Лазерная система контроля качества изготовления узлов и деталей газоанализаторов

Актуальность работы. Значительную долю всех процессов контроля в элементах оптико—акустических газоанализаторов (ГА) составляют процессы контроля прямолинейности осей и профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях, в том числе в измерительных кюветах ГА.

Наиболее перспективными для реализации систем высокоточного автоматизированного контроля качества изготовления кювет ГА являются лазерные измерительные системы (ЛИС) позиционного типа (ПЛИС), в которых лазерный луч является эталонной базовой прямой. Существующие ПЛИС не получили широкого применения прежде всего из-за их высокой погрешности измерения, обусловленной нестабильностью диаграммы направленности лазеров (ДНЛ). Этот недостаток устраняется введением дополнительного канала, оптически обращённого на 180 ° относительно основного канала. Такие ЛИС стали называться лазерными измерительными системами с двумя оптически обращёнными каналами (ЛИС ДОК) [11, 12, 13, 14, 20, 21, 24, 26, 36, 59]. Проблемой повышения точности измерений занимались учёные: Теле-шевский В.И., Корндорф С. Ф., Веденов В. М., Мурачёв Е. Г., Бунько Е. Б., Харитонов В. И., и др. Выражаю признательность моему первому научному руководителю д.т.н., проф. МГТУ «МАМИ"|Веденову В.М.

Актуальными являются исследования, направленные на формирование комплексного подхода в проектировании ПЛИС, повышения помехоустойчивости и точности измерений, вопросы совершенствования и исследования математических моделей ЛИС ДОК, разработка средств автоматизации сбора информации.

Цель работы. Создание лазерной измерительной системы с улучшенными метрологическими характеристиками за счёт снижения погрешностей, повышения помехоустойчивости и автоматизации процесса измерений для контроля отверстий в узлах и деталях газоанализаторов.

Задачи работы. Достижение целей обеспечивается решением следующих научно-исследовательских и научно-технических задач:

— создание классификации позиционных ЛИС ДОК для контроля прямолинейности и положения осей отверстий в узлах и деталях ГА;

— уточнение и исследование математических моделей оценки погрешностей, параметрического проектирования, анализа и синтеза ЛИС ДОК с разделёнными и совмещёнными каналами с учётом амплитудных погрешностей;

— разработка способа компенсации амплитудных флуктуаций и снижения их влияния на точность фотоэлектрических ЛИС;

— разработка принципов построения, базовых структурных и функциональных схем реализации ЛИС, а также элементов конструкций преобразовательных блоков ЛИС;

— экспериментальные исследования макета ЛИС и его элементов;

— разработка аппаратно-программных средств автоматизации сбора, регистрации, хранения и обработки измерительной информации.

Методы исследований. Исследования базируются на фундаментальных положениях точных наук: математики, физики, пространственной геометрии, оптики и теории оптических и лазерных систем, электроники, автоматики, теории фотоэлектрических систем.

Расчётно-аналитические и экспериментальные исследования выполнялись с применением современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях МГУИЭ и МГТУ «МАМИ» на макетах и опытных образцах ЛИС.

Научная новизна. Научная новизна включает в себя:

— разработанную классификацию ЛИС ДОК для контроля прямолинейности и положения осей отверстий в узлах и деталях ГА, которая систематизирует способы построения ЛИС по конструктивным признакам, исполнению и назначению;

— уточнённую математическую модель оценки погрешностей ЛИС ДОК;

— запатентованный способ повышения точности и компенсации амплитудных погрешностей ЛИС (система отражённого луча);

— разработанный оптический блок ЛИС, его математическую модель и практические рекомендации по проектированию оптических блоков ЛИС ДОК;

— методы и реализующие их средства контроля прямолинейности осей и получения профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях газоанализаторов с визуальным воспроизведением объекта контроля;

— типовые функциональные и структурные схемы построения ЛИС в соответствии с разработанной классификацией и технологическими задачами контроля;

— созданную автоматизированную систему сбора данных и обработки результатов измерений в ЭВМ.

Практические результаты. Научная новизна подтверждается полученными практическими результатами, а именно:

— создан действующий макет ЛИС ДОК и разработаны его составные блоки;

— разработаны средства и методы контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА;

— получен патент РФ на изобретение «Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений»;

— за разработку лазерной измерительной системы получен диплом выставки «Золотые инновации России и стран СНГ», проходившей на ВВЦ в Москве.

Практическая ценность.

Практической ценностью работы являются результаты, позволяющие создавать новые лазерные системы контроля качества изготовления отверстий в узлах и деталях ГА, отличающиеся более высокой точностью и помехоустойчивостью и более низкой стоимостью.

