ЛАЗЕРНЫЙ ОТВЕС
LASER PLUMB

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для решения сложных, трудоемких технических задач, таких как контроль соосности вертикальных отверстий, горизонтальности, параллельности, перпендикулярности и взаимного положения поверхностей при сборке крупногабаритных изделий, в частности конструкций, расположенных вертикально на больших расстояниях (до 30 метров и более). Например, лазерный отвес может быть применен для измерений отклонений от базовой оси отдельных элементов внутрикорпусной шахты реактора и выполнения последовательного контроля точности сборки узлов шахты с корпусом реактора на глубине более 13 метров. Измеряя с помощью Лазерного отвеса соосность отверстий в 130 каналах подвижкой и разворотами крупногабаритных (диаметрами более 5 метров) многотонных узлов шахты, регулируют их взаимное положение.
Применяемые до настоящего времени для этих целей приборы контроля прямолинейности и соосности типа визирной трубы ППС на разных дистанциях обладают переменной чувствительностью, которая на больших расстояниях заметно падает. Наличие перефокусировки влияет на точность вертикальности базовой визирной оси. Также большим недостатком является необходимость нахождения измерителя в шахте на глубине 13 метров в течение двух рабочих смен для установок световых марок в контролируемые отверстия.
Известный швейцарский оптический прибор «Wild», который был использован при таких измерениях, также имеет выше указанные недостатки, то есть процесс измерений с помощью такого прибора также не удобен, длителен, трудоемок и требует нахождения измерителя на глубине шахты, а при измерении несоосности отверстий, расположенных на разных высотах, требуется тоже перефокусировка объектива, влияющая на вертикальность положения базовой оси и на точность измерений.
В предлагаемом изобретении отсутствуют выше указанные недостатки и решается одна из важнейших задач: формирование в пространстве и времени протяженной вертикальной отсчетной базы с высокой степенью стабилизации и измерение отклонений от вертикальности базовых направлений на больших глубинах (более 20 метров), при этом более чем на порядок повышается точность, удобство и производительность измерений и значительно снижается их себестоимость.
Более близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является лазерный измеритель непрямолинейности (Патент RU №2457434 С2). Он содержит лазер, оптическую систему, создающую стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного луча, и измерительный блок с фотоприемником, подключенным к вычислительному блоку. В приборе решена задача снижения погрешности измерений из-за нестабильности положения оси диаграммы направленности лазерного излучения, однако не решена задача стабильности вертикального положения лазерного излучения и не решена проблема точности и трудности измерений непрямолинейности на больших глубинах.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что оптическая система, создающая стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного пучка лучей дополнена с целью образования стабильного вертикального базового направления жидкостной кюветой и жидкостным уровнем, Другим отличительным признаком предлагаемого изобретения является использование в качестве контрольного элемента (марки) трипельпризмы. Трипельпризма обладает уникальным свойством: падающий на призму пучок лучей независимо от ее углового положения всегда возвращается в том же направлении, то есть, если на трипельпризму после жидкостной кюветы падает вертикальный пучок лучей, то и возвращается он также строго вертикально. Жидкостная кювета при наклонах прибора осуществляет установку лазерного луча в вертикальное положение автоматически. Кювета представляет собой блок, состоящий из двух оптически прозрачных камер (фиг. 1). В каждую камеру заливается специальное жидкое масло с показателем преломления n=1,501.
В идеальном вертикальном положении прибора каждый объем масла представляет собой плоскопараллельную пластину. Лазерный луч в этом случае проходит через кювету без преломления вертикально вниз (фиг. 1а).
При наклоне прибора на некоторый угол α будет наклонена и кювета с объемами масел (фиг. 1б). Через некоторое время верхняя граница каждого объема автоматически примет строго горизонтальное положение, а нижняя граница примет наклонное положение на тот же угол α. В результате каждый объем масла образует клин с тем же углом α. Каждый клин преломляет лазерный луч на угол β, β=(n-1)α, где n - показатель преломления жидкого масла. Таким образом, каждая камера преломляет луч на угол β=0,5α, а в сумме луч преломляется на тот же угол α, то есть придет в вертикальное положение. Данное положение справедливо для самоустановки вертикального положения лазерного луча при малых углах наклона прибора (менее 30 угл. сек).
