ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ

Полезная модель 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 настоящее время для контроля прямолинейности при монтажных работах и сборке крупногабаритных изделий на больших расстояниях широкое распространение находят лазерные приборы.
Известны лазерные интерферометры для измерения отклонений от прямолинейности на больших расстояниях, например, лазерный интерферометр XL-80 фирмы RENISHAW [1], результаты измерения которого базируются на известной длине волны лазерного излучения, поверка которого выполняется в соответствии с международным стандартом длины. При работе с лазерными интерферометрами необходима строгая компенсация воздействия изменений условий окружающей среды с помощью специальных датчиков, неточность которых изменяет длину волны и приведет к ошибке измерений. Из-за несоблюдения принципа Аббе (совмещения оси движения с осью измеряемого объекта) и отклонения лазерного луча от направления движения объекта также возникают ошибки измерений. Существенным недостатком лазерных интерферометров является исчезновение интерференционной картины, а, следовательно, и результатов измерений, при случайном перекрытии лазерного пучка.
Несмотря на высокую точность (±0,5 мкм/м), недостатком лазерных интерферометров является сложность их изготовления и юстировки, настройки в процессе эксплуатации, проблемы аттестации и поверки. Следствием этих недостатков является высокая стоимость и ограниченное применение в цеховых условиях.
Известно отечественное контрольно-измерительное устройство для центрирования по лазерному лучу, [ЛЦИС [2], в основе которого лежит создание реперной оси опорного направления в виде кольцевой структуры лазерного луча. Сложной проблемой всех лазерных измерительных приборов является нестабильность оси опорного направления лазерного луча. Для исключения влияния этой нестабильности в схеме ЛЦИС используется коллиматор - интерферометр, в котором оптические компоненты в виде одной отрицательной и двух положительных линз преобразуют лазерный луч в интерференционную кольцевую структуру опорного луча на больших протяжениях, схожую со сферической аберрацией. Размеры колец, четкость интерференционной картины и распределение освещенности меняются по мере удаления от лазера. В процессе юстировки коллиматора - интерферометра добиваются равномерной контрастности кольцевой структуры, как в ближней, так и в дальней зонах излучения, за счет перемещения средней линзы коллиматора. Однако высокие требования к установке, отладке и юстировке элементов схемы и конструкции осложняют получение четкой картины интерференционных колец, сохраняющейся на всей дистанции контроля. Устройство требует периодической отладки, юстировки и аттестации в специализированных лабораториях. Кроме того, линейные и угловые смещения лазера в процессе измерений, установленного в стороне от коллиматора, или коллиматора относительно лазера, искажают картину кольцевой структуры, вызывая деформацию колец; появляются световые блики, меняется распределение освещенности по мере удаления от лазера, из-за чего снижается точность измерений и ограничивается, дальность измеряемой трассы, а нарушение «гаусового» распределения энергии делает неэффективным применение фотоприемных устройств.
Практически коллиматор - интерферометр используется на дистанции до 30-50 метров с точностью измерения фотоэлектрическим способом ±0,05 мм.
1
2
В патенте РФ №2457434, опубликованным 27.07.2012 по рубрике МПК G01B 11/30, заявлен лазерный измеритель непрямолинейности, содержащий лазер, оптическую систему, создающую стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного луча, и измерительный блок с позиционно-чувствительным фотоприемником, подключенным к вычислительному блоку, отличающийся тем, что оптическая система состоит из двух компонентов, первым из которых является отрицательная линза, а второй выполнен в виде аксикона с двумя сферическими поверхностями с радиусами R и R, при этом  а в качестве фотоприемника установлена цифровая телекамера с возможностью регулирования коэффициента преобразования оптических сигналов в электрические, а вычислительный блок, реализующий алгоритм приема сигналов выделенного кадра телекамеры и измеряющий координаты точки изображения с максимальной яркостью с последующим усреднением результатов измерений, выполнен с возможностью корректировки параметров телекамеры.
