Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных методов и средств бесконтактного контроля геометрии
10
1.1 Лопатка ГТД как объект контроля 10
1.1.1 Конструкция ГТД, лопаток компрессора и турбины 11
1.1.2 Термины и геометрические параметры лопаток ГТД 11
1.1.3 Факторы, обуславливающие особые требования к производству ГТД 14
1.1.4 Технологический процесс изготовления лопаток 14
1.1.5 Контроль при изготовлении лопаток ГТД 15
1.1.6 Шероховатость поверхности лопаток ГТД 15
1.2 Обзор методов контроля геометрии изделий сложной формы 17
1.2.1 Контактные методы контроля изделий сложной формы 17
1.2.2. Бесконтактные методы контроля изделий сложной формы 19
1.2.2.1 Одномерные бесконтактные методы контроля геометрии 19
1.2.2.2 Двумерные методы 23
1.2.2.3. Трехмерные методы 26
1.2.4 Подробный анализ наиболее перспективных методов 29
1.2.4.1 Приборы контроля геометрии, основанные на методе триангуляции.. 29
1.2.4.2 Приборы контроля геометрии, основанные на методе светового сечения 32
1.2.4.3 Приборы контроля геометрии, основанные на стереоскопическом методе 35
1.3 Выбор оптимального метода измерений 38
1.4 Структурная схема типового компьютерного измерителя трехмерных координат методом светового сечения 39
1.5 Выводы по главе 40
Глава 2. Теоретическое исследование особенностей применения метода светового сечения для контроля лопаток ГТД и исследование принципов повышения точности измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения 41
2.1 Анализ особенностей использования метода светового сечения для поверхностей с различной микрогеометрией 41
2.2 Исследование взаимодействия лазерного излучения с ОК на различных стадиях технологического цикла 46
2.3 Изучение искажения изображения оптической системой 56
2.2.1 Распределение света создаваемое источником 61
2.2.2 Формирование изображения при отражении света источника от поверхности лопатки 63
2.2.3 ЧКХ объектива 65
2.2.4 ЧКХ ПЗС-матрицы 66
2.3 Синтез результирующей оптической передаточной функции и получение сигнала на выходе системы 67
2.4 Изучение чувствительности системы к отклонениям линейных размеров в пространстве объектов 69
2.5 Восстановление изображения по известной ОПФ 72
2.5.1 Модели шума 73
2.5.1.1 Гауссов шум 74
2.5.1.2 Шум Релея 74
2.5.2 Построение оценок для параметров шума 75
2.5.3 Спектральная фильтрация для увеличения соотношения сигнал/шум 76
2.5.4 Инверсная фильтрация для восстановления изображения 79
2.6 Выводы по главе 82
Глава 3. Экспериментальное исследование и оптимизация параметров системы контроля геометрии лопаток ГТД 83
3.1 Измерение индикатрисы рассеяния лопатками различной шероховатости 83
3.1.1 Гониофотометрическая установка для измерений индикатрисы 84
3.1.2 Методика измерений индикатрисы 87
3.1.3 Результаты измерений индикатрисы 87
3.1.4 Контроль шероховатости поверхности лопаток ГТД по индикатрисе 87
3.2 Измерение Частотно-Контрастных характеристик элементов системы... 90
3.3.1 Методика измерения частотно-контрастной характеристики объективов и ПЗС 90
3.3.3 Измерение ЧКХ объективов 93
3.3.4 Измерение ЧКХ ПЗС 99
3.3.5 Требования к оптической системе на основании ЧКХ 101
3.3.6 Измерение ЧКХ процесса рассеяния излучения поверхностью лопатки.. 102
3.3.7 Измерение пространственного спектра осветителей 105
3.3.8 Синтез результирующей ЧКХ системы 107
3.4 Алгоритм обработки изображения 108
3.4.1 Предварительная обработка изображения 109
3.4.2 Сегментация изображения 119
3.4.3 Анализ изображения 120
3.5 Сравнение теоретических моделей и экспериментальных данных 121
3.6 Выводы по главе 124
Глава 4. Конструктивная реализация и результаты внедрения установки 125
4.1 Описание установки 125
4.2 Методика юстировки прибора 132
4.2.1 Юстировка осветителя 132
4.2.2 Совмещение лазерной плоскости с фокальными плоскостями коллиматоров 132
4.2.3 Совмещение изображений с использованием корреляционного анализа. 132
4.2.4 Юстировка камеры 135
4.3 Расчет на точность 135
4.3.1 Погрешность осветителей 135
4.3.2 Погрешность измерения перемещений 137
4.3.3 Погрешность системы сведения 138
4.3.4 Погрешность увеличения 139
4.3.5 Погрешность дискретизации 140
4.3.6 Погрешность квантования 140
4.3.7 Погрешность проведения измерений программой 141
4.3.8 Погрешность рабочей меры 141
4.3.9 Суммарная погрешность 141
4.4 Результаты измерений 142
