Приборы активного контроля размеров изделий на основе сапфировых измерительных наконечников с тремя степенями свободы

5. Chumak Oleksiy M., Digital Milan Hrabovsky. Image Processing in Investigations of Plasma Flow Structure // IEEE Transactions on Plasma Science. 2011. Vol. 39. Issue 11. P. 2910-2911. DOI: 10.1109/TPS.2011.2161619.

6. Shakthi Prasad D, Subba Reddy B. Study on corona activity using image processing approach // IEEE Transactions on Industry Applications. 2017. Vol. 53, Issue 4. DOI: 10.1109/TIA.2017.2693360.

7. Popov A. M., Akhmetzhanov T. F., Labutin T. A., Zaytsev S. M., Zorov N. B., Chekalin N. V. Experimental Measurements of Stark Widths for Mn I Lines in Long Laser Spark // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2016. V. 125. Р. 43-51.

8. Кузнецов А. А., Мешкова О. Б., Слептерев В. А. Исследование факторов влияющих на результаты измерения интенсивностей при спектральном анализе материалов // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С. 243-246.

9. Купцов А. В., Заякина С. Б., Сапрыкин А. И. Изучение распределения температуры и интенсивностей спектральных линий аналитов по высоте плазменного факела дугового двухструйного плазматрона // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81, № 1-2. С. 52-55.

10. Jose A. C. Broekaert. Analytical Atomic Spectrometry with Flames and Plasmas // Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. 2002. Р. 347.

11. Пат. 134319 Российская Федерация, МПК G 01 J 3/50. Спектрометр с блоком обработки данных влияющих факторов / Кузнецов А. А., Слептерев В. А., Шахов А. В. № 2013104150/28; заявл. 31.01.13; опубл. 10.11.13, Бюл. № 31.

12. David MacKay. Information Theory, Inference and Learning Algorithms / Cambridge University Press. 2003. Р. 628.

13. Кузнецов А. А., Мешкова О. Б., Зачатейский Д. Е. Способ достижения инвариантности градуировочных графиков при определении количественного состава металлов и сплавов автоматизированными системами АЭСА // Омский научный вестник. 2010. № 2. С. 169-172.

УДК 681.2.084

ПРИБОРЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ САПФИРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ НАКОНЕЧНИКОВ С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

Е. В. Леун1, В. И. Леун2, В. К. Сысоев1, К. А. Занин1, А. В. Шулепов3, П. А. Вятлев1

1АО «НПО Лавочкина», г. Химки, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 3Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-144-150

Аннотация - В статье представлены результаты расчета нагрузочной способности сапфирового наконечника прибора активного контроля (ПАК), показавшего наличие почти 30 -кратного запаса прочности к ударным нагрузкам и экспериментальных исследований при механическом контактировании с пя-тизубой фрезой диаметром 15 мм, вращающейся с частотой 1000 об/мин, подтвердившего расчеты, определена шероховатость поверхности R контактирующей зоны не превысившая 0,15 мкм. Сформированы условия для регистрации без искажений изображения через сапфировый наконечник, контактирующего с обрабатываемым изделием. Предложена конструкция ПАК с новыми функциональными возможностями: с одной, двумя и тремя степенями свободы сапфирового наконечника и позволяет измерять конусность изделия и измерениями по хорде. Показано, что при реализации их крепление наконечника подобно рамке гироскопа с поворотами вокруг оси OY и OZ. Показано, что поворот наконечника вокруг оси OX можно заменить более удобным для реализации угловым смещением передаваемого изображения за счет вращения выходного конца гибкого световода относительно входного. Это позволяет уменьшить «смазывание картинки» в процессе регистрации быстродвижущегося профиля изделия при совпадении наклона строк регистратора с наклоном кромок элементов изображений выбранных движущихся элементов изделия.

Ключевые слова: прибор активного контроля, активный контроль размеров, оптический контроль, измерительный наконечник, сапфировый наконечник.

I. Введение

Известно, что использование приборов активного контроля (ПАК) размеров изделий позволяет повысить производительность труда до 100% и более при изготовлении изделий на различных металлообрабатывающих станках в ракетно-космической отрасли, приборо-, машино- и станкостроении.

