WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

К одномерным относятся: триангуляционный, фокусирования, автоколлимационный, рефлектометрический, интерферометрический, лазерно-акустический, дальнометрический и ультразвуковой. Для контроля геометрии лопаток наибольшее распространение получил метод триангуляции.

К двумерным методам относятся: методы светового и теневого сечения, метод спекл-интерферометрии, муаровый и рентгеновский томографический методы.

Среди трехмерных методов измерения геометрии различают два – стерео и голографический методы, при этом для промышленного контроля лопаток используется стереометод.

Приведен сравнительный анализ известных приборов и систем, основанных на триангуляционном, стереоскопическом и методе светового сечения.

На основе сравнения конкретных систем и патентного поиска выявлена целесообразность разработки метода светового сечения как наиболее удовлетворяющего требования современного двигателестроения. Предложена схема прибора для проведения двустороннего контроля лопаток ГТД методом светового лазерного сечения и сформулированы пути повышения быстродействия и точности измерений.

Во второй главе проведено теоретическое исследование аспектов повышения точности контроля геометрии лопаток ГТД при контроле прибором светового лазерного сечения.

Рассмотрены особенности формирования изображения методом светового сечения на диффузно отражающей поверхности. Измерены параметры шероховатости лопаток и проведено моделирование распределения интенсивности отраженного света от поверхностей с различной шероховатостью с учетом модели Бекмана (рис.1). Сделан вывод о допустимых углах наблюдения отраженного света для лопаток различной конфигурации, с учетом экранирующих элементов конструкции. Это позволило получить первое приближение конструктивной реализации прибора.

Для аналитического описания искажений, вносимых каждым блоком системы, предложено использовать аппарат ОПФ. Для того чтобы судить об искажении всей системы в этом случае надо провести перемножение пространственных спектров отдельных ее блоков.

Рис. 1. Индикатрисы рассеянного света для лопаток с различными параметрами шероховатости ( = 635 нм)

Произведено моделирование распределения интенсивности лазерного генератора линий. Для получения линии предложено использовать цилиндрическую оптику. Интенсивность в направлении, перпендикулярном распространению луча описывается выражением, по которому так же определен пространственный спектр источника:

I (x) = I0 exp (- ( x / r0)2)

где I0 – интенсивность в центре пучка; I (x) – интенсивность в точке плоскости, отстоящей от центра на расстояние х; величина r0 в заданной плоскости может быть определена с учетом расходимости луча по формуле: r0=0.5 f ;

где f – фокус цилиндрической линзы лазерного осветителя,

– угол расходимости лазерного луча.

Рис. 2. Распределение интенсивности лазера внутри пучка

Рис. 3. Пространственный спектр лазерного источника

Для аналитического описания процесса искажения лазерного луча при отражении от шероховатой поверхности впервые получено выражение ЧКХ шероховатой поверхности лопатки ГТД. Для этого применено уравнение переноса излучения. ЧКХ поверхности лопатки получена с учетом решения уравнения для модели процесса с применением принципа физической аналогии. Процесс отражения от шероховатой поверхности при этом был сопоставлен с процессом прохождения света через рассеивающий слой. Толщина слоя считалась равной среднему размеру микронеровности в поперечном направлении. Средний размер микронеровностей в продольном направлении равен среднему размеру рассеивающих частиц. В результате получено выражение ЧКХ, характеризующее искажение луча лазерного генератора при отражении от лопатки (рис. 4).

где - пространственная частота; – глубина слоя, – вероятность выживания фотона.

Рассчитана ЧКХ объектива в монохроматическом свете (рис.5):

где f – фокусное расстояние объектива;

D – входная апертура объектива;

– длина волны лазера.

ЧКХ ПЗС матрицы представлена выражением (рис.6):

где dх – шаг между пикселями матрицы

При известных ЧКХ отдельных звеньев прибора контроля геометрии лопаток ГТД получена результирующая ЧКХ системы. Наиболее критичным при формировании изображения является процесс отражения света от шероховатой поверхности лопатки. Передача пространственных частот системой в целом, таким образом, определяется в основном ЧКХ поверхности лопатки.

