ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ
NONLINEARITY LASER METER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным средствам для контроля прямолинейности и соосности при монтаже и сборке крупногабаритных изделий на трассе большой протяженности (до 100 метров и более).
В предлагаемом изобретении решается задача повышения точности и производительности измерения непрямолинейности и несоосности, а также снижения трудоемкости и стоимости процесса измерений в недоступных сложных конструкциях крупногабаритных изделий.
В известных измерителях непрямолинейности: визирных трубах типа ППС-11, оптических струнах типа ДП-725, приборах фирм «Тейлор-Гобсон», «Кейфель-Эссер» и других точных измерительных трубах за базовую ось принимают линию визирования трубы. Для реализации базового направления при этом необходимо иметь две марки, установленные в крайние точки базы, причем первая не должна полностью перекрывать целевой знак второй, дальней марки.
Классической схемой совмещения визирной оси прибора с базовой фиксирующей осью марки является метод последовательной перестановки марки. Одна и та же марка поочередно устанавливается в крайние точки базы, а совмещение осуществляется путем линейных и угловых смещений визирной оси прибора. Точность совмещения визирной и базовой осей в основном определяется видом целевых знаков марки. Исходя из точности контроля, к ним предъявляются высокие требования контраста целевого знака, достаточной освещенности, а при контроле соосности, к точности установки, центрировки относительно оси базового направления или оси контролируемого отверстия.
Метод перестановок марок является малопроизводительным, причем трудоемкость его возрастает при увеличении дистанции измерения, а конструкция марок не дает возможности вести одновременно контроль в нескольких точках трассы. Такие приборы могут быть использованы для контроля соосности и прямолинейности только отдельных элементов, выделенных из трассы большой протяженности.
Также существенным недостатком указанных измерителей является необходимость использования в процессе измерения двух операторов, один из которых работает с трубой, другой - с маркой. Там, где условия эксплуатации или производственные условия не позволяют использовать человека для перестановки марок, данный прибор вообще не применим.
Известна светоделительная марка /1/, применяемая в визирных трубах с аксиконом, который работает различными зонами на разных дистанциях. Трудоемкость операции совмещения визирной оси и базового направления снижается применением светоделительной марки. Однако визирная труба с такой светоделительной маркой может быть использована только для контроля прямолинейности. Применение ее для контроля соосности не известно, так как затруднено из-за сложности конструкции, содержащей блок питания с проводами, источник света, конденсор, светоделительную пластину, проектирующих изображение светящейся точки на ось контролирующего отверстия, для чего требуется юстировка оптической схемы марки и точное центрирующее устройство.
Перечисленные выше недостатки визирных труб снижают точность измерения непрямолинейности и несоосности. Кроме этого их применение ограничено для точных измерений на расстояния более 10 метров из-за резкого падения чувствительности визирных труб.
В настоящее время для контроля прямолинейности при монтажных работах и сборке крупногабаритных изделий на больших расстояниях широкое распространение находят лазерные приборы.
В известных лазерных измерителях непрямолинейности (Лазерная измерительная система FIXTURLASER LEVEL шведской фирмы, Лазерный интерферометр XL-80 английской фирмы RENISHAW) базовое направление образовано лазерным лучом. Для реализации базового направления также необходимо иметь две марки. Одна марка жестко крепится и служит для формирования опорного луча, другая перемещается и формирует измерительный луч переменной длины. Для установки марок вдоль длинных осей в процессе измерений используют различные установочные и крепежные приспособления. В результате, снижается точность и производительность измерений. По сравнению с визирными трубами лазерные измерители непрямолинейности работают на больших расстояниях, но конструкция марок в этих приборах так же, как и в визирных трубах, не дает возможности вести контроль одновременно в нескольких точках трассы. Определение отклонений от прямолинейности осуществляется путем установки приемника или измерительной марки в нескольких точках контролируемого объекта и измерении их отклонений от оси, задаваемой излучением лазера. Такие приборы могут быть использованы для контроля прямолинейности только отдельных элементов, выделенных из трассы большой протяженности. Кроме этого в описаниях указанных лазерных измерителей непрямолинейности не упоминается, что они предназначены для контроля соосности.
