис. 2.6, в случае приборов ЛГН-203 практически не снижает нестабильность мощности излучения. В случае приборов ЛГ-106, ГН118, имеющих примерно такую же величину и такой же характер нестабильности мощности излучения, включение данной ССМ позволяет в 5 -10 раз снизить флуктуации и дрейф мощности лазерного излучения.
Светоделители, неселективные к флуктуациям плоскости поляризации лазерного излучения
Экспериментально изменение коэффициента отражения светоделителя изучалось с помощью установки, представленной на рис. 2.13. Пучок излучения маломощного He-Ne лазера 1 проходил через светоделительную пластину 2 из плавленого кварца толщиной 7 мм, установленную под углом 45 град. Отраженный и прошедший пучки регистрировались двумя идентичными ФПУ 3 и 4. Выходы последних через коммутатор 5 подключались к регистрирующему устройству - дифференциальному вольтметру В8-8 6 и самописцу Н391 7. Как видно из рис. 2.14, между сигналами с ФПУ, регистрирующих отраженное и прошедшее излучение, совершенно отсутствует корреляционная зависимость. Можно даже отметить противофазность изменений кривых 1 и 2. Такое поведение кривых указывает на правильность высказанного предположения о флуктуациях коэффициента отражения пластины и соответствует выражениям (2.10) и (2.11).
Для доказательства правильности эксперимента светоделительная пластина в схеме на рис. 2.13 была заменена фотометрической сферой. Фотоприемники располагались в специально проделанных в сфере отверстиях. В этом случае разность показаний двух ФПУ составила не более 0,2% (рис. 2.16). При замене лазера лампой накаливания, размещенной внутри фотометрической сферы и питаемой источником стабильного тока, разность показаний ФПУ составила сотые доли процента (рис. 2.15). Таким образом, экспериментальные результаты показывают, что причиной различия в сигналах ФПУ отраженного и прошедшего излучения являются флуктуации коэффициента отражения светоделителя. Так как интерференция отраженных лучей была устранена за счет выбора достаточно толстой светоделительной пластины, то было сделано предположение, что флуктуации коэффициента отражения в данном случае связаны с флуктуациями состояния поляризации излучения лазера. Поскольку приведенное на рис. 2.9 поведение коэффициента отражения наблюдалось и при искусственной разъюстировке резонатора, то причину колебаний состояния поляризации следует связать, в первую очередь, с колебаниями оси диаграммы направленности излучения лазера
Для дальнейшей проверки предположения о причине флуктуации коэффициента отражения определялось различие мощностей пропущенного и отраженного пучков при изменении угла падения 0. Для этого пучок излучения лазера ГН-15 направлялся на светоделительную пластину таким образом, чтобы вектор поляризации лазерного излучения был ортогонален плоскости падения. Отраженный и прошедший пучки регистрировались двумя идентичными ФПУ, сигналы с которых сравнивались, а разностный сигнал регистрировался дифференциальным вольтметром В8-8. На рис.2.17, кривая 1, представлена теоретически рассчитанная из (2.18) разность Rp-Rs- Кривая близка по форме дУ 50 t. 10 20 30 40 к экспериментально измеренной кривой ( рис. 2.17.). Это подтверждает высказанное предположение, что причиной флуктуации коэффициента отражения светоделителя являются колебания поляризации излучения.
Относительное изменение сигналов двух ФПУ при использовании фотометрической сферы Флуктуации оси диаграммы направленности и, соответственно, компонентов вектора Е могут происходить в различных направлениях в зависимости от конструкции резонатора лазера. Вследствие этого определялось различие в сигналах ФПУ, регистрирующих прошедшее и отраженное излучения, при нескольких взаимных ориентациях направления поляризации и плоскости падения. Схема экспериментальной установки аналогична описанным выше. Угол падения был фиксированным и равным 27 град. На рис. 2.18; 2.19 представлены разности сигналов с ФПУ для двух типов лазеров с различными конструкциями резонатора ЛГ-79-2 и ЛГ-106 для случаев, когда вектор поляризации был параллелен плоскости падения (а) и ортогонален к yw ней - (б). Нестабильность коэффициента отражения резко различается для разных взаимных ориентации вектора поляризации и плоскости падения. Так, для ГЛ-106 (рис. 2.19) нестабильность коэффициента деления при взаимно ортогональном расположении вектора поляризации и плоскости падения была в несколько раз меньше, чем при параллельном. К тому же во втором случае дисперсия значительно больше, чем в первом. Подобный результат получен и на других приборах этого типа.
Измерение параметров пружин рессорной подвески вагонов
Использование светоделительной пластины со специальным диэлектрическим напылением дает хороший результат (0,15%) при специальном отборе пластин, что объясняется несовершенством технологии напыления.
Опытные образцы устройства внедрены в составе установки для определения качества поверхности керамических деталей на предприятии МНПО «Спектр». Они обеспечивают стабильность мощности излучения лазерного пучка при измерении оптических свойств объекта измерения. В результате расширилась возможность контрольно-измерительной аппаратуры, повысилась ее обнаружительная способность. Устройство позволило повысить скорость и точность контроля качества поверхностей, а также увеличить процент выхода годных изделий за счет повышения точности и достоверности измерений.
Сдерживающим фактором применения такого устройства стабилизации мощности является его высокая стоимость, определяемая ценой акустооптического модулятора. Для расширения возможностей применения был разработан новый регулирующий элемент на основе пластины со специальным напылением, установленной на шаговом двигателе. Пластина имеет зависимость коэффициента пропускания от угла падения, близкую к линейной (рис.4.7). пучка.
Шаговый двигатель работает в микрошаговом режиме, что позволяет получить дискретность по углу около 0,1 градуса. Остальные элементы устройства, кроме блока, формирующего микрошаговый режим и регулирующего элемента, аналогичны описанным выше. Долговременная стабильность мощности излучения, поддерживаемая такой системой стабилизации, незначительно отличается от нестабильности мощности излучения, получаемой с акустооптическим модулятором. Возможность подавления шумов у системы стабилизации на шаговом двигателе значительно ниже, так как ее быстродействие не превышает 0,1 сек. Однако для ряда применений этого вполне достаточно. Малые габариты (рис.4.8), вес и стоимость делают ее удобной для применения в метрологических целях. Применение УСМ-1 в составе установки, предназначенной для аттестации газо-хроматического комплекса, разработанной во ВНИИМ, позволило упростить схему измерений, повысить точность и достоверность измерений. Для этой же цели указанное устройство использовалось при метрологических исследованиях, проводимых во ВНИИОФИ по разработке и созданию Государственного первичного спектрорадиометрического эталона.
Особое место устройство стабилизации мощности занимает при контроле качества поверхности и величины шероховатости роликов буксовых подшипников, где обнаружительная способность и точность измерений напрямую связана со стабильностью зондирующего лазерного пучка. Разработанное устройство стабилизации мощности будет применено в составе автоматизированной системы контроля тележек грузовых вагонов в Сасовском вагоноремонтном депо.
Пружины - широко применяемый элемент на железнодорожном транспорте, требующий систематического контроля. Диапазон диаметров используемых пружин составляет от 100 до 330 мм. Технические условия на ремонт требуют проверки геометрических и силовых параметров пружин .
Качество работ при деповском ремонте вагонов определяется уровнем контроля и измерений параметров восстанавливаемых деталей. В настоящее время это производится вручную с помощью шаблонов. Измерение параметров пружин грузовых и пассажирских вагонов осуществляется калибром, угольником и штангенциркулем. Очевидно, что при такой технологии на точность измерений влияет человеческий фактор, а на работу с большим количеством шаблонов затрачивается много времени.
Проведенный анализ геометрических параметров пружин выявил возможность применения бесконтактных лазерных методов для их измерения. Сочетание проекционного (теневого) и триангуляционного способов позволяет удовлетворить все требования по контролю параметров пружин.
Похожие диссертации на Лазерные методы и средства измерения геометрии поверхностей сложной формы
