CC BY
42
УДК 629.4.012.5:629.463:629.4.018
В. П. Клюка, И. С. Лексутов, А. А. Рауба
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ТРИАНГУЛЯЦИОННОГО ДАЛЬНОМЕРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ВАГОНА
Аннотация. В статье содержатся результаты исследования параметров лазерного триангуляционного датчика в контексте его применения для контроля технического состояния деталей вагона. Основной целью исследования является экспериментальное определение границ применимости датчика для контроля реальных образцов деталей грузового вагона новой конструкции на примере деталей тележки 18-9855. Экспериментальными методами установлены некоторые границы применимости датчика, его свойства и особенности применения для размерного контроля. Установлены предельно возможные углы наклона поверхности объекта при измерении расстояния на максимальных настройках быстродействия датчика, фактическая точка фокусировки излучателя. Проведен анализ полученных данных и показан пример их использования для определения оптимальных параметров портала при проектировании измерительной машины. Результаты работы можно использовать при проектировании автоматизированных систем и стендов размерного контроля деталей при производстве, ремонте и техническом обслуживании вагонов и другой техники, техническое состояние которой определяется размерами деталей.
Ключевые слова: лазерный триангуляционный датчик, размерный контроль, бесконтактные измерения.
Vladislav P. Kluka, Ilya S. Leksutov, Alexander А. Rauba
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
THE STUDY OF THE KEY PARAMETERS OF LASER TRIANGULATION RANGEFINDER FOR USE IN TECHNICAL CONTROL OF PARTS OF
THE RAILWAY CAR
Abstract. This article contains results of a preliminary study of the parameters of the laser triangulation sensor in the context of its application to control of a technical condition of details of the car. The main aim of the study is the experimental determination of the limits of applicability of the sensor to monitor the real sample detail of the new design freight car on the example of 18-9855 bogie parts. By the experimental methods where established the threshold limits of applicability of the given sensor, its properties and application features for dimensional control. Also where established limit angles of the distance measurement at the maximum setting of the speed sensor, the actual focal point of the transducer. The analysis of the obtained data allowed authors to make an optimal scheme of automated measurement machine ofportal type for control of the size and shape ofparts of the car. The results of the work is possible to use when designing automated systems and equipment for dimensional inspection of parts during manufacture, repair and maintenance of railroad cars and other vehicles.
Keywords: laser triangulation sensor, dimensional inspection, non-contact measurement.
Многие ответственные узлы и детали вагонов для своего надежного и безаварийного использования требуют малых допусков на размеры для обеспечения требуемых зазоров в подвижных сопряжениях. От этого во многом зависят положительные улучшения по динамическим и эксплуатационным характеристикам ходовой части вагона. В условиях реализации мероприятий по повышению веса и длины грузовых поездов, увеличения скоростей движения, реализуемых для увеличения пропускной способности дороги, обеспечение надежной эксплуатации инновационных вагонов является актуальной задачей. Перспективным способом обеспечения производства ремонта вагонов качественными комплектующими является повышение эффективности технических измерений путем использования оптических бесконтактных методов автоматизированного контроля размеров деталей с записью результатов контроля в компьютерную базу данных.
Примерами успешной реализации бесконтактных методик измерений в железнодорожной отрасли могут служить разнообразные стенды для контроля размеров колесных пар и осей, оборудование с числовым программным управлением для напрессовки колесных пар на оси с применением лазерной системы контроля положения запрессовываемых деталей, лазерные профилометры стационарного и переносимого типа для контроля профиля колесной пары, стенды для контроля пружин тележки вагона. Дальномеры подобного класса используются в современной системе диагностики вагонов: «Комплекс-2» - для бесконтактного измерения геометрических параметров колесных пар на ходу поезда, подсистема комплекса «Букса» - для обнаружения сдвига буксы и многие другие технические комплексы контроля [1 - 4].