4.5 Применение прибора в качестве инструмента управления системой
качества на предприятии 145
4.7 Выводы по главе 145
Заключение ; 146
Литература:
- Термины и геометрические параметры лопаток ГТД
- Исследование взаимодействия лазерного излучения с ОК на различных стадиях технологического цикла
- Гониофотометрическая установка для измерений индикатрисы
- Совмещение лазерной плоскости с фокальными плоскостями коллиматоров
Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс в таких ведущих отраслях экономики как авиакосмический и нефтегазовый комплексы, электроэнергетика, атомная промышленность требует применения изделий все более сложной формы с одновременным ужесточением требований к точности их изготовления.
В этом ряду особо выделяется область авиационного двигателестроения. Достижения в этой отрасли в большой мере определяет политическую и экономическую безопасность страны. Наряду с этим, технологии, созданные для авиационных двигателей, с успехом применяются в других национально приоритетных областях: энергетике, транспорте, при транспортировке газа и многих других.
Основной современного авиадвигателестроения является газотурбинный двигатель. Лопатки ГТД являются наиболее массовыми деталями, их общее число в двигателе может доходить до 3000.
Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, так как они являются наиболее нагруженными деталями. Они находятся в потоке газа и предназначены для изменения его параметров. Температура газа в турбине достигает 800...1200 С, в компрессоре - 300...600 С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя – быстрый нагрев в момент пуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя – вызывает циклическое изменение термических напряжений. Лопатка помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.
Контроль лопаток – важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления. В процессе производства контролю подлежат десятки геометрических параметров лопаток, определяемые требованиями технических условий, конструкторской и технологической документации, утвержденными образцам, эталонам и условиями поставки. Лопатка ГТД представляет собой изделие с очень сложной геометрической формой, и задача контроля геометрии лопаток ГТД стоит очень остро.
Принимая к рассмотрению пространственную сложность формы лопаток ГТД для обеспечения подобных объемов контроля необходимо проводить измерения многих десятков геометрических параметров для каждой лопатки.
Средства измерения, используемые в настоящий момент на отечественных серийных авиастроительных предприятиях, в большинстве своем, устарели. С течением времени становится все сложнее продлевать срок их эксплуатации. Подобные средства измерения связанны с субъективной человеческой составляющей.
Современные методы контроля геометрии изделий можно разделить на два больших класса – контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т. д.) и бесконтактные, среди которых наиболее распространены МСС, триангуляционные и стереоскопические. Стереоскопические средства контроля отличаются низкой производительностью и малой точностью. Триангуляционные средства контроля конструктивно сложны, и как следствие – проигрывают в эффективности. Особый интерес представляет МСС. Его сущность заключается в проектировании на поверхность объекта узкой световой полоски и наблюдении ее формы, адекватной профилю изделия под углом, отличным от направления освещения. Достоинства метода – бесконтактность, высокая точность измерений, получение полной информации о профиле изделия в реальном времени в выбранном сечении.
Несмотря на давнюю историю метода, он непрерывно развивается и широко применяется в промышленности. Исследованию метода посвящен рад работ – Линник В.Н., Кучин А.А. и Обрадович К.А., Beekman P. и др. Однако их результаты не отражают достижений современного оптического приборостроения, в котором широко применяются лазеры, матричные фотоприемники и цифровые методы обработки изображений. Отдельным аспектам эффективности применения этих инновационных технологий в МСС посвящен ряд исследований (Демкин В.Н., Филинов М.В., Галиулин Р.М., Кеткович А.А.). В результате этих исследований созданы предпосылки для системного анализа влияния основных факторов, определяющих точность измерений методом МСС.
