CC BY
105
УДК 681.786.004.414.28::(62+167/168)
Ю.В. Чугуй, А.Г. Верхогляд, И.В. Голубев, В.П. Кирьянов,
К.И. Кучинский, Ю.В. Обидин, С.В. Плотников, М.Ф. Ступак,
Е.В. Сысоев, Л.В. Финогенов, В.П. Юношев КТИ НП СО РАН, Новосибирск
3D ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ НАУЧНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
Увеличению роста промышленного производства в России в последние годы, несомненно, способствует использование новых технологий -технологий XXI века. Использование новой элементной базы переводит на качественно другой уровень измерительные технологии. Среди измерительных технологий наиболее перспективными являются оптикоэлектронные измерительные технологии, в которых достижение целей измерения обеспечивается использованием методов и средств современной оптики, электроники и компьютерной техники [1, 2].
Особое место занимают оптико-электронные измерительные технологии для размерного контроля, ориентированные на получение количественной информации о геометрических параметрах объектов и их изменениях в пространстве и времени. При контроле геометрических параметров объектов измеряются: линейные и угловые размеры, форма, расположение поверхностей. В случае контроля положения объектов (или его частей) проводятся измерения: линейных расстояний от базы сравнения до характерных точек объекта и угловых характеристик. Объекты можно классифицировать по оптическим свойствам. Это объекты с четкой теневой проекцией и корпусного типа. При чёткой теневой проекции применяются методы контроля в проходящем свете (теневой, дифракционный и др.). В случае объектов корпусного типа используются методы контроля в рассеянном свете: триангуляционный, на основе структурного освещения, низкокогерентной интерферометрии и др.
Применение оптико-электронных измерительных технологий позволяет:
- Повысить качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции;
- Решить ряд актуальных жизненно важных проблем (повышение безопасности атомной энергетики, безопасности ж/д транспорта и т.д.).
К современным автоматическим оптико-электронным измерительным системам и технологиям предъявляются следующие основные требования:
- Бесконтактность и дистанционность измерений;
- Широкий диапазон измерений - от 1 мкм до 1 м и более;
- Высокое разрешение - от 1 нм до 1 мкм;
- Высокое быстродействие - от 103 до 105 измер./с.;
- Промышленное исполнение (климатическое исполнение по требованию заказчика);
- Конкурентоспособность (на мировом рынке);
- Наличие сертификата;
- Наличие эксплутационной документации;
- Гарантийное и постгарантийное обслуживание;
- Приемлемая цена.
За последние 10 лет в КТИ НП СО РАН была разработана гамма измерительных систем и технологий для базовых отраслей страны [2], таких как атомная энергетика [3], железнодорожный транспорт, оптикомеханическая и горнодобывающая промышленность. Наша Hi-Tech продукция - это синтез современной оптики (включая киноформную), точной механики (разрешение 1 нм - 1 мкм), лазерной оптики, современной электроники и компьютерной техники, программного обеспечения, конструкторской и эксплуатационной документации.
В течение последних двух лет было выпущено более десятка наименований изделий, причём некоторые - тиражом в десятки и сотни экземпляров.
Остановимся подробнее на некоторых основных разработках КТИ НП.
Оптико-электронная система промышленного размерного контроля изделий типа тел вращения ГРАД-2 (Рис. 1) предназначена для автоматизированного бесконтактного измерения геометрических параметров изделий типа тел вращения.
Принцип действия системы у * основан на измерении
геометрических параметров изделия по их теневым изображениям.
Высокая точность и достоверность измерения геометрических
параметров обеспечивается
использованием оригинальных
алгоритмов цифровой обработки
сигнала. Погрешность при
измерении внешних диаметров ^
составляет ~ 4 мкм. Время измерения Рис. 1 Внешний вид системы ГрАЛ-2
одной детали (« 30 параметров) не более 15 сек. Система выполнена в виде четырех автоматизированных рабочих мест: АРМ контролера ОТК, АРМ конструктора, АРМ технолога и АРМ мастера КИП. Особенностью системы является возможность расширения списка измеряемых изделий путем создания чертежа детали при помощи стандартных средств автоматизированного проектирования. Чертеж подвергается обработке специальной программой и используется для выработки стратегии контроля. Наглядность получаемой информации об измеряемых параметрах изделия делает систему также незаменимым помощником технолога при отладке и проверке производственных технологических процессов.
Оптико-электронная лазерная измерительная машина (ЛИМ) контроля основных геометрических параметров дистанционирующих решеток предназначена (Рис. 2) для автоматического бесконтактного 3D контроля геометрических параметров дистанционирующих решеток (ДР)
Рис. 2. Внешний вид ЛИМ
камерами, сигнал с которых пер геометрических параметров ячейки.
