84 / 3 (56), 2010 А. П. МАрков, в. Ф. ГоГолинский, А. А. АзАрко, ГУ вПо «Белорусско- российский университет», А. Г. стАровойтов, рУП «Могилевэнерго», Е. М. ПАтУк, итМ нАн Беларуси УДК 681.7.068:681.335.2 Бесконтактные спосоБы и средства комБинированной профилометрии The modern ways and technologies of combined profilometry of extended surfaces on the basis of pneumatic-optical and optical-electronic structures of informational transformations are examined. Введение. В технике и технологиях размерного контроля важное значение имеют геометрические параметры сложнопрофильных поверхностей. Специфику таких геометрических тел определяют профили, форма и сечения, контуры и ре- льеф, особенно протяженных и длинномерных изделий. Отличительными признаками сложнопрофильных протяженных поверхностей являются наличие относительно малых геометрических параметров элементов и больших продольных размеров пространственно распределенной поверхности в виде совокупности таких элементов. Геометрические параметры hi могут иметь случайно распределенную структуру профилей (микронеровности, выступы, впа- дины) или конструктивно определенную структуру (профили зубьев колес, про- фили винтовых линий, профили лопаток газотурбинных двигателей, профиль вин- тов вертолетов и др.). По соотношению параметров hi и длины li протяженные поверхности могут быть малой протяженности li < 10hi; средней протяженности (10 < li < 103) ⋅ hi; большой протяженности (103 < li < 107) ⋅ hi; функционально определенной геоме- трией поверхности. Если геометрия поверхности малой протяженности соизмерима с полем зре- ния оптической системы скопирования, то для восприятия геометрии поверхности средней протяженности увеличенное их оптическое изображение превосходит поле зрения приемной системы скопирования. Для скопирования среднепротяжен- ной поверхности необходимо продольное сканирование приемной системы отно- сительно поверхности или поверхности относительно приемника изображений. В отличие от них скопирование поверхностей с функционально определенной геометрией и большой протяженности связано с операциями периодической или непрерывной связи отдельных участков с информационным приемником их опти- ческих изображений. Пространственно-временное деление поверхностей боль- шой протяженности на отдельные участки связано с возможностями простран- ственного скопирования измерительной системы и ее разрешающей способно- стью. При этом резко возрастает объем первичной информации по скопированию и координатной привязке полученных данных к реальным участкам. Моделирование элементов поверхности. Так как скопирование профилей ос- новывается на измерении изменений геометрических параметров, то для универ- сализации моделирования целесообразно использовать модель элементарного участка поверхности Dli независимо от ее протяженности. Профиль такого эле- Марков А. П. Гоголинский В. Ф. Азарко А. А. Старовойтов А. Г. Патук Е. М. / 85 3 (56), 2010 ментарного участка примем как «микропрофиль», являющийся объектом скопирования. Совокупно- сти пространственно распределенных и конструк- тивно связанных микропрофилей образуют по- верхность протяженного геометрического тела. Как при выборочном и пооперационном кон- троле, так и в мониторинге на потоке необходима оперативная информация о характере отклонений геометрических параметров. Всякие изменения макроскопических свойств поверхности зарожда- ются и формируются на микроуровнях структуры материала. При этом интегрированные изменения разнообразных свойств геометрического тела со- средоточиваются в локализованной приповерх- ностной зоне. В приграничной области на границе раздела двух фаз в особенностях пространственно-времен- ных изменений эффективно проявляются локаль- ные структурные связи элементов геометрическо- го тела и корреляционные связи случайных откло- нений профилей. Их пространственно-временное изменение технологически и конструктивно про- является в совокупности некоторых характерных признаков. С появлением таких признаков форми- руется первичное сообщение о пространственно- временных изменениях геометрического тела. В нормированных параметрах и свойствах нор- мально функционирующего изделия нет причин возникновения первичных сообщений и нет ис- точников первичной информации. В переходе от абсолютных к относительным оценкам состояния поверхности более рациональ- но реализуются