В число этих факторов, прежде всего, относятся передаточные функции лазерных оптических систем, структура матричных приемников и распределение чувствительности внутри пикселя, микрогеометрия реальных поверхностей, оптические шумы (блики, спеклы и др.), оптимизация алгоритмов цифровой обработки изображений.
Для решения этой задачи необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния этих факторов на точность и производительность МСС. В связи с этим сформулируем цель диссертационной работы.
Цель работы – разработать метод и средство бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД, позволяющее проводить быстродействующий и прецизионный контроль.
Основные задачи. Для достижения данной цели требуется решение следующих основных задач:
Выявить и исследовать основные факторы, влияющие на точность измерений и предложить их оптимизацию
Исследовать оптические свойства поверхности лопаток и установить закономерности их влияния на точность измерений
Разработать алгоритм апостериорной обработки цифрового изображения лопатки ГТД, полученного МСС, позволяющий получить однородный контур и уменьшить погрешность измерения
Провести измерения геометрических параметров лопатки ГТД, подлежащих контролю по технологической карте предприятий отрасли в реальных производственных условиях
Провести исследование метрологических характеристик разработанной системы с учетом апостериорной обработки изображения и автоматических измерений геометрических параметров
Методы исследования. Анализ теоретических аспектов исследованной в диссертационной работе проблемы бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД проводился с использованием методов:
Фурье-анализа, аппарата оптических передаточных функций, теории переноса излучения, теории рассеяния света поверхностями с различной микрогеометрией, метода приближения функций, математической статистики, методов цифровой обработки изображения и математического моделирования. Обработка данных проводилась на ЭВМ по стандартным и оригинальным программам, разработанным на языке программирования Delphi 7.0 и в среде MathCAD 11.
Научная новизна заключается в следующем.
В диссертации с единых методологических позиций проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволяющий разработать основы создания высокоточных быстродействующих лазерных измерителей геометрии лопаток ГТД с различной шероховатостью поверхности.
Для этого:
-
Предложена аналитическая модель оптико-электронной системы с использованием аппарата оптических передаточных функций, позволяющая оценить предельную точность системы измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения.
-
Впервые получены зависимости, описывающие закономерности рассеяния света поверхностью лопаток ГТД и предложен метод бесконтактного экспресс-контроля параметра шероховатости поверхности лопаток Ra, основанный на учете пространственного распределения рассеянного света.
-
Предложена математическая модель деформации пространственно-частотного спектра лазерного осветителя шероховатой поверхностью лопатки с использованием теории переноса излучения и получено выражение соответствующей частотно-контрастной характеристики, что позволило получить сквозную передаточную функцию системы.
-
Предложен алгоритм эффективной апостериорной обработки изображения сечения лопатки ГТД с целью устранения шумов, спеклов и бликов, позволяющий получить контрастный однородный уверенно распознаваемый контур.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод и аппаратура высокоточного многопараметрового автоматического контроля геометрии лопаток ГТД.
-
Математическая модель оптико-электронного тракта системы контроля геометрии лопаток ГТД методом светового сечения с учетом влияния шероховатости их поверхности на качество изображения и проведение оптимизации по критерию максимальной точности.
-
Метод определения параметров лазерного прибора контроля геометрии лопаток ГТД и границы его применимости при контроле шероховатых поверхностей с учетом реального распределения световой чувствительности внутри элемента фотоприемной системы.
-
Алгоритм цифровой обработки изображения контура лопатки ГТД для подавления шумов и однозначного распознавания.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
-
Разработан пилотный образец системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД. Образец прошел апробацию в условиях ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и показал хорошие эксплуатационные и метрологические характеристики. Созданный пилотный образец позволяет проводить измерений линейных размеров лопатки с точностью 0.01 мм со скоростью 20 сечений в минуту.
-
Разработан метод бесконтактного измерения параметра шероховатости Ra для широкого класса лопаток ГТД.
-
Разработана универсальная методика юстировки и калибровки системы лазерного контроля лопаток ГТД с применением корреляционного анализа, которая применима для широкого класса лазерных измерителей геометрии объектов различной формы.
-
Прибор успешно применялся в качестве инструмента управления качеством продукции машиностроительного предприятия ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод». По результатам его применения были разработаны рекомендации по снижению уровня дефектности продукции.