В приборе решена задача снижения погрешности измерений из-за нестабильности положения оси диаграммы направленности лазерного излучения. Однако пределы измеряемых отклонений ограничены размером матрицы фотоприемника, а точность измерения ограничена размером пикселя матрицы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой полезной модели является устройство, заявленное в патенте РФ №2603999, опубликованным 10.12.2016 по рубрике МПК G01B 11/26, где описан лазерный измеритель непрямолинейности, содержащий лазер, оптическую систему, создающую стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного луча, и измерительный блок с фотоприемником, подключенным к вычислительному блоку, отличающийся тем, что оптическая система дополнена узлом из двух оптических клиньев, установленных навстречу друг другу и светоделителем, а измерительный блок дополнен базовой маркой с триппельпризмой и измерительной маркой, состоящей из двух триппельпризм, расположенных симметрично относительно базовой оси, при этом лазер, оптическая система и фотоприемник размещены на одном общем основании.
Недостаток прототипа заключается в снижении пределов измерения при измерении отклонений от прямолинейности, несоосности сложных конструкций крупногабаритных изделий.
В предлагаемом полезной модели решается задача расширения пределов измерений при контроле отклонений объектов от прямолинейности, соосности, при сохранении точности измерения, в том числе для сложных конструкций крупногабаритных изделий.
Технический результат достигается в измерителе отклонений от прямолинейности, содержащим расположенные на базовой оптической оси лазерную трубу, включающую лазер и оптическую систему, создающую стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного пучка лучей, светоделитель, на выходе которого на оптической оси отраженного луча расположен двухкоординатный измерительный блок, содержащий фотоприемник с матрицей и снабженный двумя микрометрическими отсчетными винтами, при этом лазерная труба, светоделитель и двухкоординатный измерительный блок размещены на общем основании с возможностью через светоделитель оптического взаимодействия лазерного луча с маркой контролируемого объекта в виде триппельпризмы.
Техническая проблема расширения пределов измеряемых отклонений достигается наличием двухкоординатного блока с двумя микрометрическими отсчетными винтами, пределы измерения которых позволяют значительно расширить пределы отклонений контролируемых параметров объекта, что достигается подбором винтов с определенными параметрами и их точной настройки, что обеспечивает также сохранение точности измерений.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемой полезной модели - устройство измерителя отклонений от прямолинейности, где 1 - лазерная труба, включающая 2 - лазер, 3 - аксикон в виде положительного мениска по ходу луча лазера, 4 - расширитель лазерного пучка, 5 - светоделитель, 6 - двухкоординатный блок с установленными на нем двумя микрометрическими отсчетными винтами 7, фотоприемником 8 с матрицей 9. 10 - базовая марка с триппельпризмой. Цифрой II обозначено общее основание устройства. Элементы 1, 5 и 10 находятся на одной оптической оси по ходу луча лазера. Элементы 6, 7, 8, 9 расположены на выходе после светоделителя 5 по ходу отраженного от него луча. Фотоприемник 8 соединен с вычислительным блоком (на чертеже не показан).
Устройство содержит лазерную трубу 1, в которой размещены лазер 2 с блоком питания (на чертеже не показан) и система стабилизации лазерного луча, содержащая аксикон 3 и одну или несколько линз расширителя лазерного пучка 4. Лазерная труба I дополнена, светоделителем 5, маркой с триппельпризмой 10, связанной с контролируемым объектом и двухкоординатным блоком 6 с двумя отсчетными микровинтами 7. На блоке 6 установлен фотоприемник 8 с матрицей 9. Фотоприемник 8 соединен с вычислительным блоком, в котором осуществляется обработка и управление сигналом, полученного с матрицы 9 фотоприемника, и выдача на монитор результатов измерения.
Луч лазера в виде кольцевой структуры выходит из лазерной трубы 1, проходит через светоделитель 5 и направляется на базовую марку с триппельпризмой 10. При параллельном смещении «триппельпризмы» на величину «h», отраженный от нее луч смещается параллельно самому себе на ту же величину «b», причем расстояние между падающим и отраженным лучом равно «2b». После отражения от контрольного элемента луч возвращается в обратном направлении на светоделитель 5. Далее часть лазерного луча отражается от светоделительного слоя и принимается фотоприемником 8 с матрицей 9. Конструктивно устройство выполнено таким образом, что лазерная труба 1, светоделитель 5, и двукоординатный блок-стол 6 с фотоприемником 8 размещены на общем основании И.