Сформулированы рекомендации и предложены решения по конструированию ЛИС ДОК, их узлов и блоков. ЛИС обеспечены аппаратно-программными средствами преобразования сигналов, ввода и обработки информации в ЭВМ.

Полученные практические и теоретические результаты позволяют значительно расширить области применения ЛИС ДОК во многих областях промышленности.

Степень обоснованности полученных результатов. Полученные научные результаты, положения, рекомендации и выводы, базируются на положениях фундаментальной теории и подтверждены всесторонними практическими и теоретическими исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств. Сформированные представления согласуются с теорией смежных отраслей наук. Экспериментальные исследования, выполненные на макете ЛИС, полностью согласуются с результатами теоретических и расчётно-аналитических исследований.

Апробация и реализация результатов работы.

• Участие в конкурсных государственных отраслевых программах:

В основу диссертационного исследования положены наиболее значительные результаты НИР и ОКР, выполненные лично соискателем или при непосредственном участии соискателя в рамках соответствующих научно-технических и отраслевых программ:

1. Федеральной целевой научно-исследовательской программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» «Машины и машиностроение будущего» Миннауки и технологий РФ по теме № 201−97 «Разработка автоматизированного комплекса контроля геометрических параметров технологического оборудования машиностроительного производства методами лазерных измерительных систем» [12, 13, 15].

2. Федеральной целевой научно-исследовательской программы Минобразования и науки РФ по теме № 201−02, № 201Н-04 «Разработка адаптивных систем активного контроля геометрических параметров деталей в процессе их формообразования» [14, 15].

3. Отраслевой программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий», раздел «Высокоточные измерительные системы», по теме № 206ПТ-00 «ЛИС для диагностирования геометрических параметров автоматизированного технологического оборудования машиностроительного производства».

• Использование в учебном процессе:

Результаты диссертационной работы используются при чтении лекций, в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании на кафедрах «Автоматика и ПУ» МГТУ «МАМИ» [11, 55, 54, 57] и «МАСК» МГУИЭ. Лично автором создан автоматизированный экспериментальный макет ЛИС на котором выполнялись лабораторные работы.

• Участие в конференциях и семинарах:

Результаты работы обсуждались на 16 конференциях и семинарах:

1. МНС «60 лет воссоздания МАМИ». 27-я НТК ААИ (Ассоциации Автомобильных Инженеров России). Автотракторостроение, промышленность и высшая школа. Секция «Методы обработки, станки и инструменты». М., МГТУ «МАМИ», 29−30 сентября 1999 г.

2. Международная молодежная научная конференция «XXVI Гагаринские Чтения». М., РГТУ «МАТИ», 10−15 апреля 2000 г.

3. 31-я МНТК ААИ, посвященная 135-летию МГТУ «МАМИ». «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров». Секция «Автоматизированное управление, электроника и электрооборудование автотракторной техники». М., МГТУ «МАМИ», 27−28 сентября 2000 г.

4. МНТК, посвященная 30-летию со дня основания МГТУ Гражданской Авиации «Гражданская авиация на рубеже веков». М., МГТУГА, 30−31 мая 2001 г.

5. Международная юбилейная научно-практическая конференция «Народное образование в XXI веке». М., МПУ, 6−7 июня 2001 г.

6. МНТК и Российская научная школа молодых учёных и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий». М.-Сочи, 1−10 октября 2001 г.

7. Российско-германская научно-техническая конференция «Датчики и системы». СПбГТУ, 24−27 июня 2002 г.

8. -39-я МНТК ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». М., МГТУ «МАМИ», 25−26 сентября 2002 г.

9. 44-я МНТК «Проблемы качества и сертификация автотранспортных средств». 2−3 декабря 2003 г., г. Дмитров-7 Моск. обл., ЬШЦИАМТ.

10. Научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» ESEA-NI-04. М., РУДН, 15 ноября 2004 года.

11. 49-я МНТК ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». 23−24 марта 2005 года. М., МГТУ «МАМИ».

12. Международная научно-методическая конференция «Высшее профессиональное образование в современной России: перспективы, проблемы, решения», проводимая в рамках МНС, посвященного 140-летию МГТУ «МАМИ». М., МГТУ «МАМИ», 23−24 марта 2005 г.

13. МНТК и Российская научная школа молодых учёных и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий». М.-Сочи, 2005 г.

14. Пятая Международная электронная научно-техническая конференция «Технологическая системотехника — 2006». ТулГУ. Тула, 2006 г.

15. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем». МГИЭТ (ТУ), 29−30 ноября 2007 г.