информационно-преобразователь- ные процессы: снижается диапазон измерений, по- вышается чувствительность, улучшается метроло- гия. Реализация способов и средств оперативной оценки поверхности по отклонениям геометри- ческих параметров обеспечивает максимальную комфортность, минимальную энергозатратность, повышенную восприимчивость и оперативную доступность к источникам информации. Эффекты взаимодействия. В источниках пер- вичной информации отображается физическая сущность происходящих изменений сложнопро- фильной поверхности геометрического тела. Осо- бенности технологической информации связаны с физическими эффектами проявляемости и выяв- ляемости аномальных отклонений профилей при взаимодействии со спектрально-энергетическим излучателем. При всем различии в физической природе между технологическими признаками и информативными излучениями (абстрактными сигналами) устанавливается их определенное со- ответствие. При выборе физических эффектов максималь- ного проявления информативных источников осо- бое внимание уделяется информативности первич- ных признаков и чувствительности приемников информативных излучений в соответствующей фо- новой обстановке обследованного микропрофиля. Сложнопрофильные металлические поверхно- сти отличаются некоторым своеобразием взаимо- действия со спектрально-энергетическим излуча- телем. При этом на элементарную зону поверхно- сти воздействуют одновременно лучистые потоки различных длин волн. С учетом принципа адди- тивности эффект результирующего воздействия излучателя на поверхность определяется суммой произведений информативных излучений, взятых через равные интервалы длин волн. При этом сум- мирование взаимодействий компонент лучистого потока проводится по диапазону, в котором резуль- тирующее взаимодействие отличается от нуля. Информационный эффект спектрально-энерге- тического воздействия на металлическую поверх- ность проявляется в большом коэффициенте отра- жения и чрезвычайно сильном поглощении при- граничного слоя. Уже на удалении одной волны излучения видимого спектра полностью поглоща- ются металлической поверхностью. Отражатель- ная способность металлической поверхности обу- словливается многофакторным отражением в про- цессе рассеяния воздействующего излучения. Способы и технологии комбинированной профилометрии. Проблемы комбинированной профилометрии связаны с формализацией зарож- дающихся признаков изменяющейся поверхности в абстрактные источники первичной информации. При этом посредством локальных связей локали- зируется признаковое пространство некоторой зоны и проводится его анализ с соответствующей идентификацией технологических отклонений. В структуре информационно-технологических преобразований важное значение имеют поиск пространственно распределенных источников ин- формации, их достоверная локализация и обнару- жение техническими средствами [1]. Основу таких преобразований составляет спек- трально-энергетическая трансформация информа- тивных излучений, выявленных информационной системой на фоне дестабилизирующих воздей- ствий (помех) окружающей среды. В информатив- ности признаков изменений профилей поверхно- сти проявляются эффекты спектрально-энергети- ческого взаимодействия с излучением. Их сгруп- пированной совокупностью формируется источ- ник информации и соответствующее информатив- ное излучение. В его выявляемости отражается 86 / 3 (56), 2010 восприимчивость способов и средств к простран- ственно-временной изменчивости профилей эле- ментов поверхностей геометрического тела. Специфика изменяющихся профилей протя- женных поверхностей определяет структуру транс- формации первичной информации. Применитель- но к задачам достоверной выявляемости изменяю- щихся профилей ориентированный поиск инфор- мативных источников может обеспечивать простран- ственно-временную локализацию отклонений, их разброс в поле допусков, пеленгацию, дистанциро- вание, документирование и другие воздействия. Динамика скопирования профилей протяжен- ных поверхностей определяет совокупность тре- бований к способам и технологиям: • непрерывное скопирование микропрофиля и всей поверхности геометрического тела; • температурный диапазон с верхней границей нагретой поверхности до 1500 К; • исключение влияния чувствительного эле- мента скопирующей системы на структуру мате- риала и параметры микропрофиля; • согласование базы измерений