Использование оптических датчиков связано с известными трудностями, проявляющимися в зависимости получаемых результатов от характеристик поверхности объекта измерения. Исследованию этой проблемы посвящено большое количество работ. Например, в работе [5] производится оценка влияния размеров и формы объекта измерения на точность получаемых результатов. В работе [6] делается анализ применимости сканирующей бесконтактной системы на основе триангуляционного сенсора для измерения размеров и допусков для деталей с разнообразными формами поверхностей. Оптический сенсор применяется совместно с датчиком касания на координатной измерительной машине. Такой метод сравнения и анализа показаний датчика представляется наиболее точным, однако напрямую сравнивать показания контактного датчика касания и бесконтактного датчика нельзя, так как существует принципиальное отличие в физической природе двух видов измерений и методик обработки результатов. Кроме того, координатная измерительная машина является редким и дорогим инструментом, и методика исследований, построенная на ее использовании, будет слабовос-производимой. Поэтому для построения широко применимой методики исследования требуется предусмотреть использование только необходимого оборудования - самого оптического датчика и доступных средств измерений и регистрации.
Физической основой бесконтактных измерений триангуляционными датчиками является отражение света от поверхности тела и регистрация отраженного света датчиками с зарядовой связью. Особенностью конструкции таких регистрирующих приборов является подверженность их воздействию разнообразных по природе источников помех, что влияет на применимость и точность измерений. Исследованию этой проблемы также уделяется большое внимание учеными. Результатом научной работы [7] стало повышение точности измерений триангуляционным датчиком до 40 % путем учета свойств отражающей поверхности объекта и построения согласно этим свойствам схемы самого датчика. В работе [8] проведено исследование по применению различных типов алгоритмов фильтрации при обработке полученного сигнала с ПЗС-матрицы. Однако проектирование самого датчика следует рассматривать отдельно от вопросов его применения на практике. В обычных условиях современный триангуляционный датчик приобретается как модуль с цифровым интерфейсом, в котором уже реализован алгоритм фильтрации и обработки сигнала. С этой позиции следует рассматривать датчик с применением подхода «черный ящик», который оценивает объект только по множеству входных параметров - настроек и установок датчика, входных команд управления, и выходных параметров - результатов измерений. Из исследования нужно исключить не только программное обеспечение обработки сигнала внутри датчика, но и конструкцию самого датчика. Объектом исследования разрабатываемой методики должна стать конкретная модель датчика с определенными составом комплектации, версией программного обеспечения и конфигурацией.
Одной из особенностей оптического триангуляционного датчика является его малая чувствительность к взаимному расположению измерительного прибора и контролируемого объекта. Это свойство нужно использовать для упрощения конструкции измерительных машин, создаваемых на основе таких датчиков. Поэтому важно установить пределы примене-
ния определенного типа датчика для реализации контроля деталей с конкретными оптическими характеристиками в определенных условиях.
Задачей проводимого исследования, таким образом, является экспериментальное установление ключевых характеристик лазерного триангуляционного датчика для размерного контроля основного перечня деталей, используемых при текущем ремонте грузовых вагонов актуальной конструкции. Для установления этих параметров требуется разработать и опробовать достаточно простую и доступную методику измерения и обработки полученных данных.
Рассмотрим определение свойств датчика с использованием конкретного образца детали, применяемой при ремонте вагона. Все большее распространение на сети дорог получают вагоны инновационной конструкции на тележках модели 18-9855. Детали этой тележки имеют достаточно небольшие допуски по размерам и зазоры между движущимися деталями. Так как предлагаемый к использованию метод автоматизированного измерения основан на отражении луча от поверхности детали, важно подобрать в первую очередь наиболее трудные для оптического датчика поверхности и вместе с тем наиболее типичные по своим характеристикам для этих деталей. Рассмотрим достаточно важную деталь тележки - пружину скользуна постоянного контакта (рисунок 1, а). При установке на вагон данной детали важно убедиться в ее исправности, так как ее непосредственный контроль при техническом осмотре затруднен. Колпак скользуна закрывает эту деталь, а при эксплуатации с неисправными пружинами сам колпак приходит в негодность.
Цилиндрическая пружина изготавливается из стали марки 60С2ХФА и имеет гладкую поверхность. После окраски черной краской фактура детали - глянцевая с волнами шагрени. Такая поверхность считается сложной для работы с оптическими датчиками, так как темные шероховатые поверхности слабо отражают падающий на них свет. Другую деталь (колпак скользуна) изготавливают из износостойкого чугуна марки ВЧ-120 или марки 175/125/4 [9], в отличие от пружины деталь не окрашивают. Верхняя, нижняя поверхности и выступ торцевой поверхности механически обработаны после термообработки и имеют гладкую блестящую металлическую поверхность с видимыми следами от фрезы (позиции 2 - 3 на рисунке 1, б). Необработанные поверхности имеют типичную фактуру для деталей, полученных литьем. Часто эти поверхности покрыты слоем окалины. На обработанной поверхности встречаются пятна ржавчины.