Процесс измерений осуществляется следующим образом: измеритель отклонений от прямолинейности устанавливают в створе линии измерения, например, для определения взаимного положения одного узла крупногабаритного изделия относительно другого узла, расположенного на удаленном расстоянии. Если прибор настроен на марку, установленную в контрольную точку ближнего контролируемого узла, тогда отраженный от марки луч придет в центр поля матрицы фотоприемника. На рабочем поле монитора компьютера появится перекрестие и изображение кольцевой структуры лазерного луча, совмещенное с центром перекрестия. На экране компьютера появляются нулевые значения координат по осям абсцисс, ординат и результирующего вектора.
Если центр кольцевой структуры смещен с центра перекрестия, то программа выдаст значения смещения кольцевой структуры по осям абсцисс, ординат и результирующего вектора. Если центр кольцевой структуры находится за пределами поля, необходимо добитьря смещения приемника при помощи микрометрических отсчетных винтов двухкоординатного блока до попадания центра кольцевой структуры в поле изображения для наблюдения его на экране компьютера.
Показания микрометрических отсчетных винтов необходимо занести в программное обеспечение (ПО).
Установить базовую марку с триппельпризмой в контрольную точку дальнего узла. Если лазерный луч попадет в рабочую зону марки, тогда на рабочем поле монитора компьютера появится изображение кольцевой структуры лазерной) луча. Если центр кольцевой структуры смещен с центра перекрестия, то программа выдаст значения смещения кольцевой структуры по осям абсцисс, ординат и результирующего вектора. С учетом результатов измерений, полученных программой в ближней точке, определяется величина смещения дальнего узла контролируемого изделия относительно ближнего.
Если центр кольцевой структуры находится за пределами поля матрицы, необходимо добиться смещения фотоприемника 8 при помощи микрометрических отсчетных винтов 7 двухкоординатного блока 6 до попадания центра кольцевой структуры в поле матрицы для наблюдения его на экране компьютера.
Показания микрометрических отсчетных винтов 7 необходимо занести в ПО. Далее программа выдаст значения смещения кольцевой структуры по осям абсцисс, ординат и результирующего вектора. В этом случае с учетом результатов измерений, полученных программой в ближней точке, также определяется величина смещения дальнего узла, контролируемого изделия относительно ближнего.
Отличительной особенностью устройства является то, что в результате двойного смещения лазерного луча, отраженного от базовой марки, в два раза повышается чувствительность, а, следовательно, и точность измерения, равную ±0,01 мм на всей трассе измерений - 30 м и более. Однако в этом случае в два раза уменьшаются пределы измеряемых отклонений и составляют ±1,3 мм при размере матрицы 5×6 мм.
Отличительной особенностью конструкции устройства является то, что для увеличения пределов измерения в устройстве используют двухкоординатный блок с двумя микрометрическими отсчетными винтами. При этом обеспечивается высокая точность измерений на больших дистанциях при получении отраженного сигнала от контролируемого объекта, в том числе в виде сложного крупногабаритного изделия.
Устройство отличает простота конструкции и юстировки.
Предлагаемый измеритель отклонения от прямолинейности с наибольшей эффективностью решает целый ряд проблемных задач метрологического и технологического характера при изготовлении сложных крупногабаритных изделий, при выполнении контрольно- измерительных, разметочно-поверочных и монтажных операций на современных промышленных предприятиях. Данный измеритель прошел испытания в производственных условиях на стенде завода «АТОММАШ» для проведения измерений отклонений от базовой оси отдельных узлов реактора и выполнение контроля сборки узлов с корпусом реактора.
Применение полезной модели позволит также повысить надежность изготавливаемых объектов, повысить их техническую безопасность в процессе их эксплуатации, повысить производительность контроля, снизить себестоимость контрольно-измерительных операций, обеспечить предельную простоту, наглядность и удобство в работе в цеховых условиях.
Предлагаемый измеритель отклонений от прямолинейности на 30% дешевле своих зарубежных аналогов и не требует закупки импортных материалов и комплектующих, это на 100% российский продукт.
Источники информации:
1. Лазерный интерферометр XL-80 фирмы RENISHAW, Англия.
2. Вагнер Е.Г. Контроль объектов машиностроения по кольцевой структуре лазерного луча. - Измерительная техника, №4, 1981 г.