На фиг. 2 показана принципиальная оптическая схема лазерного отвеса. Луч лазера в виде кольцевой структуры выходит из лазерной трубки поз. 1, проходит через светоделитель поз. 2, далее через жидкостную двухкамерную кювету поз. 3 и направляется на контрольный элемент (марку) поз. 4, выполненный в виде трипельпризмы. Падающий на трипельпризму луч независимо от ее углового положения всегда возвращается в том же направлении, то есть марки не чувствительны к угловым наклонам. При параллельном смещении «трипельпризмы» на величину «h», отраженный от нее луч смещается параллельно самому себе на ту же величину «h», причем расстояние между падающим и отраженным лучом равно «2h». После отражения от контрольного элемента поз. 4 луч возвращается в обратном направлении и снова последовательно проходит кювету поз. 3 и светоделитель поз. 2. Далее часть лазерного луча отражается от светоделительного слоя и принимается одной из приемных систем:
- цифровой камерой поз. 7 с матрицей поз. 6,
- визирной системой поз. 9, содержащей сетку-перекрестие поз. 10 и окуляр поз. 11.
Включение цифровой камеры в оптическую схему осуществляется с помощью откидного зеркала поз. 5, установленного в положение «а».
Включение визирной системы в оптическую схему осуществляется с помощью неподвижного зеркала поз. 8. Откидное зеркало при этом выключается и устанавливается в положение «б». Для выбора наиболее благоприятного наблюдения изображения кольцевой структуры в схеме используют светофильтры поз. 12.
В схеме предусмотрен также жидкостный уровень для установки вертикального положения лазерного луча с помощью юстировочных винтов при больших наклонах прибора. Погрешность установки не более 2-х угловых секунд.
На фиг. 3 показано действие жидкостного уровня.
В цилиндрический металлический корпус уровня 13 залито масло 14 с высоким коэффициентом отражения. Жидкостный уровень устанавливается в ход лучей на съемную площадку опоры прибора. При наклоне прибора корпус уровня также наклонится. При этом верхняя граница масла через некоторое время примет строго горизонтальное положение.
Луч лазера, пройдя светоделитель поз. 2, падает на поверхность масла под углом, равным углу наклона прибора. По закону отражения луч отразится от масла под тем же углом, но в противоположном от нормали к отражающей поверхности направлении. Далее, пройдя светоделитель поз. 2 и, в зависимости от режима наблюдения, зеркала поз. 5 или поз. 8, лазерный луч попадает на матрицу цифровой камеры поз. 6, или на сетку-перекрестие поз. 10. В этом случае центр кольцевой структуры будет смещен с центра матрицы или центра перекрестия. Это смещение будет свидетельствовать о наклоне прибора. Регулировочными винтами наклона приводят прибор в вертикальное положение, в результате чего, центр кольцевой структуры будет расположен в центре перекрестия матрицы поз. 6 или сетки поз. 10.
Предлагаемое изобретение - прибор «Лазерный отвес» имеет следующие характеристики:
Длина контролируемой трассы не менее (м)
30
Пределы измеряемых отклонений:
для визуальной регистрации (мм)
±5
для фотоэлектрической регистрации (мм)
±3
Предельная погрешность измерения
на всей трассе (мм)
0,005
Точность самоустановки оси лазерного пучка,
угловых сек
0,5
Погрешность центрирования марки
относительно оси, не более (мм)
0,02
Процесс измерений лазерным отвесом осуществляется следующим образом. Для измерения используют визуальную или фотоэлектрическую системы. Лазерный отвес устанавливают в створе линии измерения. Например, для определения взаимного положения одного узла крупногабаритного изделия относительно другого узла, расположенного на глубине до 20 метров, лазерный отвес устанавливают в створе вертикальных осей отверстий, имеющихся в контролируемых узлах, и измеряют несоосность этих отверстий. Контролируемые отверстия расположены вдоль вертикальных осей на различных уровнях измерительного канала. В этом случае прибор используют в автоколлимационном режиме и режиме автоматического отвеса. Благодаря совместному действию жидкостной кюветы, жидкостного уровня и трипельпризмы лазерный луч, выходящий из прибора, и лазерный луч, возвращающийся в прибор после отражения от марки, всегда строго вертикальны независимо от наклона прибора и наклонов марки.