Рисунок 1 - Характерные поверхности деталей тележки для исследования (без соблюдения масштаба): а - внешняя пружина скользуна; б - колпак скользуна
Методика проведения измерений при помощи оптического датчика и программное обеспечение были рассмотрены в работе [10], где было показано, что характеристики исследуемого датчика LS5-HF-200/400 позволяют получать такие результаты измерения, которые аналогичны проводимым измерениям по регламентированным методикам при использова-
38 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(34) ОСИ я
■ I = 20 1О
нии мерительного инструмента [11]. Однако этих сведений недостаточно, например, для начала проектирования стенда, реализующего бесконтактный метод измерений конкретной детали, поэтому исследования датчика были продолжены.
Одной из ключевых характеристик оптического датчика можно считать величину предельного угла по отношению к нормали поверхности, под которым возможно проводить измерения. Этот параметр влияет на расположение регистрирующих приборов относительно детали, кинематику относительного движения датчика относительно поверхности детали, а также точность и достоверность получаемых результатов. Для определения этой характеристики датчиков как основной были проведены экспериментальные исследования.
На рисунке 2 показана схема лабораторной установки для исследования. Работа с установкой производится в следующем порядке. Дальномер устанавливается на расстоянии, соответствующем дальней границе диапазона. В случае с исследуемым датчиком - максимальное расстояние составляет 600 мм. В ходе исследования датчик перемещается на величину х к объекту в пределах своего диапазона (400 мм). При фиксированной величине дальности измерялся угол падения лазерного луча а на исследуемую поверхность. На такой установке были исследованы показания датчика для трех наиболее характерных для деталей тележки 18-9855 поверхностей (по своим оптическим свойствам), приведенные на рисунке 1 (позиции 1, 3 и 4).
600
\ а /А и . 1 . 1 . 200
чУ Г 1 ^
Рисунок 2 - Схема установки для исследования зависимости чувствительности датчика от угла падения лазерного луча (вид сверху): 1 - оптический датчик; 2 - объект исследования (колпак скользуна);
3 - поворотный столик
На рисунке 3 приведены экспериментальные данные и аппроксимирующая кривая, являющаяся полиномом шестой степени, показывающие зависимость пороговой чувствительности датчика от угла падения лазерного луча на горизонтальную поверхность пружины (позиция 1 на рисунке 1, а). В ходе эксперимента при фиксированном расстоянии от датчика до объекта варьировался угол взаимного расположения вертикальной поверхности пружины и продольной оси датчика. При варьировании угла отмечался момент устойчивого приема отраженного сигнала, при котором в потоке данных, поступающих по линии связи, нет пропусков, говорящих о внутренней ошибке датчика в ходе реализации цикла измерения.
Уравнение аппроксимирующей кривой зависимости предельного значения угла а от расстояния до объекта контроля х является полиномом шестой степени и имеет вид:
а = 7-1013хб -2-10~9х5 + 2-10бх4 -8-10~4х3 + 0,2238х2 -30,929х + 1711. (1)
Вид кривой, на которой видны два максимума, говорит о достаточно сложном процессе взаимодействия источника и приемника излучения с поверхностью детали. Интерпретируем полученные данные исходя из того, что внутреннее устройство датчика недоступно для анализа. Как уже было сказано, горизонтальная поверхность пружины окрашена и имеет волны, размер которых больше либо равен диаметру светового пятна излучателя. Как видно из графика на рисунке 3, минимум зарегистрированной чувствительности выпадает на среднюю часть диапазона измерения датчика. Можно предположить, что это связано с особенностями
светодиодного источника излучения, применяемого в таких приборах. Размер светового пятна, проецируемого источником, заметно изменяется в пределах интересующего нас диапазона измерения и зависит от настройки и конструкции прибора. Известно о проводимых исследованиях подобных зависимостей в контексте получения оптимальных характеристик проектируемого датчика [5]. Исходя из сказанного можно сделать предположение о связи полученной кривой, характеризующей чувствительность имеющегося датчика, с настройками его источника излучения.