-
Разработана программа апостериорной обработки лазерных изображений контура лопатки ГТД, которая может применяться в системах лазерного измерения геометрии.
-
Методы лазерного освещения и формирования цифрового изображения, представленные в диссертации могут применяться для других объектов контроля.
Реализация результатов. Система лазерного контроля геометрии лопаток ГТД нашла применение на ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и ЗАО НПЦ «Молния».
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертации, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по неразрушающему контролю и диагностике и получили положительные отзывы на семинарах и конференциях: «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики» (Могилев, 2004); «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005); Литье и металлургия (Минск, 2005); «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (МЭИ, Москва 2005, 2006) в 2005 г. получен диплом первой степени за лучшую работу.
Информация о приборе опубликована в каталоге Лазерной Ассоциации РФ. Пилотный образец прибора измерения геометрии лопаток экспонировался на международной выставке «Инновации 2006» на ВВЦ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, приведенных в списке литературы диссертации и автореферате.
Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования, определяющие защищаемые положения и методики.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 108-ти наименований. Основной текст изложен на 147 страницах, содержит 107 рисунков, 8 таблиц и 102 формулы.
Термины и геометрические параметры лопаток ГТД
Размерно-конструктивный диапазон основной массы лопаток компрессора и турбины, представлен на рис. 1.2 [50]. Из рисунка видно, что лопатки значительно различаются по габаритным размерам, конструктивным элементам пера и хвостовика. Такое разнообразие объясняется тем, что для различных летательных аппаратов (вертолетов, военных, транспортных и пассажирских самолетов) изготавливаются различные ГТД - малой, средней, большой мощности. Они значительно различаются геометрическими и термодинамическими параметрами, определяющими конструкцию лопаток.
Для более детального изучения лопаток, используемых в авиационных двигателях, обратимся к типичному представителю газотурбинных двигателей ГТД АЛ-31Ф, который устанавливается на современных самолетах семейства "Су". Его описание, состав и характеристики приведены в [Прил.1]. Там же приведены некоторые отличительные особенности лопаток компрессоров и турбин.
Основными конструктивными элементами лопаток любых ГТД являются перо, хвостовик, полки пера и хвостовика, антивибрационные и бандажные полки.
Далее приведены основные параметры лопатки, остальные приведены в [Прил.1]. Перо лопатки (рис. 1.3) - профилированная часть лопатки, находящаяся в потоке воздуха (газа). Спинка - выпуклая поверхность пера лопатки. Корыто - вогнутая или менее выпуклая, чем спинка, поверхность пера лопатки. Хорда профиля пера b - отрезок касательной к профилю пера в двух точках, ограниченный перпендикулярами к этой прямой, касающимися профиля входной и выходной кромок. Максимальная толщина профиля Cmax - диаметр максимальной вписанной в профиль окружности [50,37].
Надежность рабочих лопаток компрессора и турбины зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя хвостовика и пера лопаток. В процессе обработки в поверхностном слое образуются конструктивные и технологические концентраторы напряжений, он испытывает влияние наклепа и внутренних остаточных напряжений при механической обработке. Кроме того, поверхностный слой подвергается воздействию внешних нагрузок при основных видах напряженного состояния (изгибе, растяжении, кручении), а также внешней среды. Основными факторами, определяющими качество поверхностного слоя (шероховатость, глубину и степень наклепа, величину и характер распределения остаточных напряжений), являются физико-механические свойства обрабатываемого материала, методы и режимы механической обработки, в том числе геометрия режущего инструмента, степень его затупления и свойства смазочно-охлаждающей жидкости, упрочнение и защитные покрытия [50].
В целях достижения оптимального качества поверхностного слоя, обеспечивающего надежную работу лопаток ГТД, при отработке технологических процессов производства лопаток НИИД совместно с предприятиями отрасли разработал необходимые руководящие технические материалы для управления указанными факторами на основных операциях [84].
Отсюда вытекает необходимость оснащения производства дорогостоящим высокоточным специализированным оборудованием для обработки и контроля, а также для получения рациональных штампованных и литых заготовок.
Схема технологического процесса изготовления лопаток приведена в [Прил. 2]. Здесь лишь отметим, что на протяжении технологического цикла лопатка подвергается различным операциям механической обработки, в связи с чем, на различных стадиях технологического цикла лопатка имеет разную степень шероховатости. Понятно, что при этом резко изменяются их оптические свойства, особенно индикатриса отражения.
