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 для газотурбинных двигателей, винтов, проката и т.п.

Известно устройство для контроля профиля лопаток методом светового сечения, содержащее механизм крепления лопатки, оптическая ось объектива которого совпадает с продольной осью контролируемой лопатки, источники щелевой подсветки лопатки в плоскости, перпендикулярной ее продольной оси и формирующие из ее поверхности в заданном сечении тонкий световой поясок, очерчивающий контур этого сечения, который проектируется на экран, а также механизм перемещения лопатки вдоль ее продольной оси [1].

Недостаток устройства - невозможность получения контура лопаток сложной формы, например, с двойной кривизной и/или с устройством крепления их в роторе из-за эффекта экранирования контура этими элементами.

Известен лазерный профилометр, содержащий лазерные источники щелевой подсветки изделия в плоскости, перпендикулярной продольной оси объекта, телевизионную камеру и симметричные оптические системы, расположенные с различных сторон изделия для формирования изображений отдельных участков контура сечения, соединенных в одно изображение оптическим способом в плоскости ПЗС-матрицы камеры [2].

Недостаток устройства - сложность конструкции, высокая I стоимость, невысокие метрологические характеристики из-за неидентичности оптических характеристик каналов.

Цель изобретения - устранение недостатков.

Для этого в устройство, содержащее механизм крепления лопатки и ее перемещения вдоль ее продольной оси, лазерные источники щелевой подсветки лопатки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телевизионную камеру с объективом и оптическую систему сведения изображений сечений элементов контура, дополнительно введен коллиматорный объектив диаметром D_k и с фокусным расстоянием f_k, оптическая ось которого совпадает с продольной осью лопатки и параллельна оптической оси объектива телекамеры, а передний его фокус совпадает с точкой пересечения продольной оси лопатки с плоскостью распространения лазерных источников щелевой подсветки, диаметр объектива определяется выражением D_k≥f_k·tgα, где - угол между оптической осью объектива и направлением визирования контролируемого сечения, при котором отсутствует его экранирование элементами лопатки высотой t′, расположенными на расстоянии Δ от контролируемого сечения, между коллиматорным объективом и объективом телекамеры расположена перископическая система, состоящая из зеркала и светоделителя, отражающие поверхности которых параллельны друг другу и расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости, образованной оптической осью коллиматорного объектива и осями лазерных источников щелевой подсветки лопатки, и установлены под углом 45° к оси коллиматорного объектива симметрично относительно этой оси, центры зеркала и светоделителя расположены на оси, перпендикулярной оси объектива телекамеры, параллельной осям лазерных источников щелевой подсветки и проходящей через точку пересечения оси объектива телекамеры с центром светоделителя, расстояние L между центрами зеркала и светоделителя выбирается из соотношения L<D_k, фокурное расстояние коллиматорного объектива выбирают из соотношения максимальная высота контролируемого сечения, f₀ - фокусное расстояние объектива телекамеры, d - размер ПЗС-матрицы телекамеры, k=(0,8÷0,9) - коэффициент запаса, размер S стороны светоделительного кубика выбирается из соотношения S≥D₀, где D₀ - диаметр объектива телекамеры, а размеры зеркала А×В выбираются из соотношений A≥D₀ и

Схема устройства показана на фиг.1-3.

Профилометр состоит из углов 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, формируемые 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, расположена совпадающая с продольной осью лопатки оптическая ось коллиматорного объектива 6 диаметром D_k и фокусным расстоянием f_k. Фокусы объективов 6 совмещены с точкой пересечения осей лазеров с продольной осью лопаток.

Перед коллиматорным объективом 6 на его оптической оси последовательно установлены светоделитель 8 и телекамера, содержащая объектив 9 с фокусным расстоянием f₀ и диаметром D₀ и ПЗС-матрицу размером d×d, установленную в фокальной плоскости объектива 9. Изображение профиля лопатки наблюдают на видеомониторе 11.

Светоделитель 8 выполнен в виде призмы-куба со сторонами S, полупрозрачная отражающая поверхность которого совпадает с диагональной плоскостью призмы-куба, ориентированной под углом 45° к оси объектива 9 и перпендикулярной плоскости расположения оптических осей лазеров и коллиматорного объектива 6.

Расстояние t между объективами 6 и 9 выбирается из соотношения t≥S·p, где р=(1,2÷1,3) - конструктивный допуск на установочный размер призмы-куба 8.

Центр зеркала 7 перископа, размером А×В, установлен на расстоянии L от центра светоделителя на оси, проходящей через точку его пересечения с осью объектива 9 перпендикулярно к ней, в плоскости, образованной осью объектива 9 и осями лазеров.

Устройство работает следующим образом.

При продольном перемещении лопатки вдоль ее оси у двух лазерных щелевых осветителей формируются изображения тонких световых полосок, точно отображающих профиль поперечного сечения лопатки в заданной плоскости.

Коллиматорный объектив 6 формирует параллельные пучки лучей, которые пространственно совмещаются отражателем 7, и светоделителем 8, и объективом 9 и фокусируются на поверхности ПЗС-матрицы 10, образуя изображения профиля лопатки, состоящие из двух оптически совмещенных частей (фиг.3). При настройке оптической системы профилометра точное совмещение этих раздельных изображений производится котировочными разворотами отражателя 7 с помощью соответствующих механизмов, не показанных на схеме в силу общеизвестности [3].

Необходимость наблюдения различных сторон лопатки с помощью двух объективов, расположенных под углом к продольной оси лопатки, обусловлена наличием на передних кромках современных лопаток крепления для установки в корпусах турбин и/или двойной кривизны лопатки, что приводит к экранированию сечений, расположенных в непосредственной близости от этих элементов (фиг.2). Выбор угла α производится из очевидного соотношения α>arctg(t/Δ), где t' - высота экранирующего элемента, Δ - расстояние от него до контролируемого сечения.

Поскольку фокальная плоскость коллиматорного объектива 6 совпадает с плоскостью объекта, на его выходе формируются параллельные пучки, которые затем фокусируются объективом 9, формируя в плоскости изображения ПЗС-матрицы 10 изображение светового контура лопатки в выбранном сечении.

При этом, по свойству телескопических систем с параллельным ходом лучей между компонентами [3], различие оптических лучей между объективами 6 и объективом 9 не приводит к изменению масштабов изображений, формируемых этими элементами оптической системы.

Масштаб изображения сечения в плоскости ПЗС-матрицы для оптической системы с параллельным ходом лучей между I компонентами, как известно, равен m=f₀/f_k [3].

При этом изображение Н сечения лопатки максимального размера не должно выходить за пределы приемной площадки ПЗС-матрицы размером d с учетом допуска на возможные смещения этого изображения за счет вариации размеров лопаток и различных технологических факторов (фиг.2). Т.к. , то условие выбора фокусного расстояния дополнительных объективов можно записать в виде , где k=(0,6÷0,9) - конструктивный коэффициент запаса, учитывающий случайные смещения изображения.

Для точного измерения размеров сечений производится предварительная калибровка профилометра по тест-образцам известного размера. Калибровка производится для двух взаимно перпендикулярных направлений с целью исключения влияния на результаты измерения ракурсных искажений, обусловленных тем, что размер сечения в направлении, перпендикулярном оси объективов (Н_α), связан с истинной его величиной Н очевидным соотношением Н_α=Н cos α.

Соответствующие поправки автоматически учитываются компьютером, входящим в состав профилометра.

Существенно, что изображения сечений противоположных сторон лопатки деформируются одним и тем же объективом. Это обеспечивает высокие метрологические характеристики оптической системы профилометра. Перископ может быть выполнен в виде компактного моноблока из двух склеенных призм (при этом вместо зеркала 7 используется прямоугольная призма полного внутреннего отражения). Учитывая высокую точность оптической технологии (допуск на углы призм составляет 1″÷2″ угл. сек) это позволит дополнительно повысить точность и стабильность работы профилометра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рабинович А.Н. Приборы и системы автоматического контроля размеров деталей машин. Киев. Техника, 1970, 206 с.

2. Патент RU 2 285 234 С2. Лазерный профилометр.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под ред. Кругера М.Я. М.: Машиностроение, 1980, 742 с.

Использование: для бесконтактного контроля профиля изделий сложной формы. Сущность заключается в том, что лазерный профилометр содержит механизмы крепления и продольного перемещения лопатки, лазерные источники щелевой подсветки лопатки, расположенные симметрично относительно лопатки с ее противоположных сторон и формирующие плоские световые пучки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телекамеру и компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, при этом он дополнительно содержит коллиматорный объектив, ось которого совпадает с продольной осью лопатки и параллельна оптической оси объектива телекамеры, а передний его фокус совпадает с точкой пересечения продольной оси лопатки с плоскостью распространения лазерных источников щелевой подсветки лопатки, между коллиматорным объективом и объективом телекамеры расположена перископическая система, состоящая из зеркала и светоделителя, отражающие поверхности которых параллельны друг другу и расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости, образованной оптической осью коллиматорного объектива и осями лазерных источников щелевой подсветки лопатки, и установлены под углом 45° к оси коллиматорного объектива симметрично относительно этой оси, центры зеркала и светоделителя расположены на оси, перпендикулярной оси объектива телекамеры, параллельно осям лазерных источников щелевой подсветки и проходящей через точку пересечения оси объектива телекамеры с центром светоделителя. Технический результат - повышение метрологических характеристик. 3 ил.

Лазерный профилометр для контроля профиля сложной формы типа лопаток газотурбинных двигателей методом светового сечения, содержащий механизмы крепления и продольного перемещения лопатки, лазерные источники щелевой подсветки лопатки, расположенные симметрично относительно лопатки с ее противоположных сторон и формирующие плоские световые пучки в плоскости, перпендикулярной продольной оси лопатки, телекамеру и компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коллиматорный объектив с фокусным расстоянием f_k, ось которого совпадает с продольной осью лопатки и параллельна оптической оси объектива телекамеры, а передний его фокус совпадает с точкой пересечения продольной оси лопатки с плоскостью распространения лазерных источников щелевой подсветки лопатки, диаметр коллиматорного объектива определяется выражением D_k≥2f_k·tgα, где - угол между оптической осью коллиматорного объектива и направлением визирования контролируемого сечения, при котором отсутствует его экранирование элементами лопатки высотой t′, расположенными на расстоянии Δ от контролируемого сечения, между коллиматорным объективом и объективом телекамеры расположена перископическая система, состоящая из зеркала и светоделителя, отражающие поверхности которых параллельны друг другу и расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости, образованной оптической осью коллиматорного объектива и осями лазерных источников щелевой подсветки лопатки и установлены под углом 45° к оси коллиматорного объектива симметрично относительно этой оси, центры зеркала и светоделителя расположены на оси, перпендикулярной оси объектива телекамеры, параллельно осям лазерных источников щелевой подсветки и проходящей через точку пересечения оси объектива телекамеры с центром светоделителя, расстояние L между центрами зеркала и светоделителя выбирается из соотношения L≤D_k, фокусное расстояние коллиматорного объектива выбирают из соотношения где Н - максимальная высота контролируемого сечения, f₀ - фокусное расстояние объектива телекамеры, d -размер ПЗС- матрицы телекамеры, k=(0,8÷0,9) - коэффициент запаса, размер S стороны светоделительного кубика выбирается из соотношения S≥D₀, где D₀ - диаметр объектива телекамеры, а размеры зеркала А×В выбираются из соотношений A≥D₀ и