20
град 16 14 12 10 8 6 4 2 0
а
Г 1
\
\
\
( >
Я2 = 0,9 598
200 250 300 350 400 450 500
мм
600
X
Рисунок 3 - Зависимость порога чувствительности датчика от угла падения луча к нормали поверхности
Диаметр светового пятна лазерного датчика на определенном расстоянии зависит от фокусировки коллимирующей линзы светодиодного источника излучения. Для подтверждения предполагаемой связи размеров пятна и кривой чувствительности необходимо определить реальные параметры фокусировки лазерного пучка. По имеющимся данным размер пятна для используемого датчика составляет примерно 1 мм для всего диапазона. Непосредственно измерить размеры такого пятна и их изменение в рабочем диапазоне, по мнению авторов, не представляется возможным без привлечения специального оборудования. Поэтому для косвенной оценки следует воспользоваться расчетной методикой, основанной на базовых физических принципах геометрической оптики. Результаты оценки показаны на рисунке 4, а сама методика будет описана ниже.
Продолжим интерпретацию полученных данных. Как уже было показано, локальный минимум полученной кривой чувствительности датчика находится примерно в предполагаемой точке фокуса лазерного пучка. Спад чувствительности датчика наблюдается ближе к границам диапазона, что объясняется дефектами неподвижного объектива камеры датчика (виньетирование), когда отраженный сигнал попадает на границы поля зрения объектива. Эффект падения интенсивности излучения по границам поля зрения камеры накладывается на снижение интенсивности излучения в зависимости от расстояния до объекта, что хорошо заметно по убывающей характеристике экспериментальной кривой. Для проверки предположения о связи локального минимума графика предельного угла от положения точки расположения фокуса оптики излучателя датчика была проведена еще одна серия опытов и получены данные, которые будут приведены ниже. Следует заметить, что данные получены в основном вне границ рабочего диапазона датчика, так как с использованием имеющихся средств измерения можно произвести только на большом удалении от источника излучения, а затем экстраполировать эти результаты в область, недоступную для непосредственных измерений.
Экспериментальные данные для определения фактической точки фокуса излучателя датчика показаны на рисунке 4. В ходе эксперимента измерялся диаметр светового пятна излучателя в зависимости от расстояния отдельно по горизонтальной и вертикальной осям, так как пятно имело форму эллипса. Измерения производились путем пошагового перемещения мишени-экрана от датчика фазовым лазерным дальномером с погрешностью прибора ±1,5 мм, диаметр пятна излучателя измерялся линейкой с ценой деления 1 мм. По результатам измерений построена аппроксимирующая линия по вертикальному и горизонтальному направлениям измерений.
120 мм 100 90
" 80 70 60 50
В 40
Вр
30 20 10 0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 м 10
х -►
Рисунок 4 - Зависимость диаметра светового пятна излучателя датчика Бр (мм) от расстояния до объекта х (м)
Поиск точки пересечения аппроксимирующей линии с горизонтальной линией, соответствующей нулевому диаметру светового пучка, дает следующие результаты. Теоретический фокус пучка по горизонтали находится в 335 мм от датчика, этот же параметр по вертикали равен 376 мм. Среднее расстояние по двум измерениям до точки фокуса получается 356 мм. Таким образом, по экспериментальным данным теоретическая точка фокуса ненамного сдвинута к ближней границе диапазона измерения датчика. Этот факт нужно учитывать при расположении такого датчика относительно измеряемых поверхностей, так как надежность и точность измерений больше в области фокуса луча. Если при помощи такого датчика производится сканирование какой-либо поверхности с фактурой, то разрешение в области фокуса повышается, так как световое пятно может высветить более мелкие детали, не затрагивая близлежащие области.
Проанализируем полученный график предельного угла (см. рисунок 3) и соотнесем положение локального минимума с результатами определения положения точки фокуса. Когда сфокусированный луч падает на волнистую поверхность с малыми коэффициентом отражения и диффузией, определяющим становится условие - на какую из двух - восходящую или ниспадающую сторону выпуклости - упал луч либо же на горизонтальный участок поверхности между соседними волнами на поверхности, так как при одном и том же угле падения на деталь одна часть поверхности отражает в направлении приемника больше света, а другая, наоборот, меньше, вследствие чего прием сигнала становится неустойчивым. Если же луч имеет больший продольный размер, то в его поле попадает несколько впадин (выпуклостей) поверхности и сигнал становится более устойчивым (рисунок 5) благодаря получению при-
К- = 0,9 978 Г <
■ С
■ >
о о = 0 998 8
° я-
-' ?
/1
■ о
5 °
■ 8
■ ■
емником зеркальной части отраженного света. Так как задача эксперимента состоит в поиске условий для максимального раскрытия потенциала датчика, фиксация предельного угла происходила только при условии отсутствия пропусков в цикле измерений.
Приведем теперь результаты экспериментов для других типов поверхности детали. В качестве образца для следующей серии измерений служил колпак скользуна, у которого имеются как достаточно гладкие, блестящие, механически обработанные поверхности, так и шероховатые, серые поверхности, получающиеся после литья и термообработки. На рисунке 6 показан график зависимости предельного угла от расстояния для одной из механически обработанных поверхностей скользуна (позиция 3 на рисунке 1, б).
а б
Рисунок 5 - Варианты условий падения лазерного луча оптического датчика на волнистую поверхность детали (И - источник, П - приемник излучения): а - луч сфокусирован в точке падения;
б - луч расфокусирован
30
град
20
15
а 10
200
1 N.
I---1 4 » >
Я2 = ),9817
250
300
350 X
400
450 —►
500
мм
600
Рисунок 6 - Зависимость порога чувствительности датчика от угла падения луча к нормали поверхности 3
В случае обработанной поверхности скользуна уравнение аппроксимирующей кривой зависимости предельного значения угла а от расстояния до объекта контроля х является полиномом шестой степени и имеет вид:
а = 2 • 1013 хб - 5 • 10-10 х5 + 4 • 10-7 х4 - 2 • 10-4 х3 + 0,0289х2 -1,9273х +1,3475. (2)
5
0
Экспериментальный график по своему характеру практически полностью повторяет результаты, полученные для темной глянцевой поверхности, но имеет и свои особенности. Предельный угол становится в среднем больше по величине, минимумы и максимумы менее выражены. Локальный минимум предельного угла в точке фокуса сглажен. Этот факт объясняется тем, что отражательная способность блестящей поверхности выше, а величина среднего шага неровностей и местных выступов профиля шероховатой поверхности здесь меньше, чем на окрашенной поверхности пружины. Предельный угол, при том что поверхность имеет яркий металлический блеск, ненамного больше. Это объясняется тем, что относительно подавляющей зеркальной составляющей, характерной для такой поверхности индикатрисы, диффузная составляющая мала. Так как коэффициент отражения у такой поверхности велик относительно черной составляющей, то это компенсирует дисбаланс зеркальной и диффузной составляющих и незначительно повышает чувствительность датчика относительно угла падения луча.
Следующей характерной поверхностью для исследования стала боковая необработанная поверхность колпака скользуна (позиция 4 на рисунке 1, б). На рисунке 7 приведены экспериментальные данные и аппроксимирующая их кривая.
70
- 60 Я2=°,9963 N.
50 •
40
30
а
20 10 0
200 250 300 350 400 450 500 мм 600
х -►
Рисунок 7 - Зависимость порога чувствительности датчика от угла падения луча к нормали поверхности 4
Для аппроксимации полученных данных достаточно полинома третьей степени:
а = -10б х3 + 8 -104 х2 - 8,47-102 х + 73,119. (3)
Полученные в ходе последнего исследования данные для необработанной поверхности качественно отличаются от двух предыдущих. Величина предельного угла варьируется от 5° до 88,5 градуса от нормали. Эти результаты объясняются различиями в фактуре поверхности, которая имеет высокие показатели шероховатости. Главными причинами получения таких результатов служат высота и острота выступов неровностей, их случайный характер распределения. Все это приводит к относительно небольшой зеркальной составляющей индикатрисы отражения и высокой диффузной. Как известно, идеальное диффузное отражение излучения от поверхности по интенсивности одинаково во всех направлениях относительно угла падения луча. Поэтому фактически оказалось, что для регистрирующего датчика достаточно излучения даже в случае почти параллельного направления луча источника света на поверхность. Убывающий характер кривой со сглаженным максимумом в средней части, как и в других экспериментах, предположительно показывает наложение дефекта виньетирования
1--1 ------
Я2 = 0, 9963
оптики регистратора и падение интенсивности потока излучения с увеличением расстояния от источника.
Но имеют ли измерения под такими большими углами какой-либо практический смысл? На рисунке 8 показан вид светового пятна лазерного излучателя на необработанной поверхности скользуна для углов 81 и 88 градусов. В первом случае в вертикальном направлении размеры пятна характерны для дальнего края диапазона, но в горизонтальном направлении наблюдается сильное размытие. Для второго случая, где угол падения максимально близок к 90о, пятно дробится на несколько источников отраженного излучения разной интенсивности. При этом, хотя и нет однозначной точки падения луча, датчик продолжает измерения и бесперебойную выдачу результатов по линии связи. Этот пример показывает характерные особенности и коренные отличия бесконтактных оптических методов размерного контроля от традиционных контактных методик с использованием мерительного инструмента.
Рисунок 8 - Световое пятно излучателя датчика для углов падения к нормали 81° (а) и 88° (б)
Для подчеркивания практической значимости темы исследования рассмотрим стратегию проектирования бесконтактной измерительной машины с использованием полученных результатов и преимуществ автоматизации этого процесса. Одной из особенностей и преимуществом оптического датчика является возможность получения «облака» точек, по которому можно, например, восстановить форму поверхности детали, а для целей измерения геометрии - оценить форму и отклонения от регламентированных параметров. Получение массива точек достигается сканированием определенного объема или области пространства, где находится деталь. Известны несколько вариантов реализации сканирующего движения, заключающихся в сочетании периодических изменений координат сканирующего луча. В зависимости от решаемых задач при измерениях нужно выбрать наиболее оптимальный способ, сочетающий в себе простоту конструкции сканирующего устройства и минимальную длину следа, оставляемого лазерной меткой на поверхности детали, которая определяет производительность цикла сканирования.
Рассмотрим применение полученных в ходе исследования результатов на примере определения в ходе проектирования оптимальных параметров портальной измерительной машины, которая предназначена для контроля колпака и пружин скользуна. Согласно руководящим документам в выбранных деталях контролю подлежат высота пружин в свободном состоянии (высота наружной пружины 98 3,5-1, высота внутренней пружины 1103,5-1 мм), глубина четырех индикаторных канавок на колпаке скользуна, показанных на позиции 5 рисунка 1 (3 0,5-0 5 мм). Измерения производятся штангенглубиномером, шкала которого имеет цену деления 0,1 мм. Все измерения делаются на верхней поверхности рассматриваемых деталей. С учетом этого становится возможным реализовать кинематическую схему сканирующей головки, имеющую только две степени свободы. Так как колпак скользуна вытянут вдоль своей продольной оси, одно из движений сканирующей головки следует выбрать поступательным вдоль оси во избежание больших значений углов относительно нормали к измеряемой поверхности. Поперечные размеры как сользуна, так и пружин невелики, поэтому можно ограничиться более простой в реализации схемой вращательного отклонения сканирующей головки на небольшой угол. Предложенная схема измерительной установки позволяет еще
больше упростить кинематическую схему применением другого, более дорогого лазерного датчика, в котором вращательное сканирующее движение заменено электронным сканированием. Такие приборы называют лазерными 2Б-сканерами. Описание их применения выходит за рамки данной статьи.
Таким образом, исходя из требований руководящих документов и методики измерений для реализации автоматизированной измерительной машины можно воспользоваться простейшей схемой сканирующего устройства. Это устройство состоит из качающейся измерительной головки, которая перемещается вдоль своей оси поворота, сканируя расстояния до верхней поверхности деталей. Датчик захватывает дополнительно к поверхности детали поверхность предметного стола (рисунок 9) с целью получения базового расстояния для расчета размеров детали. Полученной при этом информации достаточно для оценки технического состояния объектов контроля и автоматической калибровки прибора при каждом акте сканирования, так как вместе с размерами деталей оценивается и положение датчика относительно предметного стола, на котором располагают деталь.
Рисунок 9 - Схема установки для бесконтактных измерений деталей скользуна: 1 - лазерный датчик (в начальном и конечном положении сканирующего движения); 2 - измеряемая деталь (колпак скользуна); 3 - крайние положения (раствор) качания сканирующего луча; 4 - поверхность предметного стола;
5 - границы портала машины (с размерами)
Согласно проведенным исследованиям предельный угол падения луча лазера для поверхности колпака скользуна составляет 28°, это определяет размеры внутреннего простран-
ства портала измерительной машины и параметры диапазона используемого датчика и объекта измерения. Для обеспечения наивысшей точности измерений сканируемые поверхности объекта располагают в области середины диапазона датчика.
Вместо предложенного поступательного движения датчика при реализации конструкции машины можно использовать движение предметного стола. Такой вариант увеличивает габариты машины за счет выдвигающегося за пределы портала стола и, кроме того. увеличивает нагрузку на опоры стола. При этом загрузка детали в машину становится более удобной. Выбор конкретного варианта реализации машины определяется конструктором. В приведенном примере предполагается проводить измерения одной детали за цикл. Если же кратно увеличить длину портала, то станет возможным измерение нескольких деталей за один цикл.
Проверим выполнение условия максимальной производительности измерений с использованием результатов, полученных ранее. На рисунке 1° показаны несколько точек (расположенных с угловым шагом Ь = 1°), расстояние Ь до которых машина вычисляет в ходе цикла измерений при определении положения поверхностей индикаторов износа колпака скользу-на. На рисунке показаны результаты проверки для одной половины симметричной детали (для оценки достаточно представленных 14 точек).
зо
25
▲
20
15 10
b
5 О
200 250 300 350 400 450 500 550 600
L -►
Рисунок 10 - Проверка выполнения условия максимальной производительности измерений: 1 - точки на базовой поверхности предметного стола машины; 2 - точки на поверхности индикатора износа; 3 - точки на рабочей поверхности скользуна
Согласно рисунку 10 все точки, полученные графическим способом на схеме портала, расположены в области максимальной точности и скорости измерений. Аналогично произведенным расчетам проводится оценка параметров измерительной машины для других деталей с использованием представленных экспериментальных данных. В зависимости от приоритетов при проектировании машины можно пожертвовать точностью для повышения производительности. Так, например, можно сдвинуть положение ожидаемого облака точек в сторону ближней границы диапазона, где возможно сканирование поверхности под большими углами. При проектировании машины большое значение имеют и оптические свойства поверхности предметного стола. В рассмотренном примере для стола приняты свойства, аналогичные поверхности детали. Аналогичные оценки параметров портала для целей измерения высоты пружин тоже дают приемлемые результаты без изменения положения базовой поверхности.
В рассмотренном примере при определении размеров портала учитывалась возможность измерений других деталей с использованием всего измерительного диапазона датчика, для чего предполагается настраивать высоту предметного стола в границах всей высоты портала. Еще одной важной особенностью предложенной схемы машины является
избыточность получаемой информации. Облако координат точек поверхности скользуна затрагивает области, которые не подлежат измерениям согласно действующей документации. В случае изменения этих норм машина может быть перенастроена под новые требования путем изменения программного обеспечения, без модернизации механической части. Кроме этого машина предлагаемой конструкции может быть использована для сбора информации о результатах эксплуатации деталей и анализа причин расходования их ресурса, при этом полезно анализировать изменение формы всей верхней поверхности скользуна, подверженной износу.
Таким образом, в ходе проделанной работы были исследованы свойства лазерного дальномера, не нашедшие отражения в списке его технических характеристик. Показано, что для использования одной из полезнейших особенностей датчика, возможности проведения измерений без соблюдения условий точного относительного позиционирования осей датчика относительно исследуемой поверхности образца, нужно знать численные характеристики предела наклона луча лазера относительно исследуемой поверхности. На основе выявленных предпосылок был определен один из ключевых параметров датчиков рассматриваемого класса, который позволит использовать его при проектировании автоматизированных систем размерного контроля деталей машин. Для исследования этого параметра разработана методика, позволяющая определить его как количественную и качественную характеристику для конкретной модели датчика. Выявлено, что оптический датчик сохраняет работоспособность в широком диапазоне углов падения зондирующего луча. Было установлено, что в области наибольшей точности измерений датчика (цент -ральная часть его диапазона) в значительной мере сказывается снижение интенсивности отраженного излучения, регистрируемого в точке расположения приемника, что обусловлено природой поверхности объекта, используемого для измерений. Так как считывание сигнала в определенных условиях делается неустойчивым, снижаются скорость и точность измерений, достоверность результата вычислений размеров контролируемой детали. Несомненно, бесконтактный способ измерения имеет ряд преимуществ, но при проектировании специализированных измерительных машин и систем контроля следует учитывать выявленные особенности лазерных датчиков. В ходе исследования была разработана и опробована методика для оценки параметров фокусировки оптических триангуляционных датчиков, позволяющая установить особенности конкретных моделей и экземп -ляров. С использованием полученных с помощью разработанных методик результатов были определены параметры портала измерительной машины и оптимальный способ реализации сканирующего действия.
Список литературы
1. Комиссаров, А. В. Автоматизированный диагностический комплекс для измерения геометрических параметров колесных пар [Текст] / А. В. Комиссаров, К. В. Григорьев // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2011. - № 3. - С. 14, 15.
2. Лазерные триангуляционные датчики положения в промышленных системах контроля и диагностики [Текст] / А. Н. Байбаков, В. И. Ладыгин и др. // Автометрия. - 2004. - № 2. -С.105 - 113.
3. Лазерный диагностический комплекс для контроля колесных пар вагонов на ходу поезда [Текст] / С. В. Плотников, А. Н. Байбаков и др. // Гео-Сибирь. - Новосибирск. - 2005. -Т. 6. - С. 64 - 70.
4. Современное состояние и перспективы развития измерительно-диагностических систем на железнодорожном транспорте [Текст] / А. З. Венедиктов, О. В. Пальчик и др. // Наука и техника транспорта. - 2005. - № 4. - С. 18 - 27.
5. Вертопрахов, В. В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений [Текст] / В. В. Вертопрахов // Автометрия. - 1995. -№ 6. - С. 64.
6. Martinez, S. Analysis of laser scanning and strategies for dimensional and geometrical control / S. Martinez, E. Cuesta, J. et al. Barreiro. The international journal of advanced manufacturing technology, 2010. - № 46. - p. 621 - 629.
7. Венедиктов, А. З. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей [Текст]: Автореферат дис... канд. техн. наук: 05.11.16 / Анатолий Захарович Венедиктов. - Рязань, 2006. - 16 с.
8. Kai, L. Research on Image processing in laser triangulation system / L. Kai, W. et al. Qi-anqian. Journal of Physics: Conference Series. - № 1. - P. 1 - 7.
9. Руководящий документ РД 32 ЦВ 117-2011 «Тележка для грузовых вагонов колеи 1520 мм с осевой нагрузкой 245 КН (25 ТС) модели 18-9855. Руководство по плановым видам ремонта» [Текст] / ПКБ ЦВ ОАО «РЖД». - М., 2011. - 84 с.
10. Лексутов, И. С. Изучение возможности использования триангуляционных оптических датчиков для входного контроля размеров запасных частей при текущем ремонте вагонов / И. С. Лексутов, Ю. А. Гольнева, О. А. Евдокимова // Материалы III междунар. науч.-практ. конф. «Научно-технические аспекты комплексного развития железнодорожного транспорта» / Донецкий национальный университет. - Донецк, 2017. - С. 43 - 47.
11. Руководящий документ РД 32 ЦВ 119-2011 «Методика выполнения измерений параметров узлов и деталей при проведении ремонта тележек модели 18-9855» [Текст] / ПКБ ЦВ ОАО «РЖД». - М., 2011. - 17 с.
References
1. Komissarov A. V., Grigoriev K. V. Automated diagnostic complex for measuring geometrical parameters of wheel sets [Avtomatizirovannyy diagnosticheskiy kompleks dlya izmereniya geometricheskikh parametrov kolesnykh par]. Wagons and wagon facilities, 2011, no. 3, pp. 14 - 15.
2. Baibakov A. N., Baibakov A. N., Ladygin V.I., et al. Laser triangulation position sensors in industrial control and diagnostic systems [Lazernyye triangulyatsionnyye datchiki polozheni-ya v promyshlennykh sistemakh kontrolya i diagnostiki]. Avtometriya, 2004, v. 40, no. 2, pp. 105 - 113.
3. Plotnikov S. V., Baibakov A. N. and others. Laser diagnostic complex for monitoring wheel-set pairs of cars on the move of the train [Lazernyy diagnosticheskiy kompleks dlya kontrolya kolesnykh par vagonov na khodu poyezda]. Geo-Siberia, 2005, v. 6, pