Результаты исследования точностных характеристик оптико-электронной системы контроля соосности на стенде

2

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, КОМПЛЕКСЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Рассматривается построение оптико-электронной системы контроля соосности элементов турбоагрегатов, реализованной на основе анализа матричного поля. Приведена методика проведения экспериментальных исследований точностных характеристик системы.

Для осуществления безотказной работы современные крупногабаритные технологические агрегаты требуют соблюдения высоких требований по линейному и угловому позиционированию составляющих. Актуальной проблемой является обеспечение точности позиционирования (до 0,06 мм и менее) опор турбоагрегатов атомных и гидроэлектростанций относительно линии вала. Всеобщий уровень автоматизации данных агрегатов требует соответствующего уровня автоматизации и унификации систем пространственного контроля.

Сочетание таких свойств, как дистанционность и бесконтактность, возможность полной автоматизации процесса измерений, а также высокое быстродействие при обработке измерительной информации делают незаменимыми методы оптико-электронного пространственного контроля. В большей степени решения подобного класса задач реализованы в оптико-электронной системе контроля соосности (ОЭСКС) [1]. Однако при создании подобных систем возникают вопросы их рационального построения. Настоящая статья направлена на восполнение информации о построении таких систем.

Основной задачей ОЭСКС является определение линейного смещения геометрических центров корпусных деталей цилиндров (КДЦ) турбоагрегатов относительно рабочей линии ротора или другой протяженной измерительной базы в двух взаимно перпендикулярных поперечных направлениях (с погрешностью не превышающей 0,06 мм на дистанции 20 м). В процессе измерений линия ротора в пространстве определяется в передней и задней базовых расточках (ПБР, ЗБР) [2].

В ОЭСКС на фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) 1 (рис. 1, а), находящийся в приемно-передающем блоке 2, через телеобъектив 3 и светофильтр 4 посредством отражателя 8 проецируются изображения двух полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) [3]. Для обеспечения требуемого диапазона смещений по дистанции в ОЭСКС используются две пары ПИД 5 и 6, закрепленных на плоскопараллельной пластинке. Отражатель (трипельпризма) 8 закрепляется в центроискателе 9, который устанавливается последовательно при измерениях во всех КДЦ, ПБР и ЗБР. Особенностью центроискателя является возможность замены соответствующих стандартных микрометрических нутромеров (набор приставок различной длины и микрометрических головок) 10 - это позволяет производить измерения на турбоагрегатах различного диаметра и типа, что является необходимым требованием по унификации системы контроля [4].

В процессе измерений определяются энергетические центры тяжести изображений г-ого ПИД (у;уг) в пикселях. Достоинствами используемого алгоритма являются

простота и высокая точность (погрешность составляет 0,1-0,01 размера пикселя) [4]. Высокая скорость и производительность при обработке результатов измерений достиг-

нута благодаря использованию аппаратно-программной реализации блока предварительной обработки. Для камеральных условий экспериментально получено, что при серии из 30 измерений получается достаточно полная статистическая выборка. Статистически обработанные результаты передаются по каналу связи в ЭВМ, заносятся в базу данных и выводятся в удобном для оператора виде.

Рис. 1. Принцип работы ОЭСКС

Координаты центра КДЦ (х; у) в плоскости анализа (ПА) (рис. 1, а) связаны с координатами на ФПЗС (х у ) следующими выражениями (Ь >>/):

х = хЬ / /', у = у Ь / /',

где Ь - расстояние между отражателем и объективом; / ' - заднее фокусное расстояние объектива. Причем х ' = (х[ + х'2)/2 и у' = (у( + у2)/2, где х' = рх~, у' = ру~ -координаты изображения /-го ПИД в мм, рх и ру - горизонтальный и вертикальный шаг пикселя (рис. 1, б) в мм, х. и у. - координаты изображения /-го ПИД в пикселях.

В ОЭСКС используются задающие базу ПИД, вследствие чего дистанция Ь определяется автоматически:

Ь = Бк/ ' /

где Вк и В'к = ^(( - х2 )2 + (у[ - у2 )2 - база к-ой пары ПИД и ее изображение (рис. 1, б).

Удвоенное значение базы В' к объясняется авторефлексионной схемой исполнения ОЭСКС. Также стоит отметить повышенную в два раза чувствительность к поперечным смещениям используемой схемы по сравнению с коллимационной.