ПАК начали активно разрабатываться еще в 60-х годах ХХ века [1, 2] и до сегодняшнего дня активно развиваются в ОмГТУ [2, 3]. Одним из ведущих зарубежным производителей ПАК для станочных фирм К настоящему времени в разных странах является итальянская фирма Марпос (Marposs) [4]. Однако эти ПАК, имея высокую разрешающую способность, до -0,4 мкм для гладких цилиндрических изделий, существенно снижают свои метрологические характеристики при контроле размеров изделий с прерывистыми поверхностями. И применяемые металлические измерительные наконечники (в дальнейшем - наконечники) не позволяют использовать оптические методы измерений размеров и регистрации изображений поверхности изделий. В России, вероятно, единственным производителем ПАК является АО «НИИ измерения». Так, производимый им прибор БВ-4304 для контроля деталей с непрерывной поверхностью (с навесной скобой) дискретность цифрового отсчета составляет 1 мкм [5].

С 2013 года в России появилось направление [6], связанное с лазерными ПАК, использующими сапфировые (рубиновые) контактные наконечники (рис.1), а чуть позже также были разработаны бесконтактные [7] и гидроструйные [8] ПАК. Однако, несмотря на такое бурное развитие, у ПАК еще имеются большие резервы совершенствования. Такие перспективные направления связаны с измерением конусности изделий или измерениями по хорде, обуславливающие возможность угловых поворотов наконечников с одной, двумя и/или тремя степенями свободы. Обсуждению одного из вариантов ПАК с такими возможностями и посвящена данная статья.

Ш • • 'А -зав >1

Рис. 1. Макет лазерного ПАК с рубиновым наконечником, контактирующим с изделием, имеющим прерывистую поверхность

II. Постановка задачи

Задачи данного исследования заключаются в анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований их нагрузочной способности при механическом контактировании сапфировых наконечников с изделием, имеющим прерывистую поверхность. Анализ условий передачи без искажений через сапфировый наконечник, контактирующий с обрабатываемым изделием, изображения его поверхности. Также задачей исследований является рассмотрение разработанного ПАК с реализацией одной, двух и трех степеней свободы наконечника за счет поворотов их вокруг осей ОХ, ОУ и 02.

III. Теория

Для подтверждения возможности применения сапфира в качестве высокопрочного и оптически прозрачного материала для наконечников в ПАК были проведены расчеты нагрузочной способности к ударным нагрузкам при контактных измерениях [6] и экспериментальные исследования [9], результаты которых представлены далее.

1. Расчет нагрузочной способности сапфировых наконечников.

Нагрузочная способность сапфирового наконечника была определена за счет расчета запаса прочности кзп, определяемого отношением ударного нагружения /у'Д сапфирового стержня не приводящего к его механическому разрушению (растрескиванию, скалыванию или другим дефектам), к удельному давлению, возникающему в процессе выхода наконечника /уд со впадины на выступ при контроле размеров изделий с прерывистой поверхностью:

кзп -^Уд/^Уд

Расчет, проведенный в [6], показал, что при использовании наконечника из сапфира будет обеспечен почти 30-кратный запас прочности и подтвердил высокую ударную прочность этого материала к механическому контактированию с изделиями, имеющими прерывистую поверхность.

2. Экспериментальные исследования особенностей механического контактирования сапфирового наконечника с изделием, имеющим прерывистую поверхность.

Помимо этого экспериментально были проверена правильность проведенных расчетов и подтверждена реальная высокая ударная прочность сапфирового стержня прямоугольным сечением 5х6 мм и длиной ~20 мм при его механическом контактировании, плоским торцом с пятизубой фрезой диаметром 15 мм, вращающейся с частотой 1000 об/мин, превышая по эмпирической оценке до 50 крат стандартное усилие прижима ~3 Н и без возвратных движений наконечника, являющимися обязательными для высокоточных контактных измерений.

После проведения этого эксперимента для двух участков плоского торца, контактирующих с фрезой, была снята профилограмма (рис. 3), по результатам анализа которых определена шероховатость Rz, не превысившая 0,15 мкм.

в)

Рис. 2. Профилограммы двух участков (а) торца сапфирового стержня после механического контактирования (б, в - в увеличенном виде), значение 1 клетки: по высоте -0,38 мкм, по длине -33 мкм

3. Условия регистрации изображения без искажений поверхности изделия через контактирующий с ней сапфировый наконечник.

Известно, что влиянием шероховатости поверхности К2 на изменения проходящих (или отраженных) оптических потоков или нарушения когерентности лазерного излучения от паразитного диффузного рассеяния можно пренебречь при выполнении условия Х/6>Я2> И с учетом полученных результатов экспериментальных исследований можно сформировать для этого условие:

К>0,9 мкм,

где X - длина волны.

