ЛАЗЕРНЫЙ ПРОФИЛОМЕТР
LASER PROFILOMETRE

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для бесконтактного контроля профиля изделий сложной формы, например лопаток газотурбинных двигателей и т.п. объектов.
Известен лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы [1]. Сущность заключается в том, что лазерный профилометр дополнительно содержит два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной оси 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 дополнительных объективов, перпендикулярно этой плоскости установлен отражатель, точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров к продольной оси лопатки [1].
Недостаток этого профилометра - невысокая точность фокусировки дополнительных объективов и совмещения даваемых ими изображений, т.к. эти операции основаны на субъективном критерии разности изображений контролируемых изделий, структура поверхности которых достаточно однородна, не содержит удобных для наведения на разность характерных элементов типа штрихов и т.п.
Цель изобретения - устранение этого недостатка, повышение точности измерений.
Кроме того, отсутствие в конструкции профилометра средств оперативного контроля взаимного положения оптических элементов его схемы, определяющих стабильность измерений, значительно снижает его метрологическую надежность.
к
к
o
o
т
o
к
o
к
т
т
ту
ту
-1
Для этого в лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы типа лопаток газотурбинных двигателей методом светового сечения, содержащий механизмы крепления и продольного перемещения лопатки, источники 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, и расположены симметрично под углами α к продольной оси лопатки, которые выбираются из соотношения α=arctg (t/Δ), где t - максимальная высота элемента лопатки, экранирующего контролируемое сечение, Δ - расстояние от этого сечения до экранирующего элемента, фокусные расстояния дополнительных объективов f выбираются с учетом соотношения f≥к·d·f, где f - фокусное расстояние объектива телекамеры, d - размер ПЗС-матрицы, H - максимальный размер контролируемого сечения, к=0,8-0,9 - конструктивный коэффициент, причем оптическая ось объектива телекамеры совпадает с осью первого дополнительного объектива, точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров и продольной осью лопатки, светоделитель, отражающая полупрозрачная грань которого установлена перпендикулярно плоскости, образованной осями дополнительных объективов и наклонена под углом 45° к оси объектива телекамеры, 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 дополнительных объективов, перпендикулярно этой плоскости установлен отражатель, нормаль к плоскости которого направлена под углом  к оптической оси второго дополнительного объектива, дополнительно введены два селективных светофильтра, спектральные диапазоны пропускания которых не совпадают друг с другом, установленные перед дополнительными объективами на их оптических осях перпендикулярно к ним с возможностью ввода-вывода из оптической схемы, и тест-объект с полихроматическим источником его подсветки, спектр излучения которого перекрывает диапазоны спектрального пропускания обоих селективных светофильтров и спектральной чувствительности телекамеры, который представляет собой плоскую пластину из прозрачного в области спектра излучения источника полихроматической подсветки материала, на поверхности которой, обращенной к дополнительным объективам, фотографическим путем нанесено позитивное изображение диска диаметром D≤d·m, где m=f/f, m - масштаб изображения, f и f - фокусные расстояния дополнительных объективов и объектива телекамеры, соответственно, в центре диска расположены параллельные друг другу штрихи высотой H≤0,7 D и толщиной t, расстояние между штрихами равно их толщине, а толщина штрихов выбирается из условия t≤I/N, где N - разрешающая способность телекамеры в пространстве объектов, мм, тест-объект размещен в плоскости, формируемой плоскими лазерными пучками, формирующими световое сечение объекта, с возможностью ввода-вывода из оптической схемы, центр светящегося диска тест-объекта расположен на оси, совпадающей с продольной осью контролируемого объекта и биссектрисой угла между оптическими осями дополнительных объективов.
Схема устройства показана на фиг.1.
к
к
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, расположены под углами α к продольной оси лопатки оптические оси объективов 6 и 6' диаметром D и фокусными расстояниями f. Фокусы объективов 5 и 5' совмещены с точкой пересечения осей лазеров с продольной осью лопатки.
o
o
r
Перед первым дополнительным объективом 6 на его оптической оси последовательно установлены светоделитель 8 и цветная телекамера, содержащая объектив 9 с фокусным расстоянием f и диаметром D и ПЗС-матрицу размером d×d, установленную в фокальной плоскости объектива 9.
Светоделитель 8 выполнен в виде призмы-куба, полупрозрачная отражающая поверхность которого, совпадающая с диагональной плоскостью призмы-куба, ориентированной под углом 45° к оси объектива 9 и перпендикулярной 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'.
к
к
о
Диаметры объектива D 6 и 6' выбираются из условия D≤D в соответствии с требованиями к допустимой величине изображения светового сечения объектива с максимальной величиной H.
Обработка результатов измерений производится с помощью компьютера 11 с дисплеем 16, тест-объект 13 освещается источником 14, размещенным в корпусе 15, через молочное стекло 16.