с элементами поверхности геометрического тела; • адаптацию скопирующей системы к задачам, целям, алгоритмам и условиям функционирования геометрического тела; • оптимизацию структуры скопирования с уче- том распределения случайных погрешностей из- мерений геометрических параметров поверхно- стей в функции протяженности. Определяющее значение в выборе структуры скопирования поверхностей имеют эффекты взаи- модействия чувствительного звена первичного преобразователя с микропрофилем. В многозвен- ной цепи информационных преобразований си- стемно объединяются преобразователи различного функционального назначения и различной физи- ческой природы [2]. На процесс трансформации изменяющихся па- раметров и свойств микропрофилей существенное влияние оказывают отражающая способность и про- странственное положение геометрического тела, скорость продольного перемещения и нестабиль- ность скопирования, вибрации геометрического тела и изменения метрологической базы на изме- рительной позиции и ряд других факторов, влияю- щих на формирование, преобразование и трансля- цию первичной информации. Ограниченные возможности контактных спо- собов и технологий скопирования микропрофилей создают перспективы изыскания и создания бес- контактных средств автоматизированного скопи- рования. С учетом материала и жесткости (эла- стичности) поверхностей применимость бескон- тактных индуктивных, емкостных, радиоактивных и других способов электрических измерений не- электрических величин весьма ограничена. В боль- шей мере условиям автоматизированного скопиро- вания соответствуют комбинированные способы съема и трансформации измерительной информа- ции с оптико-электронной и микропроцессорной обработкой [1, 3]. Оптические и оптико-электронные технологии отличаются значительными преимуществами, осо- бенно в восприятии, преобразовании и передаче информативных излучений. Случайно распреде- ленные признаки изменяющейся поверхности ус- ложняют поиск и локализацию границ информа- ционных зон и участков изменяющихся профилей. Поисковые системы в основном ориентированы на экстремальные ситуации в обнаружении предель- ных границ отклонений в совокупном признако- вом пространстве (диапазон, экстремальные пре- делы и другие ограничения). Ограниченность схем и конструкций оптиче- ских способов и средств обусловлена особенно- стями взаимодействия светового потока с поверх- ностью. С переходом на когерентные и импульс- ные источники со спектрально и пространственно управляемыми световодными излучателями воз- росла эффективность комбинированных способов профилометрии поверхностей. На их основе эле- менты рельефной поверхности, профилей и дру- гих геометрических параметров преобразовыва- ются в соответствующие входные координаты из- мерительных преобразователей. Бесконтактный прием информативных излучений улучшает ме- трологию и расширяет область динамических пре- образований. При этом информационная связь приемника через некоторую физическую среду ис- ключает непосредственный механический контакт с поверхностью элементов геометрического тела. Бесконтактное следящее сканирование конту- ров в системе с бесконтактной аэростатической стабилизацией положения приемника на оператив- ной измерительной позиции изделия открывает новые технологические возможности мониторин- га поверхностей любой конструктивной сложно- сти, протяженности и жесткости (эластичности). Бесконтактная профилометрия (без непосред- ственного механического контакта) обеспечивает возможности контроля поперечного и продольно- го профилей поверхности как в статике, так и дви- жущегося изделия. В бесконтактной профиломе- трии, основанной на методах световых сечений, информация об отклонениях координатных точек поверхности снимается по экстремальным откло- / 87 3 (56), 2010 нениям одной (относительный контроль) или двух (абсолютный контроль) координат профиля (кон- тура) в контролируемом сечении. Информацион- ное поле о текущем профиле изделия, располо- женного в поперечном положении относительно оси, формируется источником света выбранного спектра. В области видимого и граничащего с ним инфракрасного излучений на результаты формиро- вания измерительной информации существенное влияние оказывают микронеровности рельефной поверхности, особенно ее экстремумы. Размытое (не четко очерченное) изображение грани свет- тень, а также рассеяние излучения на