С учетом выражений (1) и (2) получаем координаты центра КДЦ в ПА:

х = РхВк

х = I-^-г , у =

VР2 (У - хх2 )2 + Р2у (У - у2 )2 VР2 У%1 - х2 )2 + Р2у (У - у2 )2

Задача непосредственной оценки результатов измерений ОЭСКС не представляется возможной, поскольку отсутствуют доступные методы контроля крупногабаритных

элементов в пространстве с высокой точностью. Поэтому предложено оценивать результаты измерений опытного образца ОЭСКС одновременно с борштангой и прибором ППС-11, так как они на данный момент являются наиболее точными и достоверными (точность приборов составляет 0,05 мм в условиях эксперимента) [5].

Экспериментальное подтверждение точностных характеристик ОЭСКС проводилось на специализированном стенде (рис. 2) на базе Федерального государственного унитарного предприятия «КУРСКТУРБОАТОМЭНЕРГОРЕМОНТ». Стенд оборудован кронштейном 1, ОЭСКС 2 в штативе 3, центроискателем 4 с отражателем 5, ПБР 6, КДЦ 7 и ЗБР 8, опорными роликами для борштанги 9, блоком обработки информации 10, монитором 11. Расстояния от ОЭСКС 1 до ПБР 6 составляет 1650 мм, до КДЦ 7 -3850 мм и до ЗБР 8 - 5815 мм.

Рис. 2. Стенд контроля соосности элементов

Эксперименты проводились при условии, что координаты линии ротора в плоскостях ПБР и ЗБР укладывались в диапазон ±5 мм. Разность показаний по горизонтальной составляющей составила х=0,061±0,036 мм при вероятности а=0,95, по вертикальной составляющей - у=0,021±0,023 мм при вероятности а=0,95.

Параметр Значение

Диапазон измеряемых смещений по двум координатам (в вертикальной и горизонтальной плоскостях), мм ±5

Дальность работы, м от 1,2 до 20

Цена единицы младшего разряда определения смещения, мм 0,001

Предел неисключенной систематической составляющей основной погрешности, мм 0,07

Предел допускаемого СКО случайной составляющей основной погрешности, мм 0,02

Время подготовки системы к измерениям, мин 10

Масса ОЭСКС, кг 6

Потребляемая мощность, не более, Вт 20

Таблица. Технические характеристики ОЭСКС

Из результатов видно, что погрешность измерения положения КДЦ относительно оси ротора в сравнении с измерениями ППС-11 и борштангой в горизонтальной плос-

кости на 0,037 мм превосходят максимально допустимую погрешность, в вертикальной плоскости точность соблюдена. Последнее особо ценно, так как при центрировке турбоагрегатов большее внимание уделяется установке КДЦ в вертикальной плоскости. Полученные технические характеристики ОЭСКС приведены в таблице.

Заключение

В данной работе предложена авторефлексионная схема исполнения измерительного канала ОЭСКС и основные соотношения для проведения расчетов. Отличительной особенностью ОЭСКС является автоматическое определение дистанции до КДЦ, что позволило реализовать автоматически калибрующуюся систему. Проведено экспериментальное исследование точностных характеристик ОЭСКС на специализированном стенде. Получено, что погрешность измерения положения КДЦ относительно оси ротора в горизонтальной плоскости на 0,037 мм превосходит максимально допустимую погрешность, в вертикальной плоскости точность соблюдена. Можно сделать вывод, что ОЭСКС способна проводить высокоточный контроль пространственного положения объектов с необходимой точностью.

Литература

1. Крайлюк А.Д., Краснящих А.В., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Оптико-электронная система контроля положения центра корпусных деталей турбоагрегатов относительно оптической оси // Известия вузов. Приборостроение. - 2003. - Т. 46. - №8. - С. 61-63.

2. Карасев В.И., Монэс Д.С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. - М.: Энергия, 1973.

3. Алеев А.М., Анисимов А.Г., Пантюшин А.В. Об основных погрешностях контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2007. - Выпуск 38. Исследования в области оптики, приборостроения и управления. - С. 39-44.

4. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Известия вузов Приборостроение. -1986. - № 9. - С. 62-69.

5. Данилевич Ф.М., Никитин В.А., Смирнова Е.П. Сборка и юстировка оптических контрольно-измерительный приборов. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1976.