В предлагаемом изобретении отсутствуют вышеуказанные недостатки и решается задача повышения точности и производительности измерения непрямолинейности и несоосности, появляется возможность измерений в недоступных конструкциях без необходимости присутствия наблюдателя, упрощается процесс измерения.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является Лазерный измеритель непрямолинейности /3/, который является прецизионным измерительным прибором, предназначенным для контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий на всех стадиях их изготовления, монтажа, разметки, сборки и эксплуатации.
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 отличие от известных, указанных выше лазерных измерителей непрямолинейности, в приборе решена задача снижения погрешности измерений из-за нестабильности положения оси диаграммы направленности лазерного излучения, но, как и во всех рассмотренных выше измерителях непрямолинейности, нет возможности вести одновременно контроль в нескольких точках трассы. Требуется перемещение марки или приемника вдоль контролируемой трассы.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что оптическая система, создающая стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного пучка лучей, с целью создания возможности вести измерения непрямолинейности и соосности одновременно в нескольких точках протяженной трассы для повышения точности, производительности и упрощения процесса измерения, дополнена узлом из двух оптических клиньев, установленных навстречу друг другу и светоделителем, а измерительный блок дополнен базовой маркой с трипельпризмой, и измерительной маркой, состоящей из двух трипельпризм, расположенных симметрично относительно базовой оси. При этом лазер, оптическая система и фотоприемник размещены на одном общем основании.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предполагаемого изобретения - Лазерного измерителя непрямолинейности, где 1 - лазер; 2 - оптическая система преобразования лазерного излучения; 3 - светоделитель; 4 - блок оптических клиньев; 5 - базовая марка - трипельпризма; 6 - измерительная марка с двумя трипельпризмами, расположенными симметрично относительно базовой оси; 7 - цифровая камера с фотоприемником; 8 - вычислительный блок; 9 - блок отображения информации (компьютер).
Прибор работает следующим образом.
0
0
Лазерный пучок после интерференционного преобразования оптической системой 2 в стабильную базу большой протяженности в виде кольцевой структуры с центральным ярким пятном, пройдя светоделитель 3, направляется на базовую марку - трипельпризму 5, установленную в конечной точке контролируемого объекта. После отражения от базовой марки изображение кольцевой структуры лазерного пучка проектируется светоделителем 3 в плоскость фотоприемника цифровой камеры 7. Цифровая камера преобразует сигналы приемника в цифровой видеосигнал и передает его в вычислительный блок 8. Последний передает сигналы в блок отображения информации 9, который выводит изображение кольцевой структуры на свой экран, (на экран дисплея прибора или в компьютер). На фиг. 2 показано изображение кольцевой структуры лазерного пучка, отраженное от базовой марки, которое устанавливают в центр перекрестия компьютера и принимают за нулевое положение с координатами X и Y.
1
2
1
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
0
0
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>δ</mi><msubsup><mi>X</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mi>δ</mi><msubsup><mi>Y</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
Затем включают узел клиньев 4, который состоит из двух оптических клиньев, установленных навстречу друг другу. Измерительная марка 6 содержит две трипельпризмы П и П, расположенные симметрично относительно оси на определенном расстоянии друг от друга. Узел клиньев 4 занимает два положения. В положение «а» лазерный луч пройдя узел клиньев попадает на трипельпризму П. После отражения от трипельпризмы П лазерный луч снова проходит через узел клиньев, светоделитель 3, попадает на приемник, в вычислительный блок. На экране компьютера наблюдают изображение кольцевой структуры лазерного луча, полученного отражением от трипельпризмы П измерительной марки, и измеряют координаты положения этого изображения X и Y, которые заносят в память компьютера. Узел клиньев поворачивают на 180°, в положение «б». В этом случае лазерный луч пройдя узел клиньев, отклоняется от оси и попадает на трипельпризму П. Отраженное от трипельпризмы П изображение кольцевой структуры лазерного луча наблюдают на экране компьютера и измеряют координаты положения изображения X и Y, которые также заносят в память компьютера. По результатам измерений X, Y и X, Y с помощью компьютера определяют смещение центра измерительной марки с оси и отклонение от соосности относительно базовой марки с координатами X и Y. При этом по разработанной программе компьютер вычисляет абсолютную величину вектора несоосности,
и угол направления вектора несоосности - «φ», который определяется по формуле.