этом участке вводят неоднозначность считывания информации и спектральное рассогласование в информационной цепи преобразований оптико-электронного канала. Оптоэлектронные структуры и технологии авто- матизированного скопирования микропрофилей обе- спечивают бесконтактность и высокую чувствитель- ность; помехозащищенность и низкую восприимчи- вость внешних дестабилизирующих воздействий; высокую локальность и малую инерционность; вы- сокое быстродействие и универсальность для ско- пирования поверхностей из любых материалов. Оптоэлектронные структуры системно сочета- ются с микропроцессорной и вычислительной тех- никой, что позволяет оптимизировать преобразо- вательный процесс на стадии обработки, хранения и документирования результатов. Для способов лазерного скопирования важное значение имеют когерентность и интенсивность излучения, существенно влияющие на разрешаю- щую способность и контрастность дифракцион- ной картины, локализованной у границ изображе- ния микропрофиля. При когерентном источнике излучения распределение энергии световых коле- баний отображается в изображении точек микро- профиля [4, 5]. Распределение интенсивности света Iф при диф- ракции на микропрофиле сечением d с учетом сте- пени когерентности описывается выражением [3]: , где I0 – интенсивность света поля изображения; j – угловая координата точек дифракционного распределения; х1, х2 – линейные координаты то- чек микропрофиля; l - длина волны света; Ек – ос- вещенность. Для лучшего восприятия информации выбира- ется соотношение Ек/Ем, когда центральный диф- ракционный максимум Ем, образованный аперту- рой конденсора, полностью закрывает входной зрачок приемника. Триангуляционные методы бесконтактного контроля при сравнительно высокой точности сложны конструктивно, громоздки и дорогостоя- щи. Область их применения ограничена лабора- торными условиями [5, 6]. Лазерные профилометры, реализующие метод светового сечения, обеспечивают бесконтактный контроль профиля с высокой точностью. Однако даже для тонкого луча лазерного источника из-за его расходимости и соизмеримости сечения луча с микронеровностями грани профиля формирует- ся недостоверная измерительная информация о ре- альном профиле (координате контура), так как в программной обработке результатов сравнива- ются данные с некоторым абстрактным отображе- нием эталона (образцового изделия или по черте- жу) и случайных координат реального изделия. В технических средствах контактно-бескон- тактного сканирования чувствительный элемент датчика (адаптер) снимает координату профиля и преобразовывает ее в соответствующее механи- ческое перемещение. Посредством последующего измерительного преобразователя это перемещение преобразуется в сигнал другой физической природы. Но из-за инерционности и низкой помехозащищенности в условиях производства возможности таких про- филометров ограничены [3, 5, 7]. Высокую чувствительность и точность в огра- ниченных диапазонах обеспечивают пневматиче- ские преобразователи. С приемлемой динамикой и стоимостью пневматические системы позволяют реализовывать схемы одно-, двух- и многосторон- них измерений профилей, что делает пневматиче- ские средства контроля профилей в некоторой мере более универсальными, общедоступными и применимыми во взрыво- и пожароопасных про- изводствах [1, 8, 9]. В общем случае структура преобразовательной цепи представляет собой совокупность отдельных элементов и устройств по выявлению, восприятию и формированию первичной информации об от- клонениях координат контура и дальнейшему пре- образованию и обработке уже сигналов. Использу- емый при этом волоконно-оптический канал явля- ется уникальной средой не только для дистанци- онной передачи, но и для одновременного помехо- защищенного преобразования и отображения. Для устройств пневмоэлектрических преобра- зований координаты [8] характерны низкая точ- ность и производительность даже при бесконтакт- ной профилометрии [3, 10–13]. 