16. МНТК и Российская научная школа молодых учёных и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий». М.-Сочи, 2008 г. • Участие в выставках и презентациях:

1. ЛИС демонстрировалась на выставке-презентации «Золотые инновации России и стран СНГ», в г. Москве, в пав. № 69 ВВЦ (ВДНХ), 6−9 декабря 2000 года. По результатам участия в выставке от МГТУ «МАМИ» конкурсной комиссией присуждён диплом за разработку лазерной измерительной системы за подписью первого заместителя министра промышленности, науки и технологий РФ М. П. Кирпичникова.

2. Стенд с ЛИС демонстрировался 23−24 марта 2005 г. на выставке научно-технических разработок МГТУ «МАМИ», к Международному Научному Симпозиуму, посвящённому 140-летию МГТУ «МАМИ».

Внедрение результатов работы:

Результаты работы внедрены в ООО «Система Групп» для контроля деталей энергоустановок и в ФГУП «75 Арсенал МО РФ», где была проведена опытная эксплуатация автоматизированной ЛИС ДОК для активного контроля прямолинейности и пространственного положения осей отверстий на участке ремонта инерциальных объектов.

На защиту выносятся: классификация ЛИС для контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА, построенная исходя из конструктивных признаков и вариантов исполненияуточнённая математическая модель оценки погрешностей ЛИС ДОКзапатентованный способ повышения точности измерений и снижения погрешностей ЛИС за счёт снижения влияния амплитудных флуктуаций интенсивности излучения (система отражённого луча) — математическая модель геометрических параметров и метод расчёта многофункционального оптического блока ЛИС;

— методика контроля положения осей и профиля внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях ГА с визуальным воспроизведением объекта контроля;

— базовые структурные и функциональные схемы построения ЛИС ДОК для контроля параметров отверстий в узлах и деталях ГА в соответствии с разработанной классификацией;

— предлагаемое техническое решение и программное обеспечение компьютеризированной системы сбора и обработки измерительной информации в ЭВМ;

— анализ экспериментальных результатов и выводы, на основе которых сформулированы практические рекомендации по созданию ЛИС. Публикации.

По теме диссертационной работы имеется 51 публикация, ряд из которых написан в соавторстве, в том числе: 1 патент РФ, 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 отчёта по НИР, издано одно методическое указание по выполнению лабораторной работы. Изобретения.

Российским агентством по патентам и товарным знакам по заявке № 2 001 117 704 от 29.06.2001 выдан патент № 2 196 300 на изобретение «Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений».

Структура и объём диссертации.

Выполненная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов и 5 приложений.

Диссертационная работа выполнена на 200 страницах машинописного текста, иллюстрирована 123 рисунками и фотографиями, содержит 7 таблиц, а список цитированной литературы включает 145 наименований, в том числе 3 зарубежных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Задача разработки современных средств и методов активного и пассивного контроля прямолинейности осей и внутренней поверхности отверстий в узлах и деталях технических систем является актуальной.

2. Наибольшие требования по геометрической точности предъявляются к кюветам газоанализаторов, предназначенных для определения малых концентраций примесей в газах и востребованных в медицинской промышленности, системах экологического мониторинга и жизнеобеспечения. Такие кюветы отличаются большей длиной, что затрудняет их контроль обычными методами и средствами.

3. Рассмотренная научная задача разработки средств и методов контроля геометрических параметров отверстий в узлах и деталях газоанализаторов может быть эффективно решена только применением ЛИС. ЛИС весьма перспективны и свободны от большинства недостатков, присущих иным методам контроля, могут быть успешно автоматизированы и интегрированы в автоматизированные системы управления технологическими процессами и производствами (АСУ ТП).

4. Современные лазерные датчики высокочувствительны, имеют малую массу, малые габариты, и практически линейную характеристику. Это позволяет создавать высокотехнологичные, новые и перспективные ЛИС.

5. На основе анализа требований к современным ЛИС установлено, что наиболее перспективными и экономически выгодными являются ЛИС с двумя оптически отражёнными каналами (ЛИС ДОК).

6. Исследованы математические модели ЛИС ДОК. Модернизирована математическая модель ЛИС ДОК РК с двумя ПЧФ, отличающаяся учётом оптико-световых характеристик фотоприёмников прямого и обращённого каналов.

7. Получены математические модели оценки погрешностей во времени для ЛИС ДОК с одним и двумя ПЧФ, применены понятия «Функция стабилизации ДНЛ», «Динамическая функция погрешности положения энергетического центра лазерного зонда», «Мнимый радиус-вектор положения энергетического центра лазерного зонда», «Коэффициент относительной амплитудной ошибки ЛИС ДОК».