Полученное условие означает переход от видимого диапазона излучения к инфракрасному (ИК), невидимому глазами человека.

Расширение функциональных возможностей ПАК с сапфировыми наконечниками может быть осуществлено за счет измерения температуры изделия пирометрическим способом. Для разных режимов обработки, условий охлаждения и материала изделия температура на поверхности обычно изменяется в диапазоне от 20° до 450 °С, формируя ИК излучение в диапазоне Д^~1,0..Л,6 мкм. Этот диапазон входит в диапазон длин волн, определяемый условием (2), и появляется возможность паразитного перекрестного влияния результатов «размерных» и пирометрических измерений друг на друга. Этот недостаток может быть исключен следующими способами:

1) Использование для пирометрических и «размерных» измерений по отдельному регистратору с разными спектрами чувствительности, разнесенными друг относительно друга не менее чем 1 мкм, описываемыми системой неравенств:

(2,0 мкм < < 2,6 мкм;

{1,0 мкм < ЛА( < 1,6 мкм.

2) Использовании одного общего регистратора для единого диапазона длин волн ИК-излучений 1,0 мкм < Д^-Д^ < 1,6 мкм, но с амплитудной модуляцией оптических потоков для «размерных» и пирометрических измерений на разных частотах. Последующее частотное разделение оптических сигналов во з-можно за счет применения цифровой обработки видеосигнала.

Вращение изделий с прерывистой поверхностью, таких как сверла или фрезы, приводит к естественной амплитудной модуляция оптического потока, определяется прерывистой поверхностью изделий, и для числа зубьев п и частоты вращения N можно записать выражение:

£=пЖ,

находясь, как правило, в низкочастотном диапазоне: 50 -200 Гц. Так, например, для частоты вращения 1000 об/мин пятизубой фрезы частота прохождения зубьев мимо наконечника составила 1—85 Гц [9]. Поэтому частота подсветки 1"осв, используемой при регистрации изображения, должна быть существенно выше для последующего их эффективного частотного отделения от сигналов низкочастотной модуляции 1"ь формируемых тепловым потоком, записывая это в виде эмпирического соотношения: 1осв=к1"ь где к > 5.

4. ПАК на основе сапфирового наконечника с тремя степенями свободы.

В 2016 году было разработано семейство ПАК с сапфировыми наконечниками с одной, двумя и тремя степенями свободы. Во всех этих технических решениях для фиксации видеоизображения поверхности изделия с возможностью последующей обработки и проведения т.н. телеизмерений используется регистратор (ПЗС-камера). Он может устанавливаться с тыльной стороны подвижного наконечника или быть стационарно закрепленным оптически связанным с наконечником с помощью световода. Схема ПАК с тремя степенями свободы и общий вид наконечника приведена на рис.3 и 4 соответственно.

Рис. 3. Схема разработанного ПАК

Разработанный ПАК состоит из прозрачного наконечника 1 со светопроводом 2 и защитным покрытием 3, рамки 4 с двумя степенями свободы, первого 5, второго 6 и третьего 7 осевых приводов для поворотов вокруг осей ОУ, 02 и ОХ соответственно, измерительного стержня 8, гибкого световода 9, направляющих 10, линейного привода 11, коллиматора 12, двухосевого измерителя 13, излучателя 14, набора волокон 15, регистратора 16. В статье принято, что приводы также могут выполнять и функции тормоза.

Основные узлы разработанного ПАК размеров изделия 17 имеют следующие особенности.

Защитное покрытие 3 является непрозрачным и установлено на лицевой и (полностью или частично) боковой поверхностях прозрачного светопровода 2. Оно образует на лицевой поверхности отверстие по месту и размеру зоны контакта с изделием 17 наконечника 1 окно для входа-выхода оптического излучения и защищает светопровод 2 от механических ударных воздействий.

Рамка 4 представляет собой т.н. «гироскопную» рамку, внутри которой за счет осевых приводов 5 и 6, управляемых сигналами ивр1 и ивр2 , может поворачиваться вокруг осей ОУ и 02 наконечник 1 вместе со связанным с ним механически и оптически передним концом гибкого световода 9.

Измерительный стержень 5, являясь пустотелой трубкой с сечением преимущественно многоугольника со сквозным внутренним отверстием вставлен передней частью в направляющие 10, а задней - в линейный привод 11, управляемый сигналом ипер Спереди у измерительного стержня 8 создан вилкообразный торец с подвижным соединением наконечника 1.

Гибкий световод 9 является волоконно-оптическим кабелем, минимальный диаметр которого может достигать всего около 0,37 мм [10], состоящим из набора волокон с регулярной укладкой и сохранением структуры передаваемого изображения, изгибаемый, как минимум, на участке соединения с прозрачным наконечником 1 с запасом по длине, обеспечивающим возможность угловых смещений до 180° заднего конца. Его передний конец прикреплен с помощью оптических элементов к тыльной стороне светопровода 2, с возможностью поворотов вместе с ним, освещения поверхности изделия 17 и приемопередачи отраженного оптического и теплового потоков к регистратору 8. Задний конец гибкого световода 9 размещен внутри третьего осевого привода 7 для поворотов вокруг оси ОХ (эквивалент третьей степени свободы) передаваемого изображения, следующего через коллиматор 12 к регистратору 16.

Вдоль гибкого световода 9 проложен набор волокон 15, используемый для подведения от излучателя 14 подсветки модулированной с частотой освещающей оптическим излучением под углом поверхность изделия 17 так, чтобы возникающая от него светотеневая граница находилась в поле зрения гибкого световода 9 и, соответственно, регистратора 16.

Двухосевой измеритель 13 используется для измерения положения 1х и углов наклона а^ и а^ наконечника 1 с формированием выходного сигнала N^(1^ ОоУ, а^). Наиболее удобно двухосевой измеритель 13 реализовать на основе трех лазерных триангуляционных датчиков линейных перемещений, измеряющих пространственные параметры наконечника 1 по координатам трех его точек. Для каждой такой точки датчик освещает лазерным лучом наконечник 1 с формированием на нём светового пятна в виде т.н. «зайчика» и регистрирует положение этого зайчика координатно-чувствительным приемником.

Регистратором 16 является ПЗС-матрица [11], регистрирующая изображение поверхности изделия 17 и его тепловое излучение в одном общем ИК-диапазоне Д^-Д^ -1,0 ... 1,6 мкм с выходным цифровым сигналом Мвых. Для регистратора 16 вводится понятие оси регистратора, соответствующее одной из линий строк его фотоэлемен-

Рис. 4. Наконечник с двумя степенями свободы, закрепленный в измерительном стержне

тов. Она используется для достижения совпадения её с касательной к элементам изделия 16 (режущая кромка инструмента, резьба и т.д.) с целью повышения разрешающей способности регистрации изображения за счет исключения смазывания регистрируемого изображения по технологии временной задержки накопления [12].

Принцип действия разработанного ПАК заключается в осуществления контактных и бесконтактных измерений.

Контактные измерения реализуются при подведении наконечника 1 к поверхности изделия 17 до механического контактирования с ним. Текущее положение 1х наконечника 1 и вынужденные повороты ОоУ и а^, обусловленные размером и конусностью изделия 17 измеряются двухосевым измерителем 13, например, на основе использования трех триангуляционных датчиков с формированием выходного сигнала N^(1^ оц, а^).

В процессе контактирования также реализуется один из методов оптического контроля профиля поверхности - теневой метод. Для этого излучателем 14 формируется модулированный оптический сигнал подсветки, освещающий под углом поверхность изделия 17 так, что формирующаяся при этом светотеневая граница находится в поле зрения оптического входа гибкого световода 9. Любые неровности поверхности, например, шаг резьбы для винтовой поверхности (рис. 5), формируя вблизи этой светотеневой границы индивидуальный рисунок теней, передаются гибким световодом 9 на вход регистратора 16.

Вместе с ними передается также и тепловое излучение, формируемое изделием 17, пропорциональное его температуре. В результате последующей цифровой обработки сигнала с разделением разночастотных оптических сигнала выделяется информация о неровностях поверхности изделия и температуре изделия Тизд.

Рис. 5. Пример реализации теневого метода разработанной ПАК при контроле параметров резьбы

Для уменьшения «смазывания картинки» при проведения измерений под действием сигнала иврз привод 11 поворачивает конец гибкого световода 9 до совмещения касательной изображения контролируемого элемента профиля изделия 17 с наклоном линий строк его фотоэлементов регистратора 16.

В процессе бесконтактных измерений, например, после отвода наконечника 1 с фиксацией его углового отклонения после контактных измерений с зазором к изделию 17 равным -1.. .3 мм могут осуществляться оптические методы измерения параметров неровностей поверхностей изделия 17 подобно описанным выше при контактных измерениях.

V. Обсуждение результатов

1. По результатам расчета нагрузочной способности сапфирового наконечника ПАК, обеспечивающего почти 30-кратный запас прочности к ударным нагрузкам и экспериментальных исследований при механическом контактировании с пятизубой фрезой диаметром 15 мм вращающейся с частотой 1000 об/мин, подтвердившего расчеты, определена шероховатость поверхности контактирующей зоны не превысившая 0,15 мкм. Это значение определяет передачу оптических потоков в ИК-диапазоне с длинами волн более 0,9 мкм, чтобы исключить влияние паразитного диффузного рассеяния.

2. Представленная конструкция ПАК позволяет реализовать новые функциональные возможности: одна, две и три степени свободы сапфирового наконечника в виде его угловых смещений. В одном из вариантов такой

наконечник подобен рамке гироскопу, в которой наконечник может поворачиваться вокруг оси OY и OZ с возможностями измерений конусности изделия и измерений «по хорде». Для уменьшения «смазывания картинки» при регистрации быстродвижущего профиля изделия по технологии временной задержки накопления поворот наконечника вокруг оси OX в представленном устройстве осуществляется заменой угловым смещением передаваемого изображения с помощью поворотом конца гибкого световода.

3. Разработанный ПАК позволяет также визуализировать поверхность изделия с регистрацией изображения теневым методом, осуществляя измерения температуры изделия пирометрическим способом.

V. Выводы и заключение

1. Проведенные исследования подтвердили возможность использования сапфира в качестве материала для создания высокопрочных и оптически прозрачных наконечников ПАК для контактных измерений размеров изделий с прерывистыми поверхностями.

2. Разработанная конструкция ПАК демонстрирует возможность создания сапфировых наконечников с одной, двумя и тремя степенями свободы в виде угловых смещений. Одна степень свободы связана с поворотами наконечника вокруг оси OY, в первую очередь, применима для измерения размеров и конусности обрабатываемого изделия. Вторая степень свободы определена угловыми смещениями наконечника вокруг оси OZ и может быть использована для измерений «по хорде». Необходимость третьей степени свободы наконечника обусловлена стремлением к повышению разрешения изображения быстродвижущихся процессов, уменьшающей «смазывание картинки» согласно технологии временной задержки накопления путем подбора угла наклона регистратора, а именно, строк фотоэлементов ПЗС-матрицы, совпадающих с углом наклона изображения элементов изделия.

3. Проведенные исследования создают основу для создания контактных и бесконтактных ПАК с сапфировыми наконечниками с широкими функциональными возможностями.

Список литературы

1. Кондашевский В. В., Лотце В. Активный контроль размеров деталей на металлорежущих станках / ОмПИ. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, Ом. отд-ние, 1976. 431 с.

2. Соболев М. П. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Смоленск: Ойкумена, 2005. 300 с.

3. Леун В. И., Тигнибидин А. В. Новые принципы построения приборов активного контроля для изделий инструментальных производств и машиностроения // Омский научный вестник. 2010. №.2 (90). С. 165-169.

4. Сайт фирмы Марпос. URL: http://www.marposs.com/product.php/eng/grinders_control (дата обращения: 31.05.2017).

5. Сайт АО «НИИизмерения». URL: http://www.micron.ru/production/active_instruments/bv-4304/ (дата обращения: 31.05.2017).

6. Леун Е. В. Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2016. № 4 (148). С. 123-127.

7. Пат. 2603516 РФ, МПК B 24 B 49/04, B 24 B 49/12, B 23 Q 17/20. Способ измерения линейных размеров изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности / Леун Е. В. № 2015117471/02; заявл. 08.05.15; опубл. 27.11.16, Бюл. № 33.

8. Леун Е. В. Гидроструйный интерферометрический способ контроля размеров // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. Т. 2, № 1. С. 101-109.

9. Леун Е. В., Шулепов А. В. Исследование и разработка сапфировых измерительных наконечников для приборов активного контроля размерных параметров изделий // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2017. № 3 (153). С. 91-95.

10. Ультратонкий микробороскоп. Пр-во США. URL: http://www.fiberscope.net/ru/ultra-fine-micro-borescope.html (дата обращения: 31.05.2017).

11. Бурлаков И. Д., Гринченко Л. Я., Дирочка А. И., Залетаев Н. Б. Детекторы коротковолнового ИК -диапазона на основе InGaAs (обзор) // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2, № 2. С. 131-162.

12. Петрошенко М., Соломицкий Дм. Технологии компании. URL: http://www.npk- photon-ica.ru/images/tehnologii_e2v.pdf (дата обращения: 31.05.2017).