тепловыделяющих сборок ядерных
реакторов (количество ячеек > 300 шт.).
Принцип действия лазерной измерительной машины основан на анализе изображений ячеек ДР, освещенных тремя матрицами в виде 12x13 световых пучков (метод
многоточечного структурного
освещения, рис. 3). Рассеянный поверхностями ячейки свет
воспринимается тремя ПЗС
ется в компьютер для вычисления
Рис. 3. Метод многоточечного структурного освещения
Использование двухкоординатного прецизионного сканирующего стола позволяет получить информацию о всех ячейках ДР и ее геометрии в целом.
Лазерная измерительная машина, разработанная КТИ НП СО РАН [4], производит измерение ДР за 12 минут (каждый элемент измеряется в 16 сечениях), что в 300 раз быстрее, чем у современной контактной КИМ. Кроме того, данная машина использует бесконтактные способы контроля, что, несомненно, повышает качество и точность измерений (см. в качестве примера рис. 4).
Рис. 4. Реконструкция на экране монитора 3D-конфигурации бракованной
(справа) и годной (слева) ячейки ЦДР
Система дефектоскопии урансодержащих таблеток ДЕФЕКТ
предназначена для обнаружения и распознавания поверхностных дефектов топливных таблеток и их автоматической отбраковки (Рис. 5).
В основу метода измерения положено формирование путем специального освещения высококонтрастных изображений поверхностей
таблетки, ввод их в ЭВМ с помощью матричных
фотоприемников на ПЗС и обработка в реальном времени.
На базе разработанных метода и программного обеспечения (совместно с ИМ СО РАН) впервые в мире создана система дефектоскопии
урансодержащих таблеток с производительностью в темпе Рис. 5. Внешний вид систем ДЕФЕКТ конвейера при минимальном
размере обнаруживаемого дефекта 100 мкм и вероятностью обнаружения дефекта - 95%. Проведенные исследования работы системы при контроле реальной продукции в ОАО «НЗХК» показали обоснованность принятых
научно-технических решений.
Оптико-электронная система
измерения поверхностных дефектов ПРОФИЛЬ. Принцип действия системы основан на использовании интерференции частично-когерентного света. При измерении производится автоматическое сканирование по глубине профиля поверхности, содержащей дефект. В результате сканирования получается набор изолиний профиля измеряемого участка поверхности
Рис. 6. Набор изолиний при сканировании дефекта
(см. рис. 6). По этому набору изолиний рассчитывается профиль этого участка поверхности. Применение прямого метода измерений, при котором регистрируются непосредственно координаты точек поверхности, позволяет обеспечить высокую точность и достоверность результатов [5].
На рис. 7 приведен пример отображаемой на экране монитора информации при измерении дефектов системой ПРОФИЛЬ.
Технические характеристики системы ПРОФИЛЬ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Площадь 2.3 х 2.3 мм
Разрешение по глубине 1 мкм
Погрешность измерения по глубине 5 мкм
Диапазон по глубине Z < 10 мм
Время измерения < 15 с (глубина 50 мкм)
ах
Рис. 7. Пример трехмерного изображения на экране монитора дефекта типа «риска» (слева) и его количественные характеристики в выбранном сечении
Автоматизированный диагностический комплекс для бесконтактных измерений параметров колесных пар вагонов КОМПЛЕКС
предназначен для выявления на ходу поезда износов и дефектов цельнокатаных колес (см. рис. 8), а также роликовых букс, имеющих
Рис. 8. Внешний вид системы КОМПЛЕКС (слева) и принцип автосканирования геометрических параметров колесной пары системой (справа)
разрушения торцевого крепления, их регистрации и оперативной передачи информации на ближайшую станцию ПТО с целью обеспечения безопасной эксплуатации грузовых вагонов.
Принцип действия системы основан на лазерном бесконтактном контроле геометрии движущихся трехмерных объектов с помощью триангуляционных датчиков положения.
Технические характеристики комплекса позволяют производить измерения на скоростях движения поезда от 20 до 60 км/час.
Система обязана контролировать следующие параметры колесных пар грузовых вагонов:
- Ширину обода;
- Толщину обода
- Толщину гребня
- Сумму толщин гребней на оси;
- Диаметр по поверхности катания
- Расстояние между внутренними гранями колес
мм;
- Равномерный прокат
- Разность диаметров колес в колесной паре.
