Устройство для определения отклонения поверхности объекта от образующей

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА ОТ ОБРАЗУЮЩЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Рыжевич Анатолий Анатольевич Солоневич Сергей Васильевич Лепарский Владимир Евгеньевич Смирнов Андрей Геннадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для определения отклонения поверхности объекта от образующей, содержащее источник лазерного излучения, генерирующий световой пучок, направленный на поверхность исследуемого объекта под острым углом к его образующей таким образом,что образующая исследуемого объекта лежит в плоскости падения пучка, -камеру,сопряженную с компьютером, для регистрации и анализа серии распределений интенсивности излучения, причем компьютер позволяет рассчитать по серии зарегистрированных-камерой распределений интенсивности профиль поверхности и ее шероховатость,юстировочную систему, обеспечивающую возможность позиционирования платформы с закрепленными на ней источником лазерного излучения и системой регистрации на основе -камеры и исследуемого объекта относительно друг друга, отличающееся тем, что между источником лазерного излучения и исследуемой поверхностью на оси светового пучка дополнительно последовательно установлены коллиматор и положительная цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 20100 мм, фокусирующая коллимированный световой пучок в плоскости образующей объекта в световое пятно, вытянутое перпендикулярно этой образующей, перед -камерой установлен микроскоп, ось которого лежит в плоскости падения светового пучка и перпендикулярна образующей объекта, с 99152014.02.28 возможностью измерения посредством -камеры величины смещения вытянутого фокусного светового пятна на поверхности исследуемого объекта вдоль его образующей,причем на пути излучения между источником лазерного излучения и -камерой, предпочтительно перед коллиматором, опционально установлен аттенюатор для вывода интенсивности излучения, падающего на приемник -камеры, в ее линейный диапазон восприятия.(56) 1. Глеч Л.А. Контроль качества поверхностей деталей лазерным излучением. Оптимзаця виробничих процесв (Оптимизация производственных процессов). - Вип. 11 Зб. наук. пр. - Севастополь СевНТУ, 2009. - С. 166-168. 2. Патент 9654, 2007. 3. Патент 9881, 2007. 4... .2003. - . 9. - . 09 (////0809//.). 5. Патент 8170, 2012. Предполагаемое устройство относится к области оптической метрологии и может быть использовано для контроля и количественных измерений отклонения от формы цилиндрических, конических и плоских объектов с целью проверки качества изделий и диагностики двигающихся рабочих узлов с изнашивающейся рабочей поверхностью в промышленности, например прокатных валов или прессов. Профили поверхностей деталей, как правило, имеют неровности сложного характера,оказывающие существенное влияние на эксплуатационные показатели 1. Различают три вида неровностей, которые характеризуются значениями отклонений шаганеровностей к их высотемакронеровности, представляющие собой отклонения поверхности от правильной геометрической формы волнистость, характеризующуюся периодически повторяющимися неровностями, шаг которых значительно превышает их высоту микронеровности или шероховатости, представляющие собой совокупность неровностей с относительно малым шагом 1. Неровности с отношением /50 характеризуют шероховатость поверхности,1000/50 - волнистость и при /1000 - отклонения формы 1. Механическая обработка объекта и его последующая эксплуатация образуют специфическую геометрию объекта с наличием неровностей определенных видов, и в зависимости от назначения объекта, его роли в технологическом процессе в каждом конкретном случае выставляются определенные требования к качеству поверхности объекта. Для определения наличия тех или иных видов неровностей на поверхностях объектов разрабатываются специальные устройства, зачастую называемые профилометрами. Отдельной группой стоят бесконтактные профилометры, среди них выделяются оптические,которые используют в качестве рабочего инструмента световое излучение. В 1 описано устройство для определения шероховатости поверхности перемещаемого объекта, состоящее из позиционирующего устройства для перемещения объекта, лазерного излучателя, точечного измерителя интенсивности отраженного излучения со спеклструктурой и статистического анализатора зарегистрированного сигнала. Данное устройство не позволяет измерить макронеровности и волнистость поверхности. Известно устройство измерения профиля цилиндрических и конических поверхностей 2, содержащее источник светового пучка, систему регистрации интерференционной кар 2 99152014.02.28 тины, двухплечевой интерферометр, телескопическую систему и конические оптические элементы. Данное устройство не позволяет определять шероховатость поверхности, параметры неровностей плоских поверхностей и требует сравнительно высокого качества поверхности исследуемого объекта, поскольку для формирования интерференционной картины необходим не диффузно рассеянный, а практически зеркально отраженный свет. Существует устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей 3, содержащее источник лазерного излучения, телескоп, систему формирования опорного и предметного световых пучков, систему регистрации интерференционной картины. Устройство предназначено только для контроля объектов с хорошо отражающей цилиндрической поверхностью сравнительно высокого качества и не позволяет определить отклонения от формы шероховатых объектов. Кроме того, данное устройство, как и предыдущее, требует наличия свободного пространства вокруг исследуемой поверхности объекта, что выполнить в условиях реального производства не всегда возможно. Измерение больших по размерам объектов с помощью устройства 3 также весьма затруднительно, поскольку при создании оптической схемы необходимо использовать оптические элементы с размерами, превышающими диаметр исследуемого объекта. Известен профилометр 4, состоящий из импульсного источника лазерного излучения, генерирующего тонкую протяженную полосу света на поверхность объекта, закрепленного с возможностью вращения относительно оси его симметрии, и камеры, на которую последовательно проецируются и записываются полоски света, возникающие на поверхности объекта от каждого светового импульса. Профилометр позволяет определять только макронеровности, т.е. сравнительно большие отклонения поверхности от правильной геометрической формы. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения отклонения поверхности от образующей 5, включающее следующие элементы источник лазерного излучения, направленного на поверхность исследуемого объекта, -камеру, регистрирующую серию распределений интенсивности светового излучения, отраженного поверхностью объекта, компьютер для записи и анализа записанных распределений интенсивности, котировочную систему, обеспечивающую возможность контролируемого поступательного перемещения объекта и платформы с источником лазерного излучения и системы регистрации на основе -камеры относительно друг друга. Источник лазерного излучения генерирует тонкий световой пучок с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении, падающий на исследуемый объект под острым углом к его образующей таким образом, что образующая исследуемого объекта лежит в плоскости, образованной падающим и отраженным пучком. Компьютер позволяет рассчитать по серии зарегистрированных -камерой распределений интенсивности профиль поверхности по изменению угла отражения светового пучка при перемещении платформы по направляющей и шероховатость по серии распределений интенсивности. Угол между падающим на поверхность световым пучком и образующей исследуемого объекта, отличный от прямого, является причиной существенного снижения разрешающей способности данного устройства при определении отклонения поверхности от образующей, поскольку при наклонном падении пучка на объект размер светового пятна на поверхности объекта растет пропорционально величине / П,где- видимый диаметр светового пучка, П - угол падения. Задачей предлагаемой полезной модели является неразрушающее бесконтактное измерение всех видов неровностей на объектах, закрепленных с возможностью контролируемого перемещения относительно источника излучения и регистрирующей системы, в том числе не дающих зеркального отражения, шероховатых, крупногабаритных, с поверхностями, имеющими в качестве образующей прямую, т.е. цилиндрическими, коническими и плоскими. 99152014.02.28 Предлагаемое устройство для определения отклонения поверхности от образующей включает следующие элементы источник лазерного излучения, генерирующий световой пучок, направленный на поверхность исследуемого объекта под острым углом к его образующей таким образом, что образующая исследуемого объекта лежит в плоскости падения пучка, -камеру, сопряженную с компьютером, для регистрации и анализа серии распределений интенсивности излучения, причем компьютер позволяет рассчитать по серии зарегистрированных -камерой распределений интенсивности профиль поверхности и ее шероховатость, юстировочную систему, обеспечивающую возможность позиционирования платформы с закрепленными на ней источником лазерного излучения и системой регистрации на основе -камеры и исследуемого объекта относительно друг друга. Устройство дополнительно обладает следующими отличительными признаками между источником лазерного излучения и исследуемой поверхностью на оси светового пучка дополнительно последовательно установлены коллиматор и положительная цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 200100 мм, фокусирующая коллимированный световой пучок в плоскости образующей объекта в световое пятно, вытянутое перпендикулярно этой образующей, ось светового пучка, падающего на поверхность объекта, составляет предпочтительно 4050 С образующей объекта, перед -камерой установлен микроскоп, ось которого лежит в плоскости падения светового пучка и перпендикулярна образующей объекта, с возможностью измерения посредством камеры величины смещения вытянутого фокусного светового пятна на поверхности исследуемого объекта вдоль его образующей, причем на пути излучения между источником лазерного излучения и -камерой, предпочтительно перед коллиматором, опционально установлен аттенюатор для вывода интенсивности излучения, падающего на приемник-камеры, в ее линейный диапазон восприятия. Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого устройства на фиг. 2 представлена фотография одного из экземпляров предлагаемого устройства, реализованных авторами настоящей заявки для исследования эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства на фиг. 3 представлена фотография дефекта на цилиндрическом объекте, сделанная с видом, направленным по касательной к поверхности объекта на фиг. 4 показано пропорционально масштабированное изображение дефекта с обобщенной пунктирной огибающей дефекта, полученное с фотографии на фиг. 3 на фиг. 5 показано сравнение зарегистрированного устройством профиля поверхности с обобщенной пунктирной огибающей дефекта, построенной на фиг. 4 на фиг. 6 представлена фотография дефекта на цилиндрическом объекте, сделанная с видом, направленным по нормали к поверхности объекта на фиг. 7 показано инвертированное изображение светового пятна на поверхности исследуемого объекта, зарегистрированного -камерой. Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, коллиматора 2,положительной цилиндрической линзы 3, микроскопа 4, -камеры 5, аттенюатора 6,закрепленных на платформе 7, компьютера 8, сопряженного с -камерой 5, с программами для записи и анализа зарегистрированных -камерой 5 распределений интенсивности и юстировочной системы для позиционирования исследуемого образца 9 и платформы 7 относительно друг друга. Лазерный излучатель 1 закреплен на платформе 7 относительно микроскопа 4 и -камеры 5 таким образом, что пучок его излучения после расширения коллиматором 2 и фокусировки цилиндрической линзой 3 падает на поверхность исследуемого объекта под острым углом П, предпочтительно в диапазоне 4050 , причем плоскость падения пучка параллельна образующей поверхности исследуемого объекта. Цилиндрическая линза 3 с фокусным расстояниемустановлена таким образом, что фокусное пятно вытянуто в направлении, перпендикулярном образующей объекта. Микроскоп 4 и -камера 5 закреплены на платформе 7 с возможностью изме 4 99152014.02.28 рения величины смещения центра светового пятна в месте падения светового пучка на поверхность исследуемого объекта 9. Аттенюатор 6 для вывода интенсивности лазерного излучения, регистрируемой -камерой 5, в линейный диапазон ее восприятия закреплен на пути светового пучка между излучателем 1 и -камерой 5, предпочтительно между коллиматором 2 и линзой 3. Устройство работает следующим образом. Исследуемый объект 9 и платформа 7 устанавливаются с помощью котировочной системы таким образом, чтобы обеспечить возможность контролируемого поступательного смещения относительно друг друга в направлении, параллельном направляющей объекта, объекта и платформы 7 с установленными на нее источником лазерного излучения 1, коллиматором 2, линзой 3, микроскопом 4, -камерой 5 и, опционально, аттенюатором 6. Световой пучок источника лазерного излучения 1 после уменьшения расходимости коллиматором 2 фокусируется цилиндрической линзой 3 в вытянутое фокусное пятно в плоскости образующей исследуемого объекта 9. Фокусное пятно вытянуто в направлении, перпендикулярном образующей объекта. Аттенюатор 6 опционально, т.е. при необходимости, выводит интенсивность лазерного излучения, попадающего на приемник -камеры 5, в диапазон ее линейного восприятия. Световое пятно на поверхности объекта увеличивается с помощью микроскопа 4 и регистрируется -камерой 5, сопряженной с компьютером 8. С помощью соответствующей программы (например,или ) на компьютере определяется начальное положение фокусного светового пятна на участке поверхности объекта, совпадающем с заданной образующей. Положение фокусного пятна определяется координатой центра гауссовой функции, построенной в качестве аппроксимирующей к зарегистрированному распределению интенсивности. После этого юстировочной системой производится смещение объекта и платформы 7 относительно друг друга вдоль образующей объекта на определенное заданное расстояниеи вновь определяется положение светового пятна. При наличии неровности на поверхности объекта фокусное пятно смещается относительно оси микроскопа 4. По смещению пятна определяется отклонение от образующей поверхности в месте падения светового пучка. Затем цикл смещение-регистрация-определение отклонения повторяется вдоль заданного участка объекта, благодаря чему определяется профиль исследуемого объекта вдоль линии, описанной световым пятном на поверхности объекта при поступательном смещении объекта 9 и платформы 7 относительно друг друга. Затем, если объект цилиндрический или конический, он проворачивается на малый угол таким образом, чтобы обеспечить необходимое разрешение, и серия измерений вдоль заданной образующей объекта повторяется. Если объект имеет плоскую поверхность, после проведения измерений вдоль одной линии объект перемещается поступательно в направлении, перпендикулярном образующей, на величину, обеспечивающую необходимое разрешение, после чего происходит очередная серия измерений. Посредством расчета профиля объекта по линии вдоль образующей определяются макронеровности и волнистость. Микронеровности детали, т.е. шероховатость, определяются по методике, описанной в 1, основанной на подсчете значительных колебаний интенсивности вдоль любой прямой линии на распределении интенсивности в сечении отраженного поверхностью пучка, поскольку отраженный не зеркально гладкой, т.е. шероховатой, поверхностью световой пучок имеет распределение интенсивности в виде спеклов с определенным средним размером. Чем больше микронеровности, тем мельче спеклы. Во многих случаях порядок работы устройства может быть упрощен. Так, при использовании цилиндрического объекта в определенных однотипных технологических процессах (например, прокатке цилиндрическим валом листов одинаковых размеров) отклонение на определенном расстоянии от края объекта не изменяется при вращении цилиндрического объекта вокруг оси, тогда для определения профиля детали достаточно провести измерения вдоль линий при 3-4 углах поворота объекта. Аналогичным образом при измерении объекта с плоской поверхностью (например, пресса, которым многократно обраба 5 99152014.02.28 тываются одинаково располагающиеся прямоугольные листы одинаковых размеров) достаточно произвести по 2-3 измерения вдоль линий вблизи краев и вблизи центра объекта. Если предполагаемые размеры дефектов на объектах существенно превышают достижимый устройством предел разрешения, расстояниеможно увеличить для увеличения скорости измерений. Возможность реализации предполагаемой полезной модели подтверждена экспериментально. На фиг. 2 приведена фотография одного из вариантов предлагаемого устройства, созданных авторами данной заявки. В качестве источника излучения используется лазер ЛГН-207 Б с длиной волны излучения 632,8 нм, мощностью около 1 мВт и диаметром пучка около 1 мм. Распределения интенсивности регистрировались -камерой 2.0.0010.1.21100.00 -2250- (разрешение 16001200 пикселов, размер чувствительного элемента 7,044,28 мм 2, размер пиксела 4,44,4 мкм 2). В устройстве использовалась положительная цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 25 мм. При отклонении поверхности объекта 9 от заданной образующей в сторону от линзы 3 на расстояниесветовое пятно на поверхности смещается вправо на расстояние . И наоборот, при отклонении поверхности объекта 9 от заданной образующей в сторону к линзе 3 на расстояниесветовое пятно на поверхности смещается влево на расстояние . При постоянном угле падения П величина отклонения поверхности от образующейи величина смещения светового пятнасвязаны соотношениемП. Для удобства измерения величины отклонения строится калибровочный график, показывающий зависимость смещенияот отклонения поверхности . Для измерений удобно использовать угол падения 45. В этом случае. Изменяя увеличение регистрирующей системы микроскопкамера, с помощью изготовленного образца устройства можно измерять отклонения поверхности от образующей не менее, чем на 5 мм в обе стороны с абсолютной погрешностью, не превышающей 1 от заданного диапазона измерений. Разрешение устройства как вдоль образующей, так и в перпендикулярном ей направлении определяется техническими характеристиками используемой системы позиционирования. В изготовленном образце устройства разрешение в обоих направлениях составляет 10 мкм. Опциональность аттенюатора в оптической схеме устройства обусловлена тем, что в достаточно широком диапазоне интенсивностей -камера работает в линейном диапазоне восприятия, и аттенюатор в этом случае не нужен. На фиг. 3 показана фотография дефекта на цилиндрической трубе в виде двухпичкового углубления при фотографировании с видом по касательной к поверхности. Фигурной скобкой показан участок снимка, выделенный для последующего масштабирования. На фиг. 4 произведено масштабирование участка фотографии из фиг. 3 в пропорциях графика из фиг. 5. Пунктирной линией показана видимая сбоку, обобщенная в силу малой разрешающей способности объектива и электронного формата фотографии огибающая дефекта. Округлые края углубления закрывают его дно с двумя продольными выемками, поэтому с помощью фотографирования по касательной невозможно определить точный профиль объекта в месте дефекта. Глубина реального дефекта в действительности больше, чем это видно на фотографии фиг. 3. Для увеличения скорости измерения профиля изделия в данном случае в силу большого размера дефекта было достаточно производить измерения величины отклонения не через каждые 10 мкм, а гораздо реже - через 0,5 мм. На фиг. 5 показано сравнение измеренного с помощью изготовленного устройства профиля объекта в месте дефекта (круглые точки измеренные через каждые 0,5 мм значения отклонения, тонкая сплошная линия - результат сглаживания методом Савицкого-Галая линии профиля, построенной по экспериментальным значениям величины отклонения поверхности от образующей) с обобщенной огибающей дефекта (пунктирная линия), построенной с помощью фиг. 4. Построенный по измеренным с помощью устройства отклонениям поверхности объекта от заданной образующей профиль объекта хорошо соответствует реальной конфигурации поверхности объекта на линии измерения в месте дефекта (фиг. 6) и характеризует макронеровности и 6 99152014.02.28 волнистость объекта. Световое пятно, регистрируемое -камерой, представляет собой рассеянное поверхностью лазерное излучение (фиг. 7), поэтому по размерам спеклов можно определить средний размер микронеровностей (шероховатость) поверхности в месте падения пучка в соответствии с методом, предложенным в 1. Поскольку рабочим инструментом является световое излучение, не требуется механического контакта с поверхностью исследуемого объекта. Поэтому возможно исследование поверхностей деталей действующих механизмов, в том числе нагретых, в условиях реального производства. В процессе измерений можно использовать лазерное излучение малой мощности, безопасное для органов зрения и не оказывающее разрушающего воздействия на поверхность объектов в подавляющем большинстве случаев (за исключением объектов,покрытых фоточувствительными материалами). Таким образом, предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной задачи. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8