Рис. 4 ЧКХ поверхности лопатки

Рис. 5 ЧКХ дифракционно ограниченного объектива

По известной ЧКХ системы с помощью ОДПФ найдена ФРЛ, которая приведена на одном рисунке с распределением интенсивности источника для сравнения.

Рис. 6 ЧКХ ПЗС элемента

Рис. 7 ФРЛ системы и распределение интенсивности лазерного источника

Далее исследована чувствительность системы к малым изменениям геометрии объекта. Автором предложена функция описания чувствительности внутри пикселя ПЗС-матрицы к падающему излучению. Функция имеет вид:

где под х – понимается относительная величина, равная расстоянию (мм), нормированному на некую константу, х(мм) / хмах(мм).

График предложенной функции представлен на рис.8. Получена оценка, минимального изменение положения поверхности объекта, которое приведет к 10%-му изменению сигнала с пикселя ПЗС. Установлено, что смещение границ объекта на 0.006 мм приводит к уверенному обнаружению его системой (рис. 9).

Предложено для повышения точности проводить отсечку границы объекта в области, с максимальным градиентом ФРЛ.

Рис. 8. Распределение чувствительности внутри пикселя

Рис. 9. Смещение изображения и пороги его обнаружения

Произведено моделирование наложения шума на полезный сигнал на выходе системы. В результате обоснована необходимость более глубокого экспериментального исследования шумов и реальных характеристик системы контроля геометрии лопаток ГТД. Разработана схема оптической спектральной фильтрации. Полоса пропускания фильтра выбрана с учетом длины волны лазерного источника.

В третьей главе произведено экспериментальное исследование параметров системы контроля геометрии лопаток ГТД и произведена их оптимизация с целью повышения точности. Для этого разработаны и собраны два испытательных стенда и пилотный образец самого прибора.

Специально разработанный гониофотометрический стенд позволил измерить индикатрису рассеяния при отражении лазерного излучения от поверхности лопатки ГТД (рис.10). Она содержит источник света 1 (полупроводниковый лазер с длиной волны 635 нм, мощностью 5 мВт), станину 13, на которой закреплена углоизмерительная шкала 2 радиуса 100мм с ценой деления 0.5°. По шкале 2 движется каретка 3 с индексом 4, на которой закреплен фотоприемный блок ФБ. Этот блок состоит из фотодатчика 5, перед которым на оси, ориентированной по радиусу шкалы 2, последовательно установлены рассеиватель 6 (молочное стекло МС-14) для равномерной засветки фотоприемника 5, сменный светофильтр 7 с полосой пропускания, соответствующей длине волны лазера 1, сменный поляроид 8, сменная диафрагма 9 диаметром 1-5 мм для изменения апертуры фотоприемного устройства, коллиматорная линза 10, передний фокус которой совмещен с точной рассеяния лазерным лучом поверхности объекта 12.

Полученные результаты подтвердили справедливость расчетов в соответствии с моделью Бекмана и позволили уточнить конструктивные параметры прибора. Анализ полученных данных позволил предложить бесконтактную методику контроля шероховатости поверхности лопаток, для чего разработан специальный блок (рис.11), который может использоваться как совместно с основным прибором контроля геометрии, либо отдельно. Так же предложена эмпирическая формула, связывающая дисперсию индикатрисы рассеяния с параметром шероховатости Ra.

Рис 10. Схема установки для измерения индикатрисы

Схема бесконтактного измерения параметров шероховатости состоит из лазера 1, полупрозрачного светоделителя 2, коллиматорной линзы 3, объектива 6, ПЗС-матрицы 7, сигнал которой поступает в компьютер 8. Лопатка 9 расположена в фокусе линзы 3. Перед объективом 6 расположен рассеиватель 4 и диафрагма 5, выполненная в виде пластинки с отверстиями для выделения конкретных участков индикатрисы. Введение рассеивателя позволяет формировать изображение сечения индикатрисы в заданном масштабе с учетом формата ПЗС-матрицы.