88 / 3 (56), 2010 В предложенном способе бесконтактной про- филометрии при плавном ощупывании рельефа контролируемой поверхности одновременно вос- принимается информация об отклонениях теку- щих координат поверхности геометрического тела и эталона (образец стандартного профиля, про- филь по чертежу). Геометрическое тело и эталон контролируются одновременно в одной и той же системе координат. При совпадении координат профилей изделия и эталона в некоторых идентич- ных точках поверхностей положение элемента сравнения в следящей измерительной системе не меняется. В случае выхода отклонения координа- ты из зоны нечувствительности чувствительного элемента изменяется положение элемента сравне- ния в зависимости от того, как изменяется откло- нение координат. Если координата элемента конту- ра (профиля) изделия будет выходить из установ- ленного поля допуска относительно эталона, эле- мент сравнения переместится на соответствую- щую величину. Если координата элемента изделия будет выше, то элемент сравнения сместиться в сторону изделия. И, наоборот, при увеличении отклонения профиля в данной точке изделия отно- сительно соответствующей эталонной элемент сравнения смещается в сторону эталона. Характер и величина отклонений профилей и соответствую- щие им смещения элемента сравнения одновре- менно воспринимаются обоими измерительными преобразователями, выходные сигналы которых дифференциальной схемой сравнения преобразу- ются в оптическом или оптико-электронном вто- ричном преобразователе. Представленная система и устройство следя- щего преобразования состоят из системно объеди- ненных элементов различной физической приро- ды (см. рисунок). Профили изделия 1 и эталона 2 одновременно ощупываются чувствительными соплами 3 и 4, пневматически связанными с рабочей камерой 5 и копирующей камерой 6. В тоже время чувстви- тельные сопла жестко связаны соответственно с разделительными гибкими мембранами 7 и 8, а также сильфонами 9 и 11. Положение раздели- тельных мембран выражается в перемещении штоков 13 и 14, жестко связанных с мембранами и чувствительными соплами. Посредством вход- ных дросселей (питание) 15 и дросселя противо- давления 16 следящая система связана с пневмати- ческим источником питания. За счет жестко свя- занной с корпусом 17 разделительной стенки 18 создается совмещенная пневматическая камера Схема комбинированной следящей профилометрии: 1 – элемент изделия; 2 – эталон; 3, 4 – чувствительные сопла; 5 – камера рабочая; 6 – камера копирующая; 7, 8 – мембраны гибкие; 9, 11 – сильфоны; 10, 12 – жесткие каналы пневматические; 13, 14 – штоки; 15 – дроссель питания; 16 – дроссель регулировочный; 17 – корпус; 18 – стенка разделительная / 89 3 (56), 2010 противодавления рпр. В такой конструкции пнев- матическая следящая система обеспечивает неко- торое равновесное положение при заданных зазо- рах измерительных сопел относительно предмет- ных поверхностей изделия и эталона. Процесс следящего преобразования строится следующим образом. Давление входного воздуха рвх одновременно воспринимается камерами 5 и 6, а также камерой А через дроссели 15. При этом разделительные гибкие мембраны 7 и 8, взаимо- действуя с сильфонами 9, 10, 11 и 12, занимают не- которое промежуточное состояние, определяемое соотношением координат элементов контуров из- делия 1 и эталона 2. Если координаты изделия и эталона соответствуют нормативным (допуско- вым) значениям, то пневматическая система в пре- делах своей чувствительности находится в стати- ческом (равновесном) состоянии, что соответству- ет тому, что изделие по форме и размерам соответ- ствует эталону. В случае, когда координата элемента контура изделия меньше соответствующей координаты элемента эталона, зазор хои увеличивается, а с ним возрастает и расход воздуха ри1, который, проходя через отверстия в штоке, выходит через сопло 3. За счет избыточного давления и под действием разности давлений в камере 5 и камере противо- давления мембрана смещается, а с ней перемеща- ется и шток 13, растягивая верхний сильфон 9 и сжимая нижний сильфон. С увеличением объема верхней камеры А на- рушается равновесие в камерах А и Б, что приво- дит к снижению давления в камере Б и перемеще- нию мембраны 8 со штоком в верхнее положение. При этом жестко связанный с соплом 4 шток сжи- мает сильфон 11 и шток 14 смещается вверх. Такое взаимодействие в элементах следящей системы происходит до тех пор, пока не сравняются зазоры между соплами, ощупывающими изделие 1 и эта- лон 2, т. е. хои = хоэ. В таком положении выравни- ваются давление ри1 и ри2, мембраны занимают промежуточное равновесное состояние и по пере- мещению штоков 13 и 14 оценивается величина отклонения координаты элемента изделия относи- тельно координаты элемента эталона. В случае, когда координата элемента контура изделия больше эталонных параметров, соответ- ственно зазор хои < хоэ, расход воздуха через сопло 4 возрастает, давление ри2 падает и противодавле- нием рпр мембрана 8 смещается вниз, воздух из камеры А перетекает в камеру Б. Такое перерас- пределение происходит до тех пор, пока не насту- пит равновесие в силах противодавления, давле- ний ри1 и ри2 и усилий сильфонов. В таком состоя- нии максимальное перемещение штоков 13 и 14, выраженное в выходных сигналах преобразовате- лей ИП1 и ИП2, определяет величину верхнего от- клонения координаты контура изделия относи- тельно эталона. Блок логической обработки (БЛО) выходных сигналов преобразователей ИП1 и ИП2 выдает данные в численных значениях с привязкой к пространственным параметрам изделия на блоке индикации (БИ) после программной обработки и с документированием полученных результатов. Пространственно-временная изменчивость вза- имного положения микропрофиля и приемника скопирующей системы характеризует процесс ско- пирования как динамический с его спецификой локальных связей и характеристик. Но и в этом случае система скопирования должна обеспечи- вать требуемую точность и достоверность незави- симо (или с учетом) от скорости продольных пере- мещений с возможными отклонениями в попереч- ном направлении. Выводы 1. Пространственно-временная изменчивость создает предпосылки эффективной реализации по- операционных преобразований совокупности от- клонений геометрических параметров поверхно- сти в формирующемся признаковом пространстве относительно поля допусков. 2. Технологическая проявляемость и информа- ционная выявляемость координатных изменений рельефа поверхности неразрывно связаны со спек- трально-энергетическим взаимодействием внеш- них излучений с поверхностью и восприимчиво- стью адаптеров к формирующимся признакам первичных изменений рельефа. 3. Бесконтактные первичные и измерительные пневмооптические преобразователи максимально адаптированы к задачам и условиям мониторинга сложно-профильных поверхностей особенно про- тяженных геометрических тел с распределенными источниками информации. 4. Комбинированные способы и блочно-модуль- ные структуры трансформации информативных из- лучений более эффективны в способах следящего сканирования и уравновешивающего преобразова- ния первичной информации с последующей оптико- электронной и микропроцессорной обработкой. Литература 1. Структура бесконтактного контроля профилей сложноконтурных изделий / А. И. Потапов, А. П. Марков, В. Ф. Гоголин- ский и др. // Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий: Межвуз. сб. СПб.: Изд-во СЗТУ. 2007. С. 24–34. 90 / 3 (56), 2010 2. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, 1975. 3. Оптоэлектронные измерительные преобразователи / Н. Е. Конюхов, А. А. Плют, В. М. Шаповалов. Л.: Энергия, 1977. 4. Оптико-электронные средства размерного контроля технологических микрообъектов / В. К. Александров, Ю. Н. Биенко, В. Н. Ильин. Мн.: Наука и техника, 1988. 5. Оптоэлектронные средства контроля и измерения / В. К. Александров, Ю. Н. Биенко, В. Н. Ильин // Средства автоматиза- ции измерений, контроля и управления / Под ред. В. А. Пилиповича и Н. Н. Анишкевича. Мн.: Наука и техника, 1984. 6. Активный контроль размеров / Под ред. С. С. Волосова. М.: Машиностроение, 1984. 7. Г о г о л и н с к и й В. Ф., П о т а п о в А. И. Пневматический способ измерения поперечных размеров движущегося изделия и устройство для его осуществления: А. с. СССР № 1453170; Б. И. 1989. № 3. 8. Визуально-оптическая дефектоскопия и размерный контроль в литейном производстве / Е. И. Марукович и др. Мн.: Бе- лорусская наука, 2007. 9. Г о г о л и н с к и й В. Ф. и др. Устройство для контроля диаметров изделий: А. с. № 1789852; Б. И. 1993. № 3. 10. Автоматизация контроля сечений и формы эластичных и сложноконтурных изделий / В. Ф. Гоголинский, А. А. Кетко- вич, Б. А. Чичигин // Вестн. МГТУ. 2006. № 2 (11). С. 62–65. 11. Информационная трансформация свойств поверхности в литье и металлургии / А. П. Марков, С. С. Сергеев, И. М. Строцкий и др.// Литье и металлургия. 2009. № 4 (53). С. 79–87. 12. Способ бесконтактного контроля профиля изделия и устройство для его осуществления: Пат. РБ / Е. И. Марукович, А. П. Марков, А. В. Коннов, В. Ф Гоголинский и др. 2009.06.16. 13. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Машиностроение, 1974.