eng
Выпуск #7/2024
К. Епифанцев, О. Заякин, Е. Фролова
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ ЛАЗЕРНЫМИ СКАНИРУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ ЛАЗЕРНЫМИ СКАНИРУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ
Просмотры: 405
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.238.7.130.136
Рассматривается возможность использования оптического датчика лазерного типа, имеющего предварительную систему преобразования, как альтернативы контактного щупа на кругломере RoundTest RA-120p. Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность.
Рассматривается возможность использования оптического датчика лазерного типа, имеющего предварительную систему преобразования, как альтернативы контактного щупа на кругломере RoundTest RA-120p. Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность.
Теги: bessel functions fourier transform laser-type optical sensor оптический датчик лазерного типа преобразование фурье функции бесселя
Метод измерения дефектов формы лазерными сканирующими системами
К. Епифанцев, к.т.н.1, О. Заякин, к.т.н.2, Е. Фролова, д.т.н.3
Оптический датчик лазерного типа, имеющий предварительную систему преобразования, был использован как альтернатива контактного щупа на кругломере RoundTest RA-120p. 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», в испытательной лаборатории АО «Бортовые аэронавигационные системы». Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Проведено сравнение результатов оптических
и контактных измерений.
В условиях импортозамещения многие приборы нуждаются
в замене наиболее изнашиваемых компонентов, таких как контактные щупы, подшипники, кронштейны и т. д. В современных усло-
виях по причине увеличения производственных мощностей предприятий, такие элементы, как контактные щупы, изнашиваются более активно.
В настоящее время на кругломерах для организации контроля дефектов формы используются контактные щупы, которые из-за несовершенства поверхности детали могут изнашиваться, ломаться и терять первоначальную огранку. Кроме того, на ряд кругломеров – приборов для измерения дефектов формы, из-за санкций сложно приобрести контактные щупы зарубежного производства. Поэтому были приняты попытки разработать отечественный бесконтактный датчик для проведения измерения дефектов формы.
В исследованиях применяются элементы когерентной оптики, методы вывода информации после цифровой обработки сигналов, моделирование программных модулей для вывода данных на ПК.
Используя выходные данные с лазерного триангулятора, лазерного дальномера и ПЗС-линейки, провести измерение дефектов формы на деталях из различных материа-
лов с помощью бесконтактного метода. Для этого необходимо решить ряд задач: разработать метод измерения дефекта формы лазерным датчиком с активным откликом на осциллограмме, выявить зависимость точности измерения от различных материалов детали, получить четкий перечень оборудования, пригодного для данных измерений, выявить соотношение между движением микрометрического винта и колебаниями осциллограммы.
В результате экспериментов сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Сравнены результаты оптических измерений с контактными, разработан метод измерения дефекта формы
лазерным датчиком с активным откликом на осциллограмме на ПЗС-линейке, лазерном интерферометре,
лазерном дальномере, выявлена зависимость по вариа-
ции ФЧХ от различных материалов детали. Результаты могут применяться для создания отечественных бесконтактных датчиков для кругломеров, профилометров, 3D-сканеров и других приборов для бесконтактного
измерения дефектов формы.
В исследовании [1, 2] описан процесс проектирования лазерного кругломера для исследования дефектов формы деталей приборных подшипников. Прибор основан на методе триангуляции. Данное исследование было взято за прототип для одного из основных датчиков будущей системы.
В ходе экспериментов в Самарском филиале
Физического института Российской академии наук
им. П. Н. Лебедева в 2023–2024 годах высоко-коллимированный луч, генерируемый диодным лазером DM8-650 (рис. 1, 2), с поперечной шириной 2 × 3 мм проходил через поляризатор и светофильтр для согласования мощности лазерного луча с чувствительностью фотоприемника, фокусировался цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 10 см на поверхность детали, образуя узкую световую вертикальную линию. Изображение этой линии формировалось объективом ГЕЛИОС 40-2
с фокусным расстоянием 85 мм и относительным отверстием 1,5 мм на ПЗС-линейке К1200 ЦЛ-1 (апертура
15 мм, дискретность 15 мкм). Натурная модель установки представлена на рис. 2.
В результате проведения измерений было обеспечено четкое устойчивое положение осциллограммы
в осциллографе. Максимум сигнала на осциллограмме перемещался влево или вправо при перемещении детали микрометрическим винтом, соответственно, вперед или назад, что позволяет говорить о применимости данного метода к определению дефекта формы.