Повышение требований к параметрам ГТД и, соответственно, к качеству их изготовления вызывает необходимость обеспечения высокого уровня метрологии при их производстве. Уровень точности, закладываемый конструкторской документацией, при переходе от одного поколения изделий к другому в среднем повышается на 20..40% [19]. Это положение особенно характерно в отношении точности изготовления пера лопаток (ОСТ 102571-86 "Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера).
Лопатки компрессора и турбины - технически сложные детали, их длина колеблется в большом диапазоне - от 15 до 850 мм.
Степень соответствия уровня точности средств контроля допускам и контролируемые параметры в конструкторской документации регламентируется ГОСТ 8.051-81. В связи с имеющимися отклонениями от требований этого ГОСТа в производстве выполняется 100 %-й контроль геометрических размеров пера и хвостовика лопаток. Таким образом, контроль лопаток -важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления.
Своевременное выявление допущенных в производстве отступлений заданных предельных отклонений на различные элементы пера и хвостовика и технических условий на их материал позволяет повысить качество и надежность работы газотурбинных двигателей.
Контроль точности изготовления лопаток выполняется для выявления производственных отклонений от заданных допусков, определяющих допускаемые предельные отклонения от теоретических размеров элементов пера лопаток (поверхностей спинки и корыта, входных и выходных кромок), размеров хвостовиков, полок хвостовиков, бандажных и антивибрационных полок, крепежных элементов хвостовика (пазы, выборки, отверстия и др.), положения трактовых поверхностей хвостовиков и полок.
Исследование взаимодействия лазерного излучения с ОК на различных стадиях технологического цикла
Для изучения особенностей формирования изображения лазерным осветителем необходимо рассмотреть физический принцип рассеяния света на поверхности реальных объектов и свойствах получающегося рассеянного поля.
Если ограничиться скалярным приближением, то в произвольной точке пространства Р (рис. 2.5) световое поле а(Р) связано с полем на поверхности исследуемого объекта а( ) известным интегралом Кирхгофа—Френеля [63] где а(ф — поле в произвольной точке ,г)) на исследуемой поверхности; R—расстояние от этой точки до точки Р, в которой вычисляется поле а(Р), а. в — угол между нормалью к поверхности и вектором R. Свойства поля а зависят от характеристик поля ао, освещающего исследуемую поверхность [63].
Реальная поверхность лопатки подвергается различным операциям механической обработки на протяжении всего технологического цикла [Прил. 2]. Как известно, поверхность реального объекта, подвергшегося механической обработке представляет собой, как правило, чрезвычайно сложную функцию координат [95, 51]. А следовательно, поверхность лопаток имеет сложную микроструктуру. Например, металлическая поверхность после различного рода обработок (абразивная обработка, химическое травление, электролиз, окраска) будет представлять собой некоторую сложную функцию . Допустим, что нам удалось выразить эту функцию аналитически или аппроксимировать ее и тем самым найти коэффициент отражения V в каждой точке , а с ним и поле на поверхности: a=aoV (2.7)
Коэффициент отражения следует считать самой общей фотометрической характеристикой отраженного света, представляющий собой отношение отраженного потока к падающему.
В соответствии с вышеизложенным локальный коэффициент отражения V есть некоторый функционал от формы поверхности в точке [63], т. е. л V = V С (2.8)
В нашем случае важно знать не только, сколько света отражается, но и как он отражается, т. е. требуется знать пространственное распределение отраженного потока или индикатрису рассеяния. Она является и количественной и качественной характеристикой отражения и изображается кривой, показывающей зависимость интенсивности рассеянного света от угла наблюдения. Такая «плоская» индикатриса не всегда дает исчерпывающую информацию об отражающем объекте. Если объект имеет объемную или поверхностную структуру, его индикатриса является функцией не только угла наблюдения (падения), но и азимутального угла.
Для полной фотометрической характеристики такого объекта необходимо знать пространственную индикатрису рассеяния отраженного им света. В нашем случае при анализе микрогеометрии лопатки будем рассматривать плоскую индикатрису, в предположении, что кривизна лопатки оказывает влияние на макрогеометрию, а не на геометрию микроповерхности.