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>δ</mi><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>δ</mi><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
, где
,
.
Как видно из описания принципиальной схемы и работы прибора, на экране компьютера можно наблюдать изображение базовой марки, расположенное на оси, и изображения, от смещенных с оси марок - трипельпризм, и производить измерения положения базовой марки и положение центра измерительной марки относительно базовой оси, не перемещая в процессе измерения вдоль линии измерения ни измерительную марку, ни приемник и не меняя положение прибора. Технический эффект: повышение точности и производительности измерений, упрощение процесса измерений.
Важным отличительным преимуществом предлагаемого измерителя непрямолинейности является отсутствие необходимости точной установки измерительной марки на ось базового направления излучения или, в случае, измерения несоосности, точной установки на ось контролируемого отверстия. Для чего в известных измерителях непрямолинейности применяют специальные центрирующие приспособления.
1
1
2
2
В предполагаемом изобретении благодаря совместному использованию отличительных признаков: узла оптических клиньев и измерительной марки, состоящей из двух трипельпризм, установленных симметрично базовой оси, положение центра измерительной марки относительно базовой оси определяется автоматически компьютером по двум измерениям координат X, Y и X, Y и не требуется никаких центрировочных приспособлений.
1
2
1
2
Условием совмещения центра измерительной марки с базовой осью являются равенства: X=X и Y=Y.
Еще одним преимуществом предполагаемого изобретения является отсутствие необходимости двух операторов для перестановки марки или приемника при измерениях на больших дистанциях и в трудных условиях установки измерительных марок в конструкциях сложных крупногабаритных объектов. Например, в атомном машиностроении: при контроле точности сборки многотонных узлов шахты с корпусом реактора на глубине более 13 метров; в судостроении: при пробивке оси валопроводов, при контроле параметров внутренней геометрии изделия длиной более 20 метров, при контроле положения оси изделия относительно диаметральной и основной плоскости корабля с использованием базовых и измерительных марок с обеспечением автоматического считывания измерительной информации и передачей ее в программно-технический комплекс, и в других подобных производственных условиях.
Итак, вследствие наличия перечисленных отличительных характеристик, предлагаемый Измеритель непрямолинейности и несоосности имеет важные преимущества.
Во-первых, Измеритель позволяет вести измерения непрямолинейности и соосности одновременно в нескольких точках протяженной трассы.
Во-вторых, нет необходимости двух операторов для перестановки марки или приемника при измерениях на больших дистанциях и в трудных условиях установки измерительных марок.
В-третьих, нет необходимости точной установки измерительной марки или мишени на ось базового направления или на ось контролируемого отверстия.
Технический эффект: повышение точности измерений непрямолинейности и несоосности на больших расстояниях, снижение трудоемкости и себестоимости процесса измерений.
Источники информации
1. Братов В.П. Марка для контроля прямолинейности и соосности к визирной трубе с аксиконом. Ав. св. №538219, 13.08.76, стр. 84.
2. Пинаев Л.В., Леонтьева Г.В., Бутенко Л. Н., Серегин А.Г. Лазерный измеритель непрямолинейности. Патент России №2457434. 2010.
3. Леонтьева Г.В. Лазерный измеритель непрямолинейности. - Лазерная струна. «Оптический журнал», №10, 2012 г.
Подписи к рисункам:
Фиг. 1 - Принципиальная схема лазерного измерителя.
Фиг. 2 - Кольцевая структура лазерного луча.