Погрешность измерений линейных размеров - до 0,5 мм, рабочий
интервал температур от -50 до +50°С. В качестве примера на рис. 9 приведен статистический анализ измеренных параметров толщины обода по более чем 200 000 значений.
В настоящее время ведутся работы по доводке системы КОМПЛЕКС для контроля ползунов, наваров, неравномерного проката. На сегодняшний день данные системы эксплуатируются на Московской железной дороге (2 ед.), Западно-
Сибирской железной дороге (5 ед.) и по одной системе введены в эксплуатацию на Красноярской, ВосточноСибирской и Забайкальской железных дорогах.
Система
автоматизированного контроля рассеивающих пластин СИТО
предназначена для технологического контроля размеров отверстий и их межцентровых расстояний в ситовом полотне (см. рис. 10). Система может
22 Толщина обода, мм
Рис. 9. Статистический анализ измеренных параметров толщины обода прошедших поездов. Процент колес с толщиной обода меньше 22 мм - 0,6%
от 18 до 80 мм; от 20 до 33 мм;
от 844 до 964 мм; от 1437 до 1443
от 0 до10 мм;
использоваться в различных отраслях промышленности для контроля аналитических сит.
Технические характеристики системы СИТО приведены в табл. 2.
Таблица 2
Диаметр контролируемых рассеивающих пластин не более 200 мм
Диаметр измеряемых отверстий от 1 до 5,5 мм
Погрешность измерения диаметра отверстия ± 3 мкм
Диапазон перемещений стола по осям X и Y 0 - 200 мм
Погрешность отсчета позиции стола ± 20 мкм
Погрешность измерения межцентровых расстояний ± 40 мкм
Время измерения одного отверстия не более 1 с
Время перемещения в соседнюю позицию не более 2 с
Рис. 10. Внешний вид системы СИТО (слева) и пример результата измерения образца сита на экране монитора (справа), где для наглядности диапазоны измеренных диаметров отверстий отображены разными цветами
Лазерный генератор изображений CLWS-300/C-M предназначен для
синтеза прецизионных
хромовых шаблонов или мастер
- оригиналов (в том числе -оптических элементов нового поколения для оптических измерительных систем),
обеспечивающий запись на криволинейных поверхностях (Рис. 11).
Принцип действия: с
помощью сфокусированного
Рис. 11. Внешний вид лазерного генератора изображений CLWS-300/C-M
лазерного излучения формирование в пленках хрома скрытого изображения фотошаблонов будущих оптических элементов. Основные технические параметры лазерного генератора изображений показаны в табл. 3.
Таблица 3
Диаметр заготовок 20.. .300 мм
Пространственное разрешение до 1000 лин./мм
Разрешение по R координате не хуже 10 нм
Разрешение по ф координате не хуже 0.25 угл. с
Диапазон перемещения по Z координате до 25 мм
Погрешность автофокусировки ± 0,05 мкм
Светочувствительный слой пленка хрома, фоторезист
Материал стекло, кварц
&
Рис. 12. Примеры записей, сделанных с помощью CLWS-300/C-M: слева -дифракционная структура на элементе сферической поверхности, диаметр подложки - 50 мм, радиус кривизны - 240 мм, справа - тестовое изображение для исследования процесса записи по хрому (диаметр 350 мкм, минимальные
размеры элементов 10 мкм х 10 мкм)
Технико-экономические преимущества лазерного генератора изображений CLWS-300/C-M - это большое рабочее поле, высокие разрешение и производительность, простота и дешевизна технологии при изготовлении высокоточных круговых шкал и лимбов (число штрихов до 360000, погрешность изготовления ~ 1 угл.с), многоразрядных
преобразователей «угол-код» (число двоичных разрядов до 18), элементов дифракционной оптики (см. рис. 12 - осесимметричных, внеосевых и произвольной топологии, в т.ч. линейных структур), синтез узлов и элементов микромеханики.
Автоматизированный комплекс нелинейно-оптической диагностики (НОД) диэлектрических и полупроводниковых структур. На основе компьютерного анализа сигнала второй гармоники проходящего через
исследуемый образец зондирующего лазерного излучения комплекс позволяет получать карты кристаллического совершенства приповерхностного слоя и объема диэлектрических и полупроводниковых пластин и пленок (в частности - сегне-тоэлектрических монокристаллов и пленок, полупроводниковых структур на основе GaAs, CdTe, InAs и т.д.), регистрировать угловые зависимости поляриза-ции сигнала второй гармоники в различных точках образца и по их компьютерному анализу определять в локальной точке абсолютную ориентацию кристаллографических осей относительно плоскости среза образца или поверхности пленки.