Устройство работает следующим образом.
При продольном перемещении лопатки 1 на ее поверхности с помощью симметрично расположенных относительно нее лазерных щелевых осветителей формируются изображения тонких световых полосок, точно отображающих профиль поперечного сечения лопатки в заданной плоскости.
Дополнительные объективы 6 и 6' формируют параллельные пучки лучей, которые пространственно совмещаются отражателем 7 и светоделителем 8, и объективом 9 и фокусируются на поверхности ПЗС-матрицы 10, образуя изображение профиля лопатки, состоящее из двух оптически совмещенных частей. При настройке оптической системы профилометра точное совмещение этих раздельных изображений производится юстировочными разворотами отражателя 7 с помощью соответствующих механизмов, не показанных на схеме в силу общеизвестности [2].
Необходимость наблюдения различных сторон лопатки с помощью двух объективов, расположенных под углом к продольной оси лопатки, обусловлена наличием на передних кромках современных лопаток креплений для установки в корпусах турбин и/или двойной кривизной лопатки, что приводит к экранированию сечений, расположенных в непосредственной близости от этих элементов. Выбор угла α производится из очевидного соотношения α≥arctg(t/Δ), где t - максимальная высота экранирующего элемента, Δ - расстояние от него до контролируемого сечения.
1
2
На фиг.1б приведен вид тестовой структуры, а на фиг.1в - вид его изображения на экране монитора при несовпадении изображений, формируемых каждым из дополнительных объективов, перед которыми установлены фильтры с различными спектрами пропускания, максимумы которых приходятся на длины волн λ и λ, соответственно.
На фиг.2 приведены в относительных единицах графики спектра излучения источника света (кривая 1), обобщающаяся спектральной чувствительности ПЗС-матрицы с учетом спектрального пропускания объективов 6 и 6', призмы луча 8, отражателя 9 и объектива 10 телекамеры (кривая 2), а также спектры пропускания светофильтров 16 (кривая 3) и 16' (кривая 4).
Области спектров пропускания светофильтров 16 и 16' выбираются с учетом их максимального различия (отсутствие перекрытия кривых спектрального пропускания) в пределах спектрального диапазона излучения источника 14 и телекамеры, а также эргономических характеристик органов зрения, в частности, световой констрастной чувствительности глаза.
Введение в конструкцию профилометра тест-объекта, описанного выше, позволяет оперативно контролировать качество изображений дополнительных объективов и точность сведения этих изображений в плоскости ПЗС-матрицы телекамеры.
Процедура контрольно-юстировочных операций включает следующие этапы.
Сначала перед одним из дополнительных объективов устанавливается непрозрачная заслонка (см. фиг.1а не показана в силу общеизвестности технического решения), а перед другим дополнительным объективом устанавливается один из цветных светофильтров, в частности, красный, спектр пропускания которого наиболее близко совпадает с длиной волны излучения лазеров, формирующих световое сечение объекта. Наблюдая на дисплее компьютера изображение тест-объекта добиваются максимальной его резкости, осуществляя фокусировочные перемещения дополнительного объектива.
Затем аналогичную операцию выполняют с другим дополнительным объектом.
Выбор пространственной частоты штрихов тест-объекта, близкой к разрешающей способности телевизионной системы, повышает чувствительность зрения к дефокусировке изображения.
После этого заслонку удаляют и перед одним из дополнительных объектов устанавливают красный светофильтр, а перед другим - зеленый.
В этом случае, если изображения, формируемые дополнительными объективами, полностью совпадают, на цветном дисплее компьютера наблюдается изображение диска тест-объекта, окрашенного в цвет, полученный при смешении спектральных потоков, соответствующих диапазонам пропускания вышеуказанных светофильтров. Для нашего примера, когда первый (красный) светофильтр выполнен, например, из стекла КС-19, а второй (зеленый) - из стекла типа ЗС-1, цвет смешанного излучения имеет желтый оттенок.
Если изображения дополнительных объективов не совпадают, то в зонах их несовпадения наблюдаются изображения сегментов диска, окрашенных с одной стороны в красный цвет, а с другой - в зеленый.
Осуществляя с помощью юстировочного механизма угловые перемещения отражателя 7, добиваются полного слияния изображений, даваемых дополнительными объективами. После этого зеленый фильтр перед одним из объективов заменяют на красный.
т
После завершения контрольно-юстировочных операций по фокусировке и совмещению изображений тест-объекта, даваемых дополнительными объективами, приступают к процедуре калибровки профилометра. Для этого измеряют диаметр изображения диска в обычно двух ортогональных направлениях, в горизонтальном и вертикальном. Размер диска D предварительно измеряют с точность ±1 мкм, характерной для современной фотоколитографии, что обеспечивает высокую надежность калибровки профилометра.