Раздел: Учебники

Одной из актуальных задач в области технических измерений в настоящее время является разработка высокопроизводительных бесконтактных контрольно-измерительных средств. В последние годы наметились реальные пути решения этой задачи, что обусловлено двумя причинами. Во-первых, значительное развитие получила квантовая электроника; уже сейчас имеется большой ассортимент различных лазеров. Во-вторых, развитие электронной техники привело к появлению мини- и МикроЭВМ, различных средств и устройств обработки информации. Широкое использование ЭВМ позволяет °свободить человека от рутинных процедур обработки измерительной информации.

Есть все основания ожидать, что именно применение лазеров приведет к существенным изменениям в обла. сти технических измерений. Как известно, лазерное из* лучение имеет строго определенную длину волны, кото* рая практически не изменяется и может служить точ* ным эталоном длины. С помощью лазера возможно из* мерить амплитуды колебаний изделий от долей ангстре, ма до нескольких метров в практически неограниченно^ частотном диапазоне, а линейные перемещения — от до лей микрона до десятков метров. Лазерное излучение также характеризуется высокой когерентностью — согласованностью или сфазированностью световых колебаний, излучаемых всеми возбужденными частицами рабочей среды лазера. Благодаря когерентности света, освещающего изделия, возможно сохранить и .легко сделать видимыми с помощью явлений дифракции и интерференции очень малые изменения фаз световых колебаний, возникающих при отражении от крнтролируемой поверхности. Это обстоятельство широко используется в измерительных устройствах, основанных на интерферометрических и голографических методах.

Кроме того, яркость лазерного луча достаточно велика, чтобы его использовать даже в обычных йез а темненных помещениях. Почти идеальная параллельность световых лучей, испускаемых лазером, делает их пригодными для измерения линейных размеров и юстировки деталей.

На практике реализуются различные методы лазер^- ных измерений. Теневой метод контроля и измерений позволяет производить обмер либо изображения, получаемого под микроскопом, либо тени детали. Измеряемый предмет помещают в интерференционное поле, образующееся при пересечении двух когерентных пучков света от лазера. Это поле, представляющее собой ряд равноотстоящих полос, Служит в качестве измерительной шкалы. Изображение полос с помощью полупрозрачного зеркала подают на линейку фотоприемников.

По сигналу, поступившему с линейки, на которую проецируется тень предмета, электронно-вычислительная система определяет масштаб этой шкалы и вычисляет размер тени. Современная система с управляющей мини-ЭВМ «Электроника-60», основанная на лазерном теневом методе, имеет быстродействие до 1800 измерений в минуту при точности, которая соответствует разрешающей способности объектива около 5—10 мк^ формирующего теневое изображение.

Триангуляционный метод измерения размеров основан на свойстве лазера создать параллель^ ные лучи света. Суть метода в том, что размеры илц расстояния вычисляются по известным тригонометриче^ ским соотношениям элементов плоских фигур (треуголь- ников), образованных прямым и отраженным лучами лазера. Точность измерения этого метода не очень высо- ка и определяется не только степенью расходимости лу* ча света, но и качеством поверхности контролируемого изделия. Чем лучше отражает поверхность, т. е. чем она зеркальнее, тем выше точность измерения.

На свойстве линз и объективов фокусировать параллельный пучок лазера в малую точку основаны измерения методом точной фокусировки. Луч лазера фокусируется в точку на опорном уровне с помощью оптической головки, в которую входят объектив и система регистрации изображения. Такое положение головки фиксируется на шкале и соответствует началу измерительной линейки. Чтобы определить толщину детали, необходимо провести операцию фокусировки лазерного луча на контролируемую поверхность. Эта операция реализуется специальной следящей системой на основе информации о степени расфокусировки, поступающей из измерительной головки. Когда система точно сфокусируется на поверхность, по шкале можно определить толщину детали. В этом случае луч лазера служит оптическим щупом, обеспечивающим постоянство расстояния между измерительной системой и деталью. Поскольку для работы системы используется изображение луча лазера на поверхности (сфокусированное пятно), то последняя должна в достаточной степени рассеивать свет.

Профиль изделия можно определить с помощью метода двух лазерных лучей (рпс. 6.6, г), падающих на поверхность контролируемого изделия под некоторым углом. Лазерные пучки создают на поверхности объектива два освещенных пятна. При перемещении поверхности расстояния между этими пятнами будут изменяться в зависимости от того, удаляется или приближается контролируемая поверхность к измерителю. Если одновременно использовать две такие системы, расположенные по обе стороны от контролируемого изделия, то можно определить профиль объекта. Метод эффективен, например, для измерения профиля лопаток турбины. Профиль лопатки определяется в ряде сечений по ее «ысоте, а результаты измерений выводятся с помощью графопостроителя и сопоставляются с шаблоном. Такой метод позволяет провести полное обследование лопатки лк>бого размера не более чем за 1 мин с погрешностью до 2,5 мкм, причем процесс измерения можно полночью автоматизировать.

На использовании высокой яркости лазерного света оСиован дифракционный метод измерений. Измерение объекта проводится не по размерам его изображения, а по распределению интенсивности света, дифрагировавшего на объекте и собранного линзой в фокальной плоскости, Это распределение называется пространственно- частотным спектром, Оно не меняется при смещении объекта, что позволяет применять метод для измерения движущихся деталей, например, на конвейере.

Метод может быть реализован двумя способами: амплитудным и интегральным. В первом случае в какой- то фиксированной точке плоскости наблюдения измеряется амплитуда света, дифрагирующего на предмете. Сопоставляя полученную величину с заранее рассчитанными графиками спектра интенсивности, соответствующими различными размерами измеряемой детали, делают вывод о размере контролируемой детали. Однако значение амплитуды в одной точке может быть неоднозначным. Для разрешения неопределенности приводят измерение интенсивности в какой-либо другой точка спектра. При интегральном способе измерения спектра интенсивности света сравнивают параллельно все амплитуды в спектре. Это осуществляется в оптической системе голографического распознавания образов. Измеряя яркость точки, можно судить о размерах контролируемой детали. Если деталь то/шо соответствует эталону, то яркость будет максимальной.

Основным недостатком амплитудных измерений пространственно-частотно го спектра является их большая чувствительность к наличию загрязнений на поверхности детали (пыли, масляных пленок), что неизбежно в Реальном производственном процессе.

Дифракционные измерения размеров могут приводиться на основе дешифровки структуры спектра. Это ^ более точные измерения, так как структура пространственно-частотного спектра непосредственно связана с геометрическими параметрами детали и мало зависит от качества ее поверхности. Такая модификация метода Получила название пространственной.

При реализации теневого метода или метода измерений по изображению деталей всегда имеется ограничение по точности, обусловленное разрешающей способностью объектива и составляющее обычно 5,.Л0 мкм. Прц дифракционном методе такого ограничения нет, поскольку почти всегда можно заранее рассчитать структуру дифракционного спектра. Если расчет спектра невозможен, то оптическую систему просто откалибровы- вают по эталонным образцам, измеренным каким-либо другим способом. Таким образом, точность измерения спектра практически определяется точностью получения размеров детали. Структура спектра расшифровывается обычно на ЭВМ, Ввод изображения в нее осуществляется телевизионными 'системами, матрицей фотоприемников либо с помощью системы сканирования и одного фотоприемника. Дифракционные оптические приборы измерения линейных размеров уже начинают выпускать серийно. Они предназначены для определения размеров в диапазоне от 0,01 до 10 мм с погрешностью 0,05...2%. Их быстродействие — 50 измерений в секунду.

Схемы лазерных измерительных систем довольно просты, однако практическое применение этих систем требует их модификации с учетом конкретных производственных условий.

С внедрением лазеров в машиностроении и станкостроении точность изготовления узлов повысится примерно в 10 раз, в несколько раз сократится продолжительность контрольно-измерительных операций. Например, для юстировки станка НСЗЗФ2 используется лазерный измеритель перемещений ИПЛ-10, позволяющий получить высокую точность перемещения инструмента по плоскости — около 20 мкм на длине 15 м.

Используя дифракцию лазерного пучка на объектах малого размера, можно с высокой точностью измерять их размеры. В качестве примера рассмотрим процесс измерения диаметра проволоки. Дифракционная картина проволоки, помещенной в лазерный пучок, диаметр которого превышает диаметр проволоки, представляет собой последовательность пятен, расположенных вдоль прямой линии, перпендикулярной проволоке. В центре проектируемой на экран картины находится пятно не- дифрагированного излучения, а в направлении, перпендикулярном проволоке, располагаются пятна дифрагированного света, расстояние между которыми обратно пропорционально диаметру проволоки D и изменяется в соответствии с выражением sin — nX[D,  где Фп — угол между направлением на n-е пятно (считая от места расположения проволоки) и направлением лазерного пучка; к — длина волны лазерного излучения; п — число пятен дифрагированного света. Приведенное соотношение можно использовать для определения D по результатам измерения расстояний между пятнами дифрагированного излучения.

На практике описанный метод позволяет измерять диаметры проволок или волокон порядка 0,0025 мм с погрешностью 5%. Этот метод обладает рядом преимуществ. Прежде всего это отсутствие контакта измерительной аппаратуры с проволокой. Кроме того, дифракционная картина не изменяется при перемещении проволоки в продольном направлении, что позволяет измерять диаметр проволоки в процессе ее вытягивания. Перемещение проволоки в направлении, перпендикулярном ее длине, не вызывает изменения расстояния между световыми пятнами до тех пор, пока проволока не выходит за пределы сечения лазерного пучка. Данный метод чрезвычайно удобен для измерения диаметра тонких проволок.

В рассмотренном выше примере использована высокая яркость лазерного пучка. Соответствующие дифракционные явления были известны давно, но отсутствие достаточно ярких источников излучения не позволяло практически реализовать этот тип измерений. В настоящее время разработана автоматизированная система измерения, в которой регистрация дифракционной картины осуществляется при помощи решетки фотодиодов или видикона. На основе результатов анализа выходного сигнала фотоприемника измеряют расстояние между максимумами интенсивности дифракционной картины и непосредственно определяют диаметр проволоки.

К числу операций, которые могут быть выполнены Дифракционными измерительными приборами, относятся: измерение диаметра или ширины объектов, изготовляемых путем выдавливания или вытягивания; измерение толщины предметов из листов пластика, резины или бумаги; определение степени плоскостности или волнистости поверхностей деталей типа уплотнительных или поршневых колец; контроль концентричности деталей; контроль точности изготовления лопаток турбины и Деталей компрессора; контроль точности угловой ориентации деталей, В настоящее время серийно . цзготавли-^ веются системы, предназначенные для решения .повседневно встречающихся в промышленном производстве проблем измерения, калибровки и контроля продукции.

Измерение линейных размеров и шероховатости поверхности. При проведении поверхностных измерений обычно используют заостренный наконечник, который находится в механическом контакте с исследуемой поверхностью. Изменения положения поверхности вызывают перемещения наконечника, величину которых можно измерить. Таким путем снимают и контуры профиля поверхности.

С помощью механических устройств можно проводить обследования деталей с целью контроля шероховатости обработки их поверхностей и размерных допусков, непрерывную проверку толщины и параметров поверхности изделий в процессе автоматического контроля (с использованием сервоконтроля с обратной связью при обработке заготовок), а также точное измерение размеров шаблона.

Для обеспечения точного воспроизведения размеров полномасштабных изделий используется метод профи- лометрии'шаблонов. Применение пучка света в качестве оптического зонда в профилометре дает ряд очевидных преимуществ: не повреждается отделка поверхности, не изнашивается измерительный инструмент, создается возможность проводить измерения на мягких материалах (например, на глиняных шаблонах).

В настоящее время разработаны различные модели лазерных неконтактных профилометров, которые позволяют при условии использования сфокусированного лазерного пучка различать детали микроскопической текстуры поверхности и степень ее обработки, проводить измерения на различных материалах с разной степенью обработки поверхности, обеспечить более высокую точность измерений по сравнению с обычными профиломет- рами, снабженными измерительным наконечником.

В основе всех вариантов измерения лазерными профилометрами лежит оптическое определение расстояния между измерительной головкой, которая имеет фиксированное положение, и обследуемой поверхностью.

Если обследование поверхности производится с достаточно высоким разрешением, то оно в принципе позволяет определить профиль объекта и построить про- филограмму. Если же измерение ведется с более грубым разрешением, то его результат может рассматриваться как определение толщины объекта.

Для выполнения описанных выше видов измерений на практике используют различные типы устройств.

Система для измерения профиля объектов представлена на  6.7, а. В ней с помощью линзы лазерный пучок фокусируется в небольшое пятно на поверхности объекта. Эта же линза используется для собирания излучения, рассеянного поверхностью. При помощи другой линзы рассеянное излучение фокусируется на точечную диафрагму, которая приводится в колебательное движение камертонным генератором. Прошедшее через эту диафрагму излучение попадает на фотоприемник. Переменная составляющая выходного сигнала фотоприемника усиливается, а затем детектируется синхронным детектором, который «привязан» к сигналу камертонного генератора. Анализ выходного сигнала синхронного детектора позволяет определить, сфокусирован ли лазерный пучок на исследуемой поверхности.

Система для измерения толщины объектов представлена на  6.7, б. В ней используются два световых пучка, падающих на поверхность объекта под определенным углом.

Пучки создают на поверхности два освещенных пятна, расстояние между которыми S зависит от удаления головки измерительного датчика от исследуемой поверхности и определяется следующим выражением: S== %D/tg в, где D — смещение поверхности относительно номинального положения; в — угол между осью пучка и плоскостью поверхности.

При изменении положения объекта световые пятна сближаются или удаляются в зависимости от того, приближается поверхность к головке датчика или удаляется от нее.

В головке датчика измерителя имеется система линз и .оптическое сканирующее устройство, которое обесре- нивает обзор поверхности и вырабатывает два импульса в том случае, когда в его поле попадают световые пятщь -Временной интервал между импульсами пропорционален расстоянию между световыми пятнами. Таким образом, интервал между импульсами зависит от положения поверхности исследуемого объекта.

Точность системы составляет ±7,6 мкм, воспроизводимость результатов — 2,5 мкм, динамический диапазон измерений —5 мм, время отклика — 1 мм/с,

Разработана также аналогичная измерительная система, в которой используется один лазерный пучок, направленный на поверхность объекта. Здесь излучение, рассеянное под заданным углом, фокусируется на секционированный фотоэлемент. В системе применяется принцип нулевого отсчета. Выходной сигнал равен нулю в том случае, когда обе секции фотоэлемента освещены одинаково. Сигнал разбаланса секций фотоэлемента регистрируется и подается на сервоусилитель, перемещающий поверхности. Данные о смещении поверхности можно воспроизвести на шкале соответствующего измерительного прибора или зарегистриро-. вать при помощи записывающего устройства. Точность системы составляет 1,3 мкм, воспроизводимость результатов— 0,76 мкм, динамический диапазон измерения — 127 мкм, скорость измерения — 25 мм/с. .

В качестве примера рассмотрим систему для измерения толщины, например металлических полос. В процессе непрерывного производства они проходят под неконтактным лазерным зондом. Положение поверхности материала автоматически -сравнивается с установленным стандартным положением. Выдается цифровой отсчет отклонения размеров от принятого стандарта. При этом стабильным началом отсчета служит вращающийся ролик или фиксированная поверхность.

Одновременное применение двух устройств, определяющих положение поверхности, дает возможность измерять толщину слоя в отсутствие опорной поверхности. Система расщепителей луча позволяет проводить измерения в 10 точках на всей ширине листа. Полученные данные вводятся в логическую схему, с помощью которой определяется толщина в каждой из 10 точек измерения. Таким образом, на выход системы непрерывно поступает.информация о толщине движущегося листа в 10 точках.

Измерение размеров изделий. Лазеры можно использовать для обследования самых разных видов продукции. Сюда относятся измерения толщины пластика, резины и металла; контроль размеров поршневых колец, головок цилиндров двигателей, свеч зажигания и пружин дроссельной системы; измерения диаметра стеклянных трубопроводов и топливных элементов; контроль формы роликовых подшипников и'толкателей клапанов двигателей внутреннего сгорания.* Приведенный список иллюстрирует.широкие возможности» лазерных измерительных систем. *  •

Различают три основных метода измерения размеров с применением лазерного излучения: метод, основанный на прерывании лазерного пучка пересекающим его предметом (сканирующий пучок); метод, основанный на сравнении размеров (положение поверхности изделия определяют относительно измерительной головки); метод, основанный на использовании явления дифракции.

При применении первого метода обследуемый объект помещается на пути пучка, которым этот объект сканируется. Регистрация пучка осуществляется фотоприемником. Выходной сигнал приемника отсутствует на протяжении промежутка времени, в течение которого пучок прерывается объектом. Прерывание светового сигнала приводит к формированию сканирующего сигнала. По цифровому отсчету, который соответствует интервалу времени между сканирующими сигналами в моменты пересечения пучка краями объекта, и определяют размеры объекта. Устройствами такого типа можно определять размеры быстродвижущихся или непрерывно изготовляемых деталей, при этом не требуется строгая фиксация измеряемого объекта. Результаты измерения могут использоваться также для контроля производственного процесса с помощью системы обратной связи. Несложные измерения в устройстве позволяют применять его для обследования профиля объекта (путем сканирования пучка вдоль объекта) или определения степени его сферичности (путем вращения объекта в пучке). Этот метод наиболее прост для применения и интерпретации результатов.

Сравнительное измерение размеров заключается в определении положения края объекта относительно измерительной головки. Используя две измерительные головки, каждая из которых определяет положение различных сторон плоского материала, можно определить его толщину. Если измеряемые изделия движутся на ленточном или роликовом транспортере, то в качестве опорного уровня используют положение ролика (ленты). Этот метод измерения применяется в тех случаях, когда требуемый размер можно определить из результатов измерений положения поверхности.

Несмотря на то что конкретные условия применения методов измерения размеров изделий варьируются в зависимости от их формы или размеров и технологических Требований, изложенные общие принципы могут быть применимы для широкого класса процессов авта* матического контроля в промышленности. Преимущество методов лазерных измерений заключается в том, что они являются дистанционными и неконтактными] позволяют проводить измерения быстро и с высокой точностью. В табл. 6.4. приведены паспортные данные промышленных лазерных систем, предназначенных для контроля размеров.

В триангуляционных измерителях используется метод измерения размеров (расстояния) путем вычисления элементов плоских фигур (треугольников), образованных прямым и отраженным лучами лазера. В вершинах этих треугольников располагаются: источник излучения, точка контролируемой поверхности, точка, отражающая луч, и элемент, воспринимающий отраженный луч. Основой вычисления является точное измерение одного из элементов плоской фигуры — базиса.

При изготовлении детали требуемые размеры могут быть введены в программу процесса ее обработки. В этом случае сущность лазерного триангуляционного метода заключается в формировании электрического сигнала, параметры которого будут соответствовать отклонению величины контролируемого размера от его требуемого значения.

Так, в измерителе при соответствии, измеряемого размера d детали требуемому значению величина напряжения Ux устанавливается равной 0. В случае отклонения размера изменится расстояние ab и величина напряжения Ux будет отличной от 0. Усиленное напряжение Ux будет воздействовать на исполняет и линейных размеров различными методами тельное устройство следящей'системы до тех пор, пока изображение луча на поверхности детали не переместится в положение, соответствующее центру симметрии дифференциального фотоэлемента (элемента сравнения следящей системы).

Таким образом, величина и знак напряжения Ux (уп. равляющего воздействия следящей системы) будут соответствовать величине и знаку изменения расстояния ab, а значит, и отклонению размера детали от его заданного значения. Очевидно, что знак и величину отклонения Ad можно определить как сторону be треугольника bcb] через величину и направление отклонения точки Ь от точки с при известном угле а. Величина угла а обычно остается неизменной. Величина напряжения Ux будет пропорциональна величине Ad. Значение коэффициента этой пропорциональности определяется распределением величины коэффициентов передачи между функциональными узлами следящей системы. Исходными данными для измерения абсолютного значения величины d (а не ее отклонения Ad) является ее опорный уровень.

Существуют триангуляционные оптические измерители размеров, не содержащие следящей системы. В них линза 1 предназначена для фокусировки лучей, отраженных от поверхности детали 2. Положение луча на отсчетном устройстве 3 (размер ob) соответствует измеряемой величине, d (катету cb треугольника bbc'). С помощью линз / и 4 небольшие величины смещения преобразуются в значительно большие величины (об"), повышая таким образом точность измерения. Рассматриваемый измеритель имеет отсчетное устройство в виде фотодиодной матрицы. При наличии в матрице 512 фотодиодов погрешность измерения величины d составляет Ю-5 м. Очевидно, что для контроля размеров, изменяющихся в более широком диапазоне, диаметры линз оптического измерителя должны быть увеличены в связи с увеличением сторон треугольников.

Частным случаем триангуляционных измерителей можно считать координатные измерители. Устройства этого типа позволяют определять величину контролируемого размера как расстояние между двумя точками. Координаты этих точек на плоскости регистрируются с помощью двух взаимно перпендикулярных шкал прибора. Установка положения каждого из указателей координат точек осуществляется с помощью оптических элементов,

В измерит елях теневого типа информацию о контролируемом размере получают на основе размеров тени, отбрасываемой деталью, располагающейся в луче лазера. Возможность создания строго параллельных лучей предопределяет принципиально высокую точность работы таких измерителей. Они применяются для определения размера неподвижного или перемещающегося изделия (например, ленты или проволоки).

Световой луч, испускаемый лазером 1 (см.  6.8) расширяется в одной плоскости цилиндрическими линзами 2 и 3. Отношение фокусных расстояний этих линз равно отношению высоты светового потока на выходе линзы 3 к диаметру луча на входе линзы 2. Параллельность лучей на выходе линзы 3 позволяет получить очень четкую тень, отбрасываемую деталью 4 на решетку 5. Решетка представляет собой пластину из стекла с нанесенными на нее непрозрачными рисками. Очевидно, что измеряемый размер d может быть определен подсчетом рисок, захватываемых тенью от детали.

Измерение степени шероховатости поверхности. Разнообразные дефекты поверхности (царапины, раковины, бугорки и т. п.) отражают свет иначе, чем идеальные участки поверхности. Рассеянный дефектами свет можно регистрировать обычным фотоприемником. На практике очень трудно различить свет, рассеянный от дефекта, и свет, равномерно рассеянный во всех направлениях в результате общей шероховатости поверхности.

Один из способов решения этой проблемы заключается в освещении поверхности наклонным пучком света ( 6.8, а) и использовании пространственной фильтрации для подавления его зеркального отражения. Пространственный фильтр представляет собой диафрагму с непрозрачной центральной частью, которая пропускает лишь рассеянное излучение и подавляет центральный дифракционный максимум, обусловленный зеркальным отражением. На поверхности пластины алмазным резцом нанесены царапины шириной 10 мкм и длиной 5 мм, они направлены перпендикулярно плоскости падения светового пучка. Следует отметить, что интенсивность рассеянного света не очень сильно зависит от ориентации царапин. Экспериментальные результаты обследования поверхности пластины с шероховатостью обработки 0,2 мкм представлены на графике  6.8, б. Приведенные данные относятся к углу падения 88°, который соответствует в данных условиях максимальной интенсивности рассеянного сигнала. С помощью этой си-

стемы можно четко различать сильно и слабо исцарапанные поверхности.

Модифицированная система измерений позволяет осуществлять контроль поверхности с целью определения места расположения дефекта. В данном случае пучок лазера сканируется при помощи зеркала вдоль прямой линии, проходящей по движущейся относительно пучка поверхности. Такую систему можно, например, использовать для обнаружения вкраплений металла на поверхности керамики.