8. Установлено, что коэффициент К стабилизации ДНЛ (КСДНЛ) теоретически может достигать значений 80 — 100 единиц, а практически для реализуемых конструкций достигает 30 — 50 единиц.

9. Установлено, что предельно допустимыми параметрами ЛИС ДОК, обеспечивающими высокие показатели стабилизации ДНЛ, являются т = 0,95, п = 0,95, у = 0,05.

10. Установлено, что ухудшение значения одного из параметров т или п, приводит к существенному снижению коэффициента К, при этом улучшение других параметров не даст заметного улучшения точности ЛИС. Целесообразно производить анализ и синтез ЛИС, придерживаясь при этом равенства значений коэффициентов т и п.

11. Установлено, что ввиду наличия амплитудной чувствительности ПЧФ, на точность ПЛИС влияют амплитудные нестабильности и флуктуации лазерного излучения.

12. Исследовано влияние на каналы ЛИС ДОК внешних модулирующих возмущений и показано, что при этом в неблагоприятных условиях КСДНЛ не снижается ниже 10—15 единиц.

13. Предложен способ снижения погрешностей и повышения стабильности и помехоустойчивости ЛИС введением дополнительных измерений интенсивности лазерного излучения с коррекцией результатов в ЭВМ (Система отражённого луча — СОЛ). Способ «СОЛ» позволяет повысить точность измерений на 20%, устранив влияние амплитудных флуктуаций.

14. Разработана классификация ЛИС ДОК, ЛИС ДОК СОЛ и их разновидностей, в основе которой положены конструктивные признаки и на основе которой предложены 16 базовых структурных схем реализации ЛИС ДОК.

15. Разработаны и предложены функциональные схемы построения ЛИС для контроля протяжённых глубоких отверстий в узлах и деталях газоанализаторов, их прямолинейности и формы внутренней поверхности.

16. Предложены базовые варианты построения ЛИС ДОК СОЛ, отличающиеся высокой стабильностью работы в условиях амплитудных неста-бильностей интенсивности излучения лазера, погрешность которых составляет 1 мкм. Среднее расхождение между аттестационными измерениями и показаниями ЛИС составляет 0,727 мкм.

17. Разработаны средства и методы контроля осей и профиля отверстия с воспроизведением реальной оси относительно заданной технологической базы и получением визуальной трёхмерной модели объекта контроля на ЭВМ.

18. Создан и исследован многофункциональный оптико-фотоприёмный блок ЛИС, который может быть изготовлен в различных масштабах и применён как для контроля отверстий в готовых изделиях, так и для контроля подвижных органов технологического оборудования в процессе изготовления кювет, а также для исследовательских целей и поверки ЛИС. Создана математическая модель, связывающая параметры контроля с геометрическими параметрами элементов оптико-фотоприёмного блока. На основе математической модели создана методика параметрического проектирования оптико-фотоприёмных блоков ЛИС.

19. В рамках диссертационной работы спроектирован и реализован специализированный электронный усилительный блок, приведена его полная принципиальная схема. Блок обеспечивает усиление до 106, проведено исследование свойств усилительной схемы компьютерным моделированием.

20. Разработаны аппаратно-программные средства и методы проведения измерений, позволяющие проводить измерения координат по 4 каналам до 100 000 элементов значений на трассах контроля до десятков метров длины.

21. Решены вопросы построения средств автоматизации измерений, сбора, хранения и обработки данных. ЛИС обеспечены высокоэффективной системой автоматизации на базе персональной ЭВМ со специализированным модулем, а также необходимым программным обеспечением. Для ЛИС создан функционально завершённый комплекс технических средств автоматизации, который легко встраивается в действующие технологические процессы АСУ ТП.

22. По результатам диссертационной работы получен патент РФ на изобретение.

23. В работе развита практика проектирования, анализа, синтеза, конструирования осеметрических позиционных ЛИС и их блоков. Разработанные средства и методы повышения точности ЛИС позволяют использовать более дешёвые лазерные излучатели.

24. Все теоретические результаты апробированы экспериментально на разработанных, созданных и реализованных макетах ЛИС в лабораторных условиях. Проведена серия экспериментальных исследований, полностью согласующаяся с теоретическими результатами. Даны практические рекомендации по построению и конструированию ЛИС ДОК и ЛИС ДОК СОЛ, обеспечивающих точность контроля порядка 1 мкм.

25. Основная цель — разработка ЛИС с улучшенными метрологическими характеристиками, достигнута.

26. Полученные результаты и сформированные рекомендации по проектированию ЛИС ДОК и ЛИС ДОК СОЛ, их узлов и блоков, предложенные технические решения, разработанные средства и методы, являются новыми, взаимосвязанными и логически завершёнными.