Для измерений ЧКХ элементов системы разработана специальная установка (рис.12). Измерены ЧКХ объективов Индустар-95, объектива микроскопа МБС-9 и двухлинзового объектива. Измерение производилось по оптическим мирам ГОИ с масштабным коэффициентом 1:8. Схема установки приведена на рис.12.

Экспериментально получено значение относительного отверстия, при котором ЧКХ объектива оптимальна.

Измерение ЧКХ ПЗС проводилось на той же установке.

Рис. 11. Схема блока для оперативного бесконтактного измерения шероховатости

Пространственный спектр осветителя и ЧКХ поверхности лопатки измерялись по изображению лазерной линии. При измерении пространственного спектра осветителя использовались поляроиды для ослабления интенсивности.

По измеренным ЧКХ звеньев системы рассчитана ЧКХ всей системы. Результаты измеренных параметров системы в пределах 10% совпали с результатами теоретического расчета. Было подтверждено, что наиболее критичное влияние на ЧКХ системы оказывает процесс отражения света от шероховатой поверхности. Полученная ЧКХ используется в дальнейшем для повышения точности измерений.

Рис. 12. Схема установки для измерения ЧКХ объективов.

Рис. 13 Частотно-контрастных характеристики блоков системы

Были исследованы особенности изображений, получаемых пилотным образцом прибора. Установлено что в крайних сечениях (ближнем к замку и дальним от замка) существуют существенные шумовые артефакты от рассеяния излучения источника замком и торцем лопатки.

Разработан алгоритм обработки изображения, позволяющий получить яркий замкнутый контур и избавиться от шумов, спеклов и бликов. Для этого к изображению применяются последовательно операции вычитания шумов, сглаживания при помощи маски:

При этом дискретная свертка осуществляется по формуле:

.

К полученному изображению применяется гауссовский фильтр следующей конфигурации:

Рассчитаны ЧКХ, вызванные процессом воздействия цифровых фильтров на исходное изображение. По ним восстановлена экспериментальная ФРЛ всей системы, как ОДПФ произведения результирующей ЧКХ на пространственный спектр лазерного осветителя.

Рис. 14 Интенсивность на входе и ФРЛ на выходе системы

Далее к полученному изображению применяется операция биниризации, при этом порог выбирался исходя из особенностей изображений крайних сечений, а так же для повышения точности контроля порог выбирался на участке с максимальным градиентом ФРЛ. Для различных сечений выбраны различные пороговые значения, которые находятся в середине оптимального участка максимальной скорости нарастания сигнала.

Рис. 15 Определение участка с максимальной скоростью нарастания для бинаризации

На рис. 16 приведено изображение, отображающее яркостной массив до фильтрации и после нее.

Необходимые геометрические параметры лопатки рассчитываются, оперируя полученным после обработки изображением. Координаты вычисляются по средним точкам внутри линии контура.

Рис. 16 Трехмерное представление изображения сечения лопатки до и после фильтрации

Так же проведено сравнение теоретических характеристик, описывающих систему и полученных экспериментально, точность совпадения – не хуже 10%.

В четвертой главе приведено обоснование конструктивной реализации прибора контроля геометрии лопаток, приведены характеристики и внешний вид прибора. Также приведены виды экранов разработанного программного обеспечения. Вывод результатов контроля возможен как в табличном виде (рис.17) так и в графическом по аналогии с ПОМКЛ (рис.18).

Рис.17 Вывод результатов в табличной форме

Рис.18 Вывод результатов по аналогии с ПОМКЛ

Функциональная схема разработанного прибора контроля геометрии лопаток ГТД имеет вид:

Рис. 19 Функциональная схема разработанной установки лазерного контроля геометрии лопаток

Основные технические характеристики разработанного комплекса:

Габариты контролируемых изделий

до 50 х 100 х 180 мм

Погрешность измерений

0.01 мм

Быстродействие

двадцать сечений в минуту

Формат ПЗС матрицы

2500 х 1500

Габариты (без ПЭВМ)

200 х 400 х 600 мм

Оптический масштаб

Длина волны лазера

635 нм

Мощность лазера

3 мВт

Потребляемая мощность

не более 100 Вт

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»