На рис. 13 в качестве примера приведены карты приповерхностных кристаллических свойств (слева) и оптического качества объема (справа) монокристаллической подложки теллурида кадмия, имеющей блочную структуру. Каждый блок хорошо читается на карте поверхности (участки разной степени потемнения), ориентация его осей легко устанавливается комплексом; карта объема демонстрирует наличие значительных напряжений (темные области внутри светлого круга, соответствующего площади подложки, на правой карте) в ряде участков сочленения блоков.
Комплекс НОД зарекомендовал себя в качестве эффективного экспрессного диагностического средства как в цеховых условиях, так и в лабораторных исследованиях при создании новых материалов микро- и оптоэлектроники.
Лазерный технологический многофункциональный комплекс LSP-
2000. Разработан и создан уникальный многофункциональный лазерный технологический комплекс, не имеющий мировых аналогов по совокупности рабочих характеристик (см. рис. 14). Его отличительные особенности - в примененных конструктивных и технических решениях (в частности -использован принцип «летающего» лазера), позволивших реализовать рекордную совокупность рабочих характеристик.
Рис. 13. Карты приповерхностных кристаллических свойств (слева) и оптического качества объема (справа) монокристаллической подложки CdTe, имеющей блочную структуру
Рис. 14. Внешний вид комплекса LSP-2000 (справа) и крупным планом -головка лазерного исполнительного элемента (слева)
Комплекс позволяет производить обработку большеразмерных изделий
-з
(максимальный размер 3000x3000x600 мм ) с произвольной 3Б-формой поверхности. Реально достигнутая неопределенность позиционирования исполнительного элемента при работе в старт-стопном режиме - не более 5 мкм. Отклонение траектории движения исполнительного элемента от заданной при непрерывном движении не превышает 20 мкм. Комплекс оснащен двумя отечественными лазерами, один из которых - МЛТИ-500 -позволяет производить резку металлических изделий с толщиной стенок до 6 мм и сварку тонкостенных металлических изделий, а второй - оригинальной конструкции, благодаря высокой импульсной мощности излучения (> 3* 106 Вт) при частоте следования импульсов 300 Гц обеспечивает микропрофилирование поверхности с высокой точностью (совместная разработка с ИЛФ СО РАН). Управление комплексом производится с помощью 6-ти координатной системы ЧПУ Программное обеспечение позволяет производить ввод задания в виде чертежа, подготовленного в системе автоматического проектирования AutoCad-2000, а также -производить восстановление неизвестной заранее формы обрабатываемой поверхности с заданной точностью по реперным точкам, т.е. использовать его в качестве уникальной контрольно-измерительной машины.
Заключение
Высококвалифицированный персонал, экспериментальная база и действующее опытное производство позволяют Институту в сжатые сроки выполнять НИОКР по созданию образцов принципиально новой конкурентоспособной техники на основе оптических, лазерных и информационных технологий, осуществлять изготовление, поставку, монтаж «под ключ» и гарантийное обслуживание разработанных систем и приборов. В результате - долговременное плодотворное сотрудничество с базовыми отраслями страны и солидными зарубежными партнерами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gordon M.Brown, Kevin G. Harding, H. Philip Stahl. Industrial Application of Optical Inspection, Metrology, and Sensing. Proc. SPIE, 1821, 1992.
2. Чугуй Ю.В. Информационные, оптические и лазерные технологии в КТИ НП СО РАН: состояние и перспективы. Автометрия, 1997, № 4, C. 3-15.
3. От первой в мире АЭС - к атомной энергетике XXI века: сборник тезисов, докладов и сообщений 10-й Ежегодной Конференции Ядерного Общества России. 28 июня - 2 июля 1999. Издательство Rity «ФЭН», 1999.
4. O.I. Bityutsky, et al. Laser Measuring Machine for 3D Noncontact Inspection of Geometric Parameters of Grid Spacers for Nuclear Reactors VVER-1000. Proc. SPIE, vol. 4900, 2002, pp. 202-212.
5. Ye.V. Sysoev, I.A. Fomicheva, I.V. Golubev, Yu.D. Makashev, P.A. Orekhov, V.A. Shakhmatov, L.M. Stepnov. Interference systems for 3D surface profiling and analysis using partially coherent light. Proc. SPIE, vol. 4900, 2002, pp. 213-219.
©Ю.В. Чугуй, А.Г. Верхогляд, И.В. Голубев, В.П. Кирьянов, К.И. Кучинский, Ю.В. Обидин, С.В. Плотников, М. Ф. Ступак, Е.В. Сысоев, Л.В. Финогенов, В.П. Юношев, 2005
