eng
Выпуск #5/2024
К. Епифанцев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ
Просмотры: 447
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.236.5.154.156
Исследовались лазерные сканирующие системы для измерения дефектов формы на примере деталей из дюралюминиевых и конструкционных сплавов.
Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность.
Исследовались лазерные сканирующие системы для измерения дефектов формы на примере деталей из дюралюминиевых и конструкционных сплавов.
Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность.
Теги: laser roundness meter laser sensor mathematical model shape defects дефекты формы лазерный датчик лазерный кругломер математическая модель
Исследование лазерных сканирующих систем для измерения дефектов формы
К. Епифанцев, к. т. н.
Описывается ряд экспериментов, проведенных за несколько лет в Физическом институте Академии наук им. П.Н.Лебедева, в лаборатории «Цифровой метрологии» ФГАОУВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» и в испытательной лаборатории АО «Бортовые аэронавигационные системы». Исследовались лазерные сканирующие системы для измерения дефектов формы на примере деталей из дюралюминиевых и конструкционных сплавов. Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Сравниваются результаты оптических и контактных измерений.
В условиях импортозамещения многие приборы для измерения дефектов формы нуждаются
в замене наиболее изнашиваемых компонентов, таких как контактные щупы, подшипники, кронштейны и т. д. В современных условиях по причине увеличения производственных мощностей предприятий такие элементы, как контактные щупы, изнашиваются более активно.
Процесс создания лазерного кругломера для исследования дефектов формы дорожек качения подшипников, применяемых в авиации, описан в [1, 2]. Данное исследование было взято за основной прототип будущей лазерной системы.
В экспериментах в Физическом институте Академии наук им. П.Н.Лебедева в 2023–2024 годах была применена PZS-линейка К1200ЦЛ-1, на которую через ряд фокусирующих линз, через объектив ГЕЛИОС 40-2 с фокусным расстоянием 85 мм падал луч, генерируемый диодным лазером ДМ-8-650 (рис. 1 и 2).
В результате проведения измерений было обеспечено четкое устойчивое положение осциллограммы в осциллографе. Осциллограмма перемещалась влево или вправо при перемещении детали микрометрическим винтом, что позволяет говорить о применимости данного метода к определению дефекта формы.
Результаты отклонения осциллограммы при постепенном движении детали из дюралюминия представлены на рис. 3 и 4.
Далее аналогичный эксперимент был осуществлен с конструкционной сталью. Результат представлен на рис. 5.
В результате четырех серий экспериментов и нескольких десятков итераций, была получена натурная и математическая модель импортозамещенного лазерного датчика кругломера, который может быть использован не только для кругломеров, но и, при тщательной фильтрации, для измерения контура и шероховатости [3].
В процессе проведения исследования было выявлено, что датчик должен иметь ряд высокопроизводительных фильтров для аппроксимации сигнала и борьбы с алиасингом – наложением помех в борьбе с засвечиванием, так как было отмечено, что при приближении посторонних световых бликов к лазеру изменяется пространственная картина распределения волнового поля. Это в свою очередь приводит к изменению показаний, поэтому необходимо применять блок коррекции.
За два года в ГУАП были разработаны программы для ЭВМ (рис. 6), которые используются для преобразования оптических сигналов в графические модули [4–7]. Представленный программный продукт в комплекте с прибором – вращающимся столом с установленной деталью, штативом с закрепленным лазером – позволяет производить преобразование Фурье с входных сигналов, которые при отражении от объекта улавливает светоприемное устройство лазера. В результате было выявлено, что лучшим образом с данной задачей справляется PZS-линейка. Ранее эксперименты были проведены в ФИАН им. П.Н. Лебедева. В результате экспериментов было установлено, что успешно собранная в ФИАН установка позволяет дополнительно снижать помехи, создаваемые естественным освещением, теневыми эффектами.
Программа в комплексе с преобразованием Фурье позволяет выводить на экран персонального компьютера результаты фильтрованного усредненного лазером сигнала о дефекте формы детали и выявлять его (речь идет о таких дефектах, как конусообразность, седлообразность, биение). Расстояние от точки нахождения лазера до детали определяется в милливольтах с применением стандартного мультиметра. При создании программы использовался ряд функций Бесселя (1–3)
exp[(t–α2 t–1)]=∑∞n=–∞()n Jn(αz) =
= J0(αz)+∑n=1∞ Jn(αz)[(()n+()–n )], (1)
Применяя теорему о вычетах к формуле (1), получаем:
2πiJn(αz) = αn ∫CZ t–n–1 exp[(t – ) ]dt, n=0,1,2,… (2)
Здесь C является любым простым замкнутым контуром в плоскости t, охватывающим начало координат. Если положить в равенстве (2) α = 1 и выбрать в качестве C единичную окружность с центром в начале координат, t = eiφ, то получаем:
2πJn(αz) = ∫02π ei(z sinφ–nφ) dφ = 2 ∫0π cos (z sinφ – nφ)dφ,
n=0,1,2,… (3)
Таким образом, в процессе исследования были выявлены оптимальные параметры и последовательности установки оптического оборудования для проведения бесконтактных измерений дефектов формы твердотельных деталей. Были отмечены разностные результирующие при сканировании детали из конструкционной стали и детали из дюралюминия. Был подобран ряд объективов, АЦП для оцифровки показаний и трансформации их в осциллограмму. Программные продукты обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя, которые были ранее разработаны и применены в качестве адаптирующего луч программного ПО позволили вывести показания на более удобный интерфейс на ноутбук, что имеет альтернативу осциллографу.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е.А., Епифанцев К.В., Ефремов Н.Ю. Цифровая метрология: учеб.-метод. пос. СПб: ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А., Манухин А.В., Ростов А.А. Экспериментальный лазерный кругломер, исследование основной погрешности // Известия Самар. науч. центра Российской академии наук. 2017. Т. 19, № 6. С. 184–188.
Епифанцев К.В., Петров Г.А., Белопухов В.Н., Заякин О.А. Исследование возможности применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение. 2024. Т. 3, № 1. С. 63–76.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023612860 «Программа для визуализации и подсчета результатов измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей оптическими методами», К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 08 февраля 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023616324 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью преобразования Фурье для измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей»,
К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 24 марта 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023664436 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя для измерения дефектов формы, месторасположения и биения», К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 05 июля 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2024611413 «Программа для адаптации измерений дефектов формы при преобразовании частотных и емкостных параметров электрической цепи». К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 22 января 2024 г.
К. Епифанцев, к. т. н.
Описывается ряд экспериментов, проведенных за несколько лет в Физическом институте Академии наук им. П.Н.Лебедева, в лаборатории «Цифровой метрологии» ФГАОУВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» и в испытательной лаборатории АО «Бортовые аэронавигационные системы». Исследовались лазерные сканирующие системы для измерения дефектов формы на примере деталей из дюралюминиевых и конструкционных сплавов. Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Сравниваются результаты оптических и контактных измерений.
В условиях импортозамещения многие приборы для измерения дефектов формы нуждаются
в замене наиболее изнашиваемых компонентов, таких как контактные щупы, подшипники, кронштейны и т. д. В современных условиях по причине увеличения производственных мощностей предприятий такие элементы, как контактные щупы, изнашиваются более активно.
Процесс создания лазерного кругломера для исследования дефектов формы дорожек качения подшипников, применяемых в авиации, описан в [1, 2]. Данное исследование было взято за основной прототип будущей лазерной системы.
В экспериментах в Физическом институте Академии наук им. П.Н.Лебедева в 2023–2024 годах была применена PZS-линейка К1200ЦЛ-1, на которую через ряд фокусирующих линз, через объектив ГЕЛИОС 40-2 с фокусным расстоянием 85 мм падал луч, генерируемый диодным лазером ДМ-8-650 (рис. 1 и 2).
В результате проведения измерений было обеспечено четкое устойчивое положение осциллограммы в осциллографе. Осциллограмма перемещалась влево или вправо при перемещении детали микрометрическим винтом, что позволяет говорить о применимости данного метода к определению дефекта формы.
Результаты отклонения осциллограммы при постепенном движении детали из дюралюминия представлены на рис. 3 и 4.
Далее аналогичный эксперимент был осуществлен с конструкционной сталью. Результат представлен на рис. 5.
В результате четырех серий экспериментов и нескольких десятков итераций, была получена натурная и математическая модель импортозамещенного лазерного датчика кругломера, который может быть использован не только для кругломеров, но и, при тщательной фильтрации, для измерения контура и шероховатости [3].
В процессе проведения исследования было выявлено, что датчик должен иметь ряд высокопроизводительных фильтров для аппроксимации сигнала и борьбы с алиасингом – наложением помех в борьбе с засвечиванием, так как было отмечено, что при приближении посторонних световых бликов к лазеру изменяется пространственная картина распределения волнового поля. Это в свою очередь приводит к изменению показаний, поэтому необходимо применять блок коррекции.
За два года в ГУАП были разработаны программы для ЭВМ (рис. 6), которые используются для преобразования оптических сигналов в графические модули [4–7]. Представленный программный продукт в комплекте с прибором – вращающимся столом с установленной деталью, штативом с закрепленным лазером – позволяет производить преобразование Фурье с входных сигналов, которые при отражении от объекта улавливает светоприемное устройство лазера. В результате было выявлено, что лучшим образом с данной задачей справляется PZS-линейка. Ранее эксперименты были проведены в ФИАН им. П.Н. Лебедева. В результате экспериментов было установлено, что успешно собранная в ФИАН установка позволяет дополнительно снижать помехи, создаваемые естественным освещением, теневыми эффектами.
Программа в комплексе с преобразованием Фурье позволяет выводить на экран персонального компьютера результаты фильтрованного усредненного лазером сигнала о дефекте формы детали и выявлять его (речь идет о таких дефектах, как конусообразность, седлообразность, биение). Расстояние от точки нахождения лазера до детали определяется в милливольтах с применением стандартного мультиметра. При создании программы использовался ряд функций Бесселя (1–3)
exp[(t–α2 t–1)]=∑∞n=–∞()n Jn(αz) =
= J0(αz)+∑n=1∞ Jn(αz)[(()n+()–n )], (1)
Применяя теорему о вычетах к формуле (1), получаем:
2πiJn(αz) = αn ∫CZ t–n–1 exp[(t – ) ]dt, n=0,1,2,… (2)
Здесь C является любым простым замкнутым контуром в плоскости t, охватывающим начало координат. Если положить в равенстве (2) α = 1 и выбрать в качестве C единичную окружность с центром в начале координат, t = eiφ, то получаем:
2πJn(αz) = ∫02π ei(z sinφ–nφ) dφ = 2 ∫0π cos (z sinφ – nφ)dφ,
n=0,1,2,… (3)
Таким образом, в процессе исследования были выявлены оптимальные параметры и последовательности установки оптического оборудования для проведения бесконтактных измерений дефектов формы твердотельных деталей. Были отмечены разностные результирующие при сканировании детали из конструкционной стали и детали из дюралюминия. Был подобран ряд объективов, АЦП для оцифровки показаний и трансформации их в осциллограмму. Программные продукты обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя, которые были ранее разработаны и применены в качестве адаптирующего луч программного ПО позволили вывести показания на более удобный интерфейс на ноутбук, что имеет альтернативу осциллографу.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е.А., Епифанцев К.В., Ефремов Н.Ю. Цифровая метрология: учеб.-метод. пос. СПб: ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А., Манухин А.В., Ростов А.А. Экспериментальный лазерный кругломер, исследование основной погрешности // Известия Самар. науч. центра Российской академии наук. 2017. Т. 19, № 6. С. 184–188.
Епифанцев К.В., Петров Г.А., Белопухов В.Н., Заякин О.А. Исследование возможности применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение. 2024. Т. 3, № 1. С. 63–76.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023612860 «Программа для визуализации и подсчета результатов измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей оптическими методами», К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 08 февраля 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023616324 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью преобразования Фурье для измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей»,
К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 24 марта 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023664436 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя для измерения дефектов формы, месторасположения и биения», К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 05 июля 2023 г.
Свидетельство о регистрации государственной программы на ЭВМ № 2024611413 «Программа для адаптации измерений дефектов формы при преобразовании частотных и емкостных параметров электрической цепи». К.В. Епифанцев, A.Э. Егоров, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 22 января 2024 г.
Отзывы читателей