Приведем для наглядности иллюстрацию освещения лопатки. В соответствии с технической документацией на изготовление лопаток, контролю подлежат параметры сечения, определенного плоскостью, перпендикулярной продольной оси лопатки, как показано на рис.2.7, соответственно лазерная линия должна проецироваться на лопатку таким образом, чтобы получать сечение, ортогональное продольной оси. Теоретическое исследование отражения электромагнитного излучения шероховатой поверхностью, в том числе для выявления индикатрисы, предпринималось неоднократно. Следует отметить исследования X. Дэвиса [2], П. Бекмана [1]. В работе П. Бекмана, наиболее полно исследовано отражение электромагнитного излучения от шероховатой поверхности.
В работе [91] сравнивались две вышеназванные теоретические модели, на основании проверки закона сохранения энергии было выявлено, что модель Бекмана имеет превосходство перед моделью Дэвиса. Поэтому, для наших расчетов воспользуемся теорией Бекмана.
Для количественного расчета индикатрисы в трудах Бекмана и Топорца используется понятие коэффициента яркости.
Яркость идеального, непоглощающего свет рассеивателя (ламбертовского), принимают за эталонную меру и сравнивают с ней яркость любого диффузно отражающего объекта. Отношение яркости исследуемого объекта к яркости идеального рассеивателя, имеющего коэффициент отражения, равный единице, и находящегося в тех же условиях освещения, называют коэффициентом яркости [83]. Связь между коэффициентом отражения и коэффициентом яркости обосновывается далее.
Поскольку шероховатая поверхность является сложным объектом, то автором были приняты следующие упрощающие задачу предположения: 1) размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения; 2) радиус кривизны рассеивающих элементов много больше длины волны; 3) затенение одних элементов другими отсутствует; 4) подсчитывается электромагнитное поле только в зоне Фраунгофера; 5) многократное отражение отсутствует; 6) плотность микронеровностей не рассматривается.
Топография поверхности, подвергшейся механической обработке, достаточно сложна, но в дальнейших расчетах предполагается, что поверхность изотропна и образована непрерывным, стационарным, случайным процессом. Функция двумерного распределения и коэффициент автокорреляции автором приняты гауссовскими.
Для расчета индикатрисы, как изменения коэффициента яркости от угла наблюдения, введем следующие обозначения (рис. 2.6)
Здесь у и С, - углы, относящиеся к падающему световому пучку, причем первый с нормалью к освещаемому объекту, второй— азимутальный, а 0 и ф — такие же углы для отраженных пучков света.
Гониофотометрическая установка для измерений индикатрисы
Измерение индикатрисы будем проводить гониофотометрическим методом. Современные технологии прецизионных гониофотометрических измерений базируется в основном на установках с оптико-маханическим угловым санированием рассеянного объектом оптического излучения с помощью узкоугольных детекторов. Подобные установки отличаются высоким угловым разрешением (от 0.1 до 1), широким спектральным и широким динамическим диапазоном [30]. В качестве источника мы будем использовать лазерный осветитель, такой, как и в разрабатываемом приборе. Для борьбы с внешними засветками применяются спектральная селекция полезного излучения, модуляция светового потока, угловая селекция [49]. Регистрация индикатрис производится цифровыми приборами.
Основной недостаток подобных систем - низкое быстродействие. Для устранения этих недостатков разрабатываются быстродействующие гониофотометрические системы с использованием многоэлементных приемников, например ПЗС-матриц, линек и волоконно-оптических элементов. В настоящее время их динамический диапазон не превышает 40-50 дБ.
В наших экспериментах мы старались совместить достоинства обоих методических подходов, в связи с чем, были разработаны две схемы гониометров.
Первая установка построена по классической схеме. Ее оптико-конструкторская схема приведена на рис.3.2.
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. Таким образом, на фотоприемник всегда падает пучок с малой угловой расходимостью, т.е. практически параллельный. Поскольку диаметр лазерного пучка на объекте о 1мм, а фокусное расстояние линзы г=50мм, то угол расходимости пучка на выходе линзы 10 не превышает S arctg(d/J) l (3.2)
Угловая апертура линзы 10 в пространстве объектов изменяется в пределах 1-5, в зависимости от требований к угловой разрешающей способности гониофотометра и реальной чувствительности фото детектора 14.
Лазер 1 может устанавливаться под различными углами ф к нормали поверхности лопатки 12. При этом он перемещается по дополнительной круговой шкале радиуса 150мм, дискретностью 5 (на рис. 3.2. не показана). Кроме того, для обеспечения возможности углового перемещения каретки 3 без перемещения луча лазера в пределах от 0 до 180 в вертикальной плоскости, лазерный луч наклонен относительно этой плоскости на угол є=3. При этом, как показали эксперименты, это практически не сказывается на результатах измерения. Вид установки для измерения индикатрисы В качестве фотодетекторов применялся серийный микролюксметр Р-555 с вынесенным фотодатчиком, в качестве которых использовался фотодиод ФД-7К (Р-555). Диапазон измерения освещенности Д-555 составляет от 10" до 10 люкс [42]. Спектральный диапазон чувствительности фотодиода составляет 0.4-1.3 мкм. При измерениях в световом диапазоне они снабжаются светофильтрами типа ЗС-1 для коррекции их спектральной чувствительности под кривую видности глаза. Погрешность фотодетектора- не более 5%.
Основные технические характеристики гониофотометра: Измеряемые величины - угловое распределение плотности силы света, кандел/град угловое распределение яркости, (кд/стер.)/град, коэффициент яркости. Угловой диапазон измерений, 0-180. Угловая разрешающая способность, 0.5. Угловая апертура фотоприемного блока, 0.5 - 5. Спектральный диапазон измерений, 0.4-1.3 мкм. Динамический диапазон измерений микролюксметра Р-555 0.001-999 лк Постоянная времени фотодиодов - 1 с. Калибровка гониофотометра производилась по стандартным образцам диффузного отражения из молочного стекла МС-13 и образцам для поверки блеском еров.
Измерение индикатрисы силы света производилось перемещением каретки по угловой шкале и снятием соответствующих отсчетов с индикатора микролюксметра Р-555.
Измерения проводились при нормальном радении света на объект, что моделировало ситуацию, которая имеет место в приборе контроля профиля лопаток.
Проводились измерения индикатрис отражения света для лопаток различной шероховатости при нормальном падении луча. Приведены типичные результаты в относительных единицах для виброшлифованной лопатки (с самым большим Ra) на рис. 3. На основании того, что отражение света от поверхностей с различной шероховатостью носит различный характер, автором предложено контролировать параметры шероховатости лопаток ГТД по индикатрисе рассеяния. Для этого в установке контроля геометрии лопаток предусмотрен блок для измерения индикатрисы без механического сканирования.
Для оперативного измерения индикатрисы отражения нами предложена технология, основанная на автоколлимационном методе регистрации рассеянного светового потока. Схема, реализующая эту технологию, показана на рис. 3.4.
Она 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 вьщелепия конкретных участков индикатрисы. Введение рассеивателя позволяет формировать изображение сечения индикатрисы в заданном масштабе с учетом формата ПЗС-матрицы.
Предварительное исследование индикатрис конкретных лопаток показало, что они имеют достаточно монотонный характер и для воспроизведения их характера достаточно ограниченное количество дискретных ординат. Автором предложено воспользоваться N=20 точками в интервале 90. Для этого ось коллиматорной линзы установлена под углом к оси падения луча лазера, составляющим 45. Угол охвата коллиматорной линзы выбран соответствующим (f=50mm, D=50 mm, отн. отв. 1:1).
Совмещение лазерной плоскости с фокальными плоскостями коллиматоров
В этом случае получен дисбаланс. Причина, вероятно, заключается в том, что при измерении экспериментальной ЧКХ на показания оказывал влияние так же объектив, вмонтированный в камеру, в связи с чем, удалить его не представлялось возможным.
С помощью решения уравнения переноса излучения была получена модель пространственной характеристики шероховатой поверхности при отражении от нее света. В третьей главе на основе экспериментальных изображений были получены реальные ЧКХ лопаток.
Полученные результаты приведены на рис. 3.45. Как видно, расхождения в характеристиках не превышают десяти процентов. Это доказывает правильность предложенной математической модели. Заметим так же что ЧКХ лопатки ГТД была предложена впервые.
Были предложены модели описания распределения интенсивности лазера внутри пучка. Как видно их спектр хорошо отвечает полученным экспериментальным данным с использованием полупроводникового лазера малой мощности.
Таким образом, предложенная математическая модель оптико-элеткронной системы контроля профиля лопаток ГТД полностью подтвердилась экспериментально.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям и оптимизации параметров системы контроля геометрии лопаток ГТД.
1. Проведены уникальные исследования оптических характеристик лопатки. Экспериментально получено пространственное распределение интенсивности отраженного поверхностью лопатки света. Это подтвердило ранее принятую теоретическую модель и позволило получить данные для конструктивной реализации прибора.
2. Предложено измерять шероховатость лопаток по распределению интенсивности отраженного света. Для чего разработана специальная оптическая схема, которая может применяться как в отдельности, так и в составе прибора контроля геометрии лопаток.
3. Проверены теоретические модели частотно-контрастных характеристик элементов системы, предложенные ранее. Экспериментально полученная ЧКХ объектива хорошо соответствует теоретической модели, но слабо влияет на результирующую.
4. Установлено, что пространственный спектр осветителя и ЧКХ лопатки совпадают в пределах 10%. Что свидетельствует о правомерности принятой математической модели Гаусса для описания распределения интенсивности внутри пучка.
5. ЧКХ ПЗС-матрицы несколько отличается от расчетной, это обусловлено принципиальной неразделимостью объектива и матричного приемника в используемом фотоаппарате.
6. ЧКХ процесса рассеяния света лопаткой хорошо совпало с моделью, основанной на решении уравнения переноса излучения. Так же установлено, что именно лопатка является самым критичным звеном по фильтрации пространственного спектра.
7. Была получена общая ЧКХ системы, из которой был синтезирован отклик системы на входной сигнал лазерного осветителя (ФРЛ). Для повышения чувствительности системы автором предложено при обработке изображения проводить операцию бинаризации на участке с максимальным градиентом ФРЛ.
8. Синтезирован алгоритм обработки изображения, позволяющий проводить измерения по изображениям, полученным на установке.
9. Создан стенд для измерения индикатрисы и оптических передаточных функций звеньев системы.
Измерения параметров профиля лопатки, как было описано в главе 1, производится методом светового лазерного сечения. Для этого в сечение, подлежащие контролю следует спроецировать узкую лазерную полосу, формируемую специальным осветителем. (Рис.4.1)
Для формирования узкой лазерной полосы на объекте контроля, необходимо проделать несколько операций с лазерным лучом, для этого в приборе используются осветители. В осветителе луч лазера попадает на цилиндрическую линзу, благодаря чему из параллельного пучка получается веерный расходящийся пучок (но той же толщины, что и луч лазера). Для уменьшения толщины полоски расходящийся веерный пучок фокусируется на лопатке сферической линзой.
Выбор сечения может осуществляется путем перемещением лопатки.
Две узкие лазерные полосы, отраженные от обеих сторон лопатки формируют изображения в двух оптических каналах, при этом один канал несет изображения одной стороны контура лопатки (корыта), другой канал - другой стороны (спинки).
1 Расположение блоков структурной схемы при проведении контроля Необходимо предусмотреть наличие спектрального фильтра, для выполнения функции отстройки от шумов. Для совмещения изображений спинки и корыта лопатки, полученных двумя различными оптическими каналами, в одно изображение необходимо использовать специальную систему оптического совмещения. Также возможно алгоритмическое совмещение двух изображений, полученных с двух ПЗС-камер.
Для реализации в установке используется следующая схема совмещения. Лучи, сформированные обоими каналами попадают на кубическую призму со светоотражающей гранью с ортогональных направлений, кроме этого подобная схема не имеет недостатков, касающихся расфокусировки и нерезкости изображения.
При реализации данной схемы совмещения двух световых потоков длина оптического хода лучей двух каналов от объекта контроля до объектива будет различна. На входе устройства совмещения необходимо получить параллельные пучки, в этом случае совмещенное изображение обоих каналов будет наиболее резкое и однородное по яркости. Для этого лазерная плоскость осветителя должна находиться в фокальной плоскости объектива. Фокусное расстояние объектива и коллиматора будет определять масштаб получаемого изображения.
Рассчитаем необходимый масштаб преобразования изображения, исходя из того, чтобы получить наибольшую точность, т.е. обеспечить максимальный размер изображения контура при полном вписаний наибольшего сечения лопатки в кадр.