Расчетная функция преобразования [2]:
h ≅ × h, (1)
где h – высота освещенной точки поверхности детали относительно нулевого уровня (то есть среднего положения освещенной точки по радиальному профилю);
h’ – смещение максимума сигнала на ПЗС-линейке;
f – фокусное расстояние объектива;
a – расстояние от объектива до освещенной точки поверхности детали;
θ – угол триангуляции. Угол θ – это угол между двумя лучами, проведенными от освещенной точки поверхности детали. Причем один луч проведен к источнику излучения (лазеру), а второй – к фотоприемнику. Все величины в формуле имеют положительный знак.
Погрешность от нелинейности функции преобразования [2] при замене ее линейной аппроксимирующей функцией, приведенная к hmax, имеет вид:
(δh)max ≅ , (2)
где hmax – максимальное отклонение радиального профиля от его среднего уровня.
По расчетам, основанным на лучевом приближении, нелинейность (∆h)max функции преобразования (при
a = 230 мм, θ = 45°, hmax = 1 мм) не превосходит 3 мкм, то есть смещение максимума сигнала в 5 раз меньше дискретности фотоприемника. Это – оценка систематической
погрешности. На фото изображены натурные экспериментальные фото.
Результаты отклонения осциллограммы при постепенном движении детали из дюралюминия представлены на рис. 3, 4.
Далее аналогичный эксперимент был осуществлен
с деталями из конструкционной стали и полиэтилентерефталата. Результаты представлен на рис. 5 и 6.
Аппроксимируя имеющиеся экспериментальные графики, получили, что суммарная погрешность на рис. 4
не превосходила 5 мкм, а на рис. 5 не превосходила 7 мкм. Это больше, чем расчетная систематическая погрешность (3 мкм). Остальная часть – случайная составляющая. Она удовлетворительно оценивается с помощью математического моделирования [2, 12], включающего в себя аппроксимацию сигнала одномерной гауссовой функцией,
дискретность ее отчетов на ПЗС-линейке, представление белого шума добавлением к отсчетам функции суммы двух случайных величин, соответствующих его аддитивной и мультипликативной составляющим. Следует отметить, что часть экспериментов ранее была описана коллективом авторов [3].
Следующая серия экспериментов была проведена
в АО «Бортовые аэронавигационные системы». На рис. 7 на анализаторе спектра Rohde показаны скачки осциллограммы, которые были зарегистрированы при микросмещении винта с установленной деталью. Деталь, представленная на рисунке, находилась в постоянном вращении. Использовался лазерный дальномер и поворотный стол с сервоприводом.
Результат измерения лазерным дальномером представлен на основе измерения ступенчатого вала из дюралюминия марки Д16Т на рис. 8. В верхней части графиков виден контур цилиндрической детали (помечено стрелкой).
В исследовании [4] представлен следующий алгоритм обработки данных
x0 = ∑i = 1n xi, (3)
где n – число измеренных точек профиля изделия;
xi , yi – декартовые координаты измеренных точек профиля изделия;
ri – радиусы измеренных точек профиля изделия.
В исследовании [5] представлена формула (4)
G = ∫2x0 (ri – ρ)dφ. (4)
В первую очередь определяют длину радиуса вектора эксцентриситета, а затем координаты (х, у), при которых Gmin принимает наименьшее значение. Центрирование осуществляют путем поиска координат (х, у) центра средней окружности из условия минимума функционала. Ниже представлен способ определения оси поперечного сечения изделия на основе максимума функционала [6]:
I = ∫2x0 ρdφ. (5)
В исследовании [7] цилиндр, исследуемый на кругломере, описывается тригонометрическим полиномом:
r = r0 + e × cos(φ – γ) + ∑i = tp ai cos(iφ – γi), (6)
где r0 – радиус средней окружности;
e, γ – амплитуда и начальная фаза основной гармоники;
ai, γi – амплитуда и начальная фаза гармоник изделия.
На рис. 9 представлена программа для считывания сигнала с лазерной установки, свидетельства о регистрации ЭВМ зарегистрированы по ней в виде четырех программ [8–11].
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 с помощью функции на ПК или с помощью осциллограммы на осциллографе. При создании программы использовался ряд функций Бесселя.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е.А., Епифанцев К.В., Ефремов Н.Ю.
Цифровая метрология: учеб.-метод. пособие. СПб:
ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А. Триангуляционные измерения, вывод
функции преобразования, основанный на матричной
оптике // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 7. № 2–5. С. 974–977.
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.
Spragg R.C. Accurate calibration of surface texture
and roundness measuring instruments // Proc. Instr. Mech. Engrs. 1967–1968. P. 32.
British Standard 3770:1964. Methods for the assessment
of departures from roundness.
Немировский А.С. Центр и направление оси несимметричных сечений и их определение по круглограмме //
Измерительная техника. 1971. № 11. С. 22–26.
Авдулов А.Н. Контроль и оценка круглости деталей
машин. М.: Изд-во стандартов, 1974. С.125.
Свидетельство 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 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 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 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.
Заякин О.А., Белопухов В.Н., Манухин А.В. Влияние шумов на погрешность измерений экспериментального лазерного кругломера // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18. № 4 (4). С. 715–719.
К. Епифанцев, к.т.н.1, О. Заякин, к.т.н.2, Е. Фролова, д.т.н.3
Оптический датчик лазерного типа, имеющий предварительную систему преобразования, был использован как альтернатива контактного щупа на кругломере RoundTest RA-120p. 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», в испытательной лаборатории АО «Бортовые аэронавигационные системы». Сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Проведено сравнение результатов оптических
и контактных измерений.
В условиях импортозамещения многие приборы нуждаются
в замене наиболее изнашиваемых компонентов, таких как контактные щупы, подшипники, кронштейны и т. д. В современных усло-
виях по причине увеличения производственных мощностей предприятий, такие элементы, как контактные щупы, изнашиваются более активно.
В настоящее время на кругломерах для организации контроля дефектов формы используются контактные щупы, которые из-за несовершенства поверхности детали могут изнашиваться, ломаться и терять первоначальную огранку. Кроме того, на ряд кругломеров – приборов для измерения дефектов формы, из-за санкций сложно приобрести контактные щупы зарубежного производства. Поэтому были приняты попытки разработать отечественный бесконтактный датчик для проведения измерения дефектов формы.
В исследованиях применяются элементы когерентной оптики, методы вывода информации после цифровой обработки сигналов, моделирование программных модулей для вывода данных на ПК.
Используя выходные данные с лазерного триангулятора, лазерного дальномера и ПЗС-линейки, провести измерение дефектов формы на деталях из различных материа-
лов с помощью бесконтактного метода. Для этого необходимо решить ряд задач: разработать метод измерения дефекта формы лазерным датчиком с активным откликом на осциллограмме, выявить зависимость точности измерения от различных материалов детали, получить четкий перечень оборудования, пригодного для данных измерений, выявить соотношение между движением микрометрического винта и колебаниями осциллограммы.
В результате экспериментов сделаны выводы по наиболее рационально собранным схемам лазерных установок, имеющих максимальный отклик и стабильность. Сравнены результаты оптических измерений с контактными, разработан метод измерения дефекта формы
лазерным датчиком с активным откликом на осциллограмме на ПЗС-линейке, лазерном интерферометре,
лазерном дальномере, выявлена зависимость по вариа-
ции ФЧХ от различных материалов детали. Результаты могут применяться для создания отечественных бесконтактных датчиков для кругломеров, профилометров, 3D-сканеров и других приборов для бесконтактного
измерения дефектов формы.
В исследовании [1, 2] описан процесс проектирования лазерного кругломера для исследования дефектов формы деталей приборных подшипников. Прибор основан на методе триангуляции. Данное исследование было взято за прототип для одного из основных датчиков будущей системы.
В ходе экспериментов в Самарском филиале
Физического института Российской академии наук
им. П. Н. Лебедева в 2023–2024 годах высоко-коллимированный луч, генерируемый диодным лазером DM8-650 (рис. 1, 2), с поперечной шириной 2 × 3 мм проходил через поляризатор и светофильтр для согласования мощности лазерного луча с чувствительностью фотоприемника, фокусировался цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 10 см на поверхность детали, образуя узкую световую вертикальную линию. Изображение этой линии формировалось объективом ГЕЛИОС 40-2
с фокусным расстоянием 85 мм и относительным отверстием 1,5 мм на ПЗС-линейке К1200 ЦЛ-1 (апертура
15 мм, дискретность 15 мкм). Натурная модель установки представлена на рис. 2.
В результате проведения измерений было обеспечено четкое устойчивое положение осциллограммы
в осциллографе. Максимум сигнала на осциллограмме перемещался влево или вправо при перемещении детали микрометрическим винтом, соответственно, вперед или назад, что позволяет говорить о применимости данного метода к определению дефекта формы.
Расчетная функция преобразования [2]:
h ≅ × h, (1)
где h – высота освещенной точки поверхности детали относительно нулевого уровня (то есть среднего положения освещенной точки по радиальному профилю);
h’ – смещение максимума сигнала на ПЗС-линейке;
f – фокусное расстояние объектива;
a – расстояние от объектива до освещенной точки поверхности детали;
θ – угол триангуляции. Угол θ – это угол между двумя лучами, проведенными от освещенной точки поверхности детали. Причем один луч проведен к источнику излучения (лазеру), а второй – к фотоприемнику. Все величины в формуле имеют положительный знак.
Погрешность от нелинейности функции преобразования [2] при замене ее линейной аппроксимирующей функцией, приведенная к hmax, имеет вид:
(δh)max ≅ , (2)
где hmax – максимальное отклонение радиального профиля от его среднего уровня.
По расчетам, основанным на лучевом приближении, нелинейность (∆h)max функции преобразования (при
a = 230 мм, θ = 45°, hmax = 1 мм) не превосходит 3 мкм, то есть смещение максимума сигнала в 5 раз меньше дискретности фотоприемника. Это – оценка систематической
погрешности. На фото изображены натурные экспериментальные фото.
Результаты отклонения осциллограммы при постепенном движении детали из дюралюминия представлены на рис. 3, 4.
Далее аналогичный эксперимент был осуществлен
с деталями из конструкционной стали и полиэтилентерефталата. Результаты представлен на рис. 5 и 6.
Аппроксимируя имеющиеся экспериментальные графики, получили, что суммарная погрешность на рис. 4
не превосходила 5 мкм, а на рис. 5 не превосходила 7 мкм. Это больше, чем расчетная систематическая погрешность (3 мкм). Остальная часть – случайная составляющая. Она удовлетворительно оценивается с помощью математического моделирования [2, 12], включающего в себя аппроксимацию сигнала одномерной гауссовой функцией,
дискретность ее отчетов на ПЗС-линейке, представление белого шума добавлением к отсчетам функции суммы двух случайных величин, соответствующих его аддитивной и мультипликативной составляющим. Следует отметить, что часть экспериментов ранее была описана коллективом авторов [3].
Следующая серия экспериментов была проведена
в АО «Бортовые аэронавигационные системы». На рис. 7 на анализаторе спектра Rohde показаны скачки осциллограммы, которые были зарегистрированы при микросмещении винта с установленной деталью. Деталь, представленная на рисунке, находилась в постоянном вращении. Использовался лазерный дальномер и поворотный стол с сервоприводом.
Результат измерения лазерным дальномером представлен на основе измерения ступенчатого вала из дюралюминия марки Д16Т на рис. 8. В верхней части графиков виден контур цилиндрической детали (помечено стрелкой).
В исследовании [4] представлен следующий алгоритм обработки данных
x0 = ∑i = 1n xi, (3)
где n – число измеренных точек профиля изделия;
xi , yi – декартовые координаты измеренных точек профиля изделия;
ri – радиусы измеренных точек профиля изделия.
В исследовании [5] представлена формула (4)
G = ∫2x0 (ri – ρ)dφ. (4)
В первую очередь определяют длину радиуса вектора эксцентриситета, а затем координаты (х, у), при которых Gmin принимает наименьшее значение. Центрирование осуществляют путем поиска координат (х, у) центра средней окружности из условия минимума функционала. Ниже представлен способ определения оси поперечного сечения изделия на основе максимума функционала [6]:
I = ∫2x0 ρdφ. (5)
В исследовании [7] цилиндр, исследуемый на кругломере, описывается тригонометрическим полиномом:
r = r0 + e × cos(φ – γ) + ∑i = tp ai cos(iφ – γi), (6)
где r0 – радиус средней окружности;
e, γ – амплитуда и начальная фаза основной гармоники;
ai, γi – амплитуда и начальная фаза гармоник изделия.
На рис. 9 представлена программа для считывания сигнала с лазерной установки, свидетельства о регистрации ЭВМ зарегистрированы по ней в виде четырех программ [8–11].
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 с помощью функции на ПК или с помощью осциллограммы на осциллографе. При создании программы использовался ряд функций Бесселя.
ЛИТЕРАТУРА
Гущина Е.А., Епифанцев К.В., Ефремов Н.Ю.
Цифровая метрология: учеб.-метод. пособие. СПб:
ГУАП, 2022. 104 с.
Заякин О.А. Триангуляционные измерения, вывод
функции преобразования, основанный на матричной
оптике // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 7. № 2–5. С. 974–977.
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.
Spragg R.C. Accurate calibration of surface texture
and roundness measuring instruments // Proc. Instr. Mech. Engrs. 1967–1968. P. 32.
British Standard 3770:1964. Methods for the assessment
of departures from roundness.
Немировский А.С. Центр и направление оси несимметричных сечений и их определение по круглограмме //
Измерительная техника. 1971. № 11. С. 22–26.
Авдулов А.Н. Контроль и оценка круглости деталей
машин. М.: Изд-во стандартов, 1974. С.125.
Свидетельство 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 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 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 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.
Заякин О.А., Белопухов В.Н., Манухин А.В. Влияние шумов на погрешность измерений экспериментального лазерного кругломера // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18. № 4 (4). С. 715–719.
Отзывы читателей