В начале процесса измерения луч лазера направляют на базовую марку - трипельпризму, установленную в отверстие узла, расположенного на глубине. В случае измерения фотоэлектрической системой с помощью цифровой камеры на экране монитора компьютера наблюдают перекрестие, которое обозначает центр матрицы, и изображение кольцевой структуры. С помощью специальной программы, установленной в компьютере, значения смещений изображения по двум координатам выводятся на экран монитора. Положение изображения, полученное от базовой марки, принимают за нулевое. Затем наблюдают изображение от марки - трипельпризмы, установленной в отверстие другого узла, расположенного на другом уровне измерительного канала. При этом действуют две важные характеристики лазерного отвеса, повышающие точность измерений - независимо от дальности резкость изображения и чувствительность измерений постоянны. Отличие этих измеренных значений координат от координат положения базовой марки определяет отклонение от соосности отверстий контролируемых узлов изделия. Полную информацию о положении контролируемого узла относительно базового получают проведя измерения отклонений от соосности всех выбранных отверстий. Если измеренные отклонения от соосности превышают допускаемые значения, с помощью компьютера определяют величину смещения, направление смещения и величину разворота контролируемого узла относительно базового. Производят регулировку положения контролируемого узла. После регулировки измерения повторяют.
Описанные свойства и принцип действия примененных в оптической схеме лазерного отвеса узлов: жидкостной кюветы, жидкостного уровня и трипельпризмы, определяют новизну изобретения и позволяют получить значительный технический эффект: создание новых возможностей стабилизации оси лазерного пучка, а именно создание стабильных базовых вертикальных направлений на больших расстояниях, в частности на больших глубинах.
Другим не менее значимым техническим эффектом предлагаемого изобретения является то, что используемые в лазерном отвесе отличительные признаки исключают необходимость присутствия наблюдателя на больших глубинах, упрощают процесс измерения, создают возможность полной автоматизации измерений, снижают трудоемкость и продолжительность процесса измерений, а значит и его себестоимость. Примером успешного решения одной из сложных задач является проведение с помощью лазерного отвеса измерений отклонения от базовой оси отдельных элементов внутрикорпусных узлов реакторов для АЭС и выполнение последовательного контроля точности контрольной сборки внутрикорпусных узлов с корпусом реактора. Параметрами контроля являются отклонения от соосности отверстий в 120 каналах в днище шахты на глубине более 13 метров относительно отверстий всех других блоков, устанавливаемых в корпус реактора. Устанавливая марки - трипельпризмы в отверстия контролируемых блоков, измеряют их смещения от базовой оси, задаваемой лазерным отвесом. Измерения проводятся в процессе сборки и регулировки положения крупногабаритных узлов (диаметром более 4 метров, высотой более 5 метров, весом несколько тонн). Если измеренные значения отклонений от соосности превышают допускаемые, тогда разработанная нами компьютерная программа обрабатывает результаты измерений и высчитывает смещение и разворот контролируемого изделия.
Предлагаемое изобретение «Лазерный отвес» является многофункциональным прибором.
Он может решать целый ряд проблемных метрологических и технологических задач при изготовлении сложных крупногабаритных изделий на современных промышленных предприятиях, при создании на больших расстояниях базовой оси, в том числе вертикальной базовой оси. В настоящее время разработанный и изготовленный в ГОИ им. С.И. Вавилова совместно с предприятием ООО «НТП Градан» лазерный отвес прошел испытания в производственных условиях на стенде внутрикорпусной шахты и передан заводу АТОММАША для проведения измерений отклонений от базовой оси отдельных узлов реактора и выполнения контроля сборки узлов с корпусом реактора.
Лазерный отвес включен в технологический и метрологический процессы для изготовления двух атомных реакторов для АЭС Белоруссии и Калининграда. В ГОИ им. С.И. Вавилова совместно с предприятием ООО «НТП Градан» планируется изготовление еще трех образцов прибора «Лазерный отвес». Приборы будут использоваться в процессе изготовления атомных реакторов и их узлов и агрегатов, а также для контроля геометрических параметров технологического и станочного оборудования в атомной энергетике, в судостроении и других отраслях промышленности.
Источники информации
1. Пинаев Л.В., Леонтьева Г.В., Бутенко Л.Н., Серегин А.Г. Лазерный измеритель непрямолинейности. Патент России №2457434. 2010.
2. Леонтьева Г.В., Пинаев Л.В., Серегин А.Г. Лазерный измеритель непрямолинейности - Лазерная струна. «Оптический журнал», №10, 2012 г.
3. Труба измерительная визирная. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЛОМО, 1978 г.
4. Кожевников Ю.Г. Оптические призмы, стр. 28, 1984 г.