ЛАЗЕРНЫЙ ПРОФИЛОМЕТР Российский патент 2009 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для бесконтактного контроля профиля изделий сложной формы, например лопаток турбин и т.п.

Известен лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы

[1]. Сущность его заключается в том, что известный лазерный профилометр содержит два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью лопатки, и расположены симметрично под углами α к продольной оси лопатки, оптическая ось объектива телекамеры совпадает с осью первого дополнительного объектива, между этими объективами установлен светоделитель, на пересечении оптической оси второго дополнительного объектива с перпендикуляром, восстановленным из точки пересечения отражающей грани светоделителя с осью объектива телекамеры, в плоскости расположения оптических осей объективов перпендикулярно этой плоскости установлен отражатель, точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров и продольной осью лопатки.

Предложено в лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы типа лопаток турбин методом светового сечения, содержащий механизм крепления и продольного перемещения лопатки, два лазера с цилиндрическими линзами для щелевой подсветки лопатки, расположенные симметрично относительно лопатки с ее противоположных сторон и формирующие плоские световые пучки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телекамеру, компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, два объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью лопатки, расположенных симметрично под углами α к продольной оси лопатки, светоделитель, расположенный между первым дополнительным объективом и объективом телекамеры на его оптической оси, совпадающей с осью первого дополнительного объектива, а также отражатель, расположенный в плоскости, образованной осями объективов в точке пересечения оптической оси второго дополнительного объектива с перпендикуляром к оси объектива телекамеры, проведенным через точку ее пересечения с отражающей гранью светоделителя в плоскости, образованной осями дополнительных объективов под углом β=(90°-2α)/2 к оси второго дополнительного объектива, причем точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров с продольной осью лопатки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены две оптические прозрачные плоскопараллельные пластинки из материала, максимум спектра пропускания которого соответствует длине волны излучении лазеров, а спектральная прозрачность вне этого участка длин минимальна в диапазоне спектральной чувствительности телекамеры, пластинки установлены перед входными зрачками дополнительных объективов с возможностью вращения относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через оптические оси дополнительных объективов, ось вращения первой плостинки параллельна вертикальному диаметру входного зрачка первого дополнительного объектива, а ось вращения второй пластинки параллельна горизонтальному диаметру входного зрачка второго дополнительного объектива, толщина пластинок В_мм, показатель преломления n выбираются из соотношения

,

где - константа материала пластинки, Δ (мм) - требуемая минимальная величина смещения изображений световых профилей в плоскости объектов, γ(радиан) - угол поворота пластинки, соответствующий этому смещению, а диаметры D_n пластинок отвечают условию

D_n≥D_К, где D_К - диаметры входных зрачков дополнительных объективов.

Изобретение поясняется фиг.1-3.

Профилометр состоит из узлов крепления 2 и продольного перемещения 3 лопатки 1 вдоль ее продольной оси, двух симметрично расположенных по обе стороны лопатки лазерных щелевых осветителей, состоящих из лазеров 4 и 4' и цилиндрических линз 5 и 5', формирующих на боковых поверхностях лопатки узкие световые полоски, визуализирующие профиль лопатки в заданном сечении. Плоские световые лучи, формирующиеся лазерными осветителями, лежат в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки. Оптические оси лазеров 4 и 4' лежат на одной прямой, проходящей через точку пересечения продольной оси лопатки с плоскостью распространения плоских лазерных лучей.

В плоскости, образованной продольной осью лопатки и осями лазеров, расположены под углами α к продольной оси лопатки оптические оси двух дополнительных объективов 6 и 6' диаметром D_к с фокусными расстояниями . Фокусы объективов 5 и 5' совмещены с точкой пересечения осей лазеров с продольной осью лопатки.

Перед первым дополнительным объективом 6 на его оптической оси последовательно установлены светоделитель 8 и цветная телекамера, содержащая объектив 9 с фокусным расстоянием и диаметром D₀ и ПЗС-матрицу размером d×d₁, установленную в фокальной плоскости объектива 9.

Светоделитель 8 выполнен в виде призмы-куба, полупрозрачная отражающая поверхность которого, совпадающая с диагональной плоскостью призмы-куба, ориентирована под углом 45° к оси объектива 9 и перпендикулярна плоскости расположения оптических осей дополнительных объективов 6 и 6'. На пересечении оптической оси второго дополнительного объектива 6' и перпендикуляра, восстановленного из точки пересечения отражающей поверхности призмы-куба с осью объектива 9, в плоскости расположения оптических осей объективов 6 и 6' перпендикулярно этой плоскости установлен отражатель 7, нормаль к которому расположена под углом к оптической оси второго дополнительного объектива 6'.

Диаметры D_к объективов 6 и 6' выбираются из условия D_к≤D₀ в соответствии с требованиями к допустимой величине геометрического преобразования изображения светового сечения объекта с максимальной величиной H.

Обработка результатов измерений производится с помощью компьютера 11 с дисплеем 12.

Плоскопараллельные пластинки 13 и 13' установлены перед входными зрачками объективов 6 и 6'.

Поскольку фокальные плоскости объективов 6 и 6' совпадают с плоскостью объекта, на их выходе формируются параллельные пучки, которые затем фокусируются объективом 9, формируя в плоскости изображения ПЗС-матрицы 10 изображения светового контура лопатки в выбранном сечении. При этом, по свойству телескопических систем с параллельным ходом лучей между компонентами [2], различия оптических путей между объективами 6 и 6' и объективом 9 не приводят к изменению резкости и масштабов изображений, формируемых этими элементами оптической системы.

Для точного измерения размеров сечений производится предварительная калибровка профилометра по тест-объекту. Калибровка производится для двух взаимно перпендикулярных направлений с целью исключения влияния на результаты измерений ракурсных искажений, обусловленных тем, что размер сечения в направлении, перпендикулярном оси объективов (Hα), связан с истинной его величиной H очевидным соотношением Hα=H·cosα.

Соответствующие поправки автоматически учитываются компьютером, входящим в состав профилометра.

Плоскопараллельные пластинки 13 и 13' установлены перед объективами 6 и 6' перпендикулярно их оптическим осям с возможностью угловых разворотов относительно взаимно перпендикулярных осей. Для первой пластинки 13 ось вращения перпендикулярна плоскости, образованной оптическими осями объективов 6 и 6', и параллельна вертикальному диаметру входного зрачка объектива 6. Ось вращения второй пластинки 13' лежит в плоскости, образованной осями объективов 6 и 6', и параллельна горизонтальному диаметру входного зрачка объектива 6. Механизмы разворотов на фиг.1 не показаны в силу общеизвестности технического решения [2].

Юстировка, т.е. совмещение световых сечений противоположных сторон лопатки 1, производится в следующей последовательности.

Сначала разворотами отражателя 7 производится предварительное светоделение изображений. Затем разворотом одной из пластинок, например 13, производится совмещение сечений по вертикали (фиг.2,а). После этого производится совмещение изображений по горизонтали разворотами второй пластинки 13' (фиг.2,б) до полного их слияния (фиг.2,в). Контроль совмещения производится оператором по изображению сечения на дисплее 12 с точностью Δ_B (по вертикали) и Δ_Г (по горизонтали). Обычно

Δ_В=Δ_Г.

Рассмотрим численный пример действия предлагаемого механизма совмещения элементов светового сечения лопатки.

В пилотном образце профилометра использованы пластинки из красного стекла марки КС-19, светопропускание которого на длине волны излучения лазеров 4 и 4' (λ=0,63 мкм) не менее τ=0,8 при толщине пластинки B=2 мм, и равно τ≤0,1 длин волн, меньших λ≤0,63 мкм (фиг.3), т.к. в спектре фонового излучения (солнце, лампы дневного света и т.п.) в основном присутствует излучение в диапазоне длин волн 0,4÷0,6 мкм. Они эффективно селектируются стеклом пластинок, что обеспечивает высокий контраст изображения светового сечения независимо от колебаний интенсивности излучения фона.

Таким образом, пластинки 13 и 13' выполняют две функции - фильтрацию фонового излучения и тонкое юстировочное смещение фрагментов светового сечения.

Как известно, смещение изображения в плоскости объектов при повороте пластинки толщиной B на угол γ определяется соотношением

,

где n - показатель преломления материала пластинки.

Реально требуемая точность совмещения изображений в плоскости объекта равна Δ=±0,01 мм. В то же время для уверенного выполнения операции совмещения фрагментов изображения угол поворота пластинки γ, соответствующий данной величине Δ, должен быть порядка γ≥2÷3° и γ=0,04÷0,06 радиан, что обусловлено как эргономическими требованиями, так и требованиями к радиационной точности изготовления механизма поворота пластинок.

Поэтому толщина пластинки должна выбираться с учетом соотношения, получаемого из вышеприведенной формулы , здесь - константа материала пластинки (для стекла КС-19 n≅1,50 и K≅3,0). Для Δ=0,01 мм, K=0,3 и γ=0,02 рад имеем , что практически вполне приемлемо.

Данный пример иллюстрирует чувствительность механизма совмещения.

Отметим, что при использовании в качестве юстировочного элемента отражателя 7 необходимая величина его углового смещения для обеспечения той же точности совмещения Δ=0,01 мм составляет Δβ=0,0001 рад, что делает практически невыполнимыми требования к точности изготовления соответствующего механизма его поворотов.

Реально величина рассогласования фрагментов светового сечения при предварительной юстировке с помощью отражателя 7 составляет ±0,1÷0,3 мм в плоскости объекта. Диапазон поворотов пластинок для ночного совмещения фрагментов при вышеуказанных параметрах пластинок (B≈1,5 мм, n=1,50) составляет γ≅0,6÷0,8 рад, или γ≈±10°, что также практически приемлемо и не вызывает заметных аберраций в изображениях фрагментов сечения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лазерный профилометр. Решение о выдаче патента по заявке 2004131383/28, от 28.10.2004 г. МПК G01В 11/24 (2006.01).

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. Кругера М.Я., Машиностроение, 1980. 742 с.

Лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы типа лопаток турбин методом светового сечения содержит механизм крепления и продольного перемещения лопатки, два лазера с цилиндрическими линзами для щелевой подсветки лопатки, расположенные симметрично относительно лопатки с ее противоположных сторон и формирующие плоские световые пучки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телекамеру, компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения. Также два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью лопатки, расположенных симметрично под углами α к продольной оси лопатки, светоделитель, расположенный между первым дополнительным объективом и объективом телекамеры на его оптической оси, совпадающей с осью первого дополнительного объектива, а также отражатель, расположенный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной осями объективов в точке пересечения оптической оси второго дополнительного объектива с перпендикуляром к оси объектива телекамеры, проведенным через точку ее пересечения с отражающей гранью светоделителя в плоскости, образованной осями дополнительных объективов под углом 2γ=(90°-2α)/2 к оси второго дополнительного объектива. Дополнительно введены две оптические прозрачные плоскопараллельные пластинки из материала, максимум спектра пропускания которого соответствует длине волны излучения лазеров, а спектральная прозрачность вне этого участка длин волн минимальна в диапазоне спектральной чувствительности телекамеры. Пластинки установлены перед входными зрачками дополнительных объективов с возможностью вращения относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через оптические оси дополнительных объективов, толщина пластинок В(мм), показатель преломления n выбираются из соотношения , где - константа материала пластинки, диаметры D_n пластинок отвечают условию D_n≥D_K, где D_K - диаметры входных зрачков дополнительных объективов. Технический результат - повышение точности контроля профиля изделий сложной формы. 3 ил.

Лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы типа лопаток турбин методом светового сечения, содержащий механизм крепления и продольного перемещения лопатки, два лазера с цилиндрическими линзами для щелевой подсветки лопатки, расположенные симметрично относительно лопатки с ее противоположных сторон и формирующие плоские световые пучки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телекамеру, компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью лопатки, расположенных симметрично под углами α продольной оси лопатки, светоделитель, расположенный между первым дополнительным объективом и объективом телекамеры на его оптической оси, совпадающей с осью первого дополнительного объектива, а также отражатель, расположенный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной осями объективов в точке пересечения оптической оси второго дополнительного объектива с перпендикуляром к оси объектива телекамеры, проведенным через точку ее пересечения с отражающей гранью светоделителя в плоскости, образованной осями дополнительных объективов под углом 2γ=(90°-2α)/2 к оси второго дополнительного объектива, причем точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров с продольной осью лопатки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены две оптические прозрачные плоскопараллельные пластинки из материала, максимум спектра пропускания которого соответствует длине волны излучения лазеров, а спектральная прозрачность вне этого участка длин волн минимальна в диапазоне спектральной чувствительности телекамеры, пластинки установлены перед входными зрачками дополнительных объективов с возможностью вращения относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через оптические оси дополнительных объективов, ось вращения первой пластинки параллельна вертикальному диаметру входного зрачка первого дополнительного объектива, а ось вращения второй пластинки параллельна горизонтальному диаметру входного зрачка второго дополнительного объектива, толщина пластинок B (мм), показатель преломления n выбираются из соотношения , где - константа материала пластинки, Δ (мм) - требуемая минимальная величина смещения изображений световых профилей в плоскости объектов, γ (радиан) - угол поворота пластинки, соответствующий этому смещению, а диаметры D_n пластинок отвечают условию D_n≥D_K, где D_K - диаметры входных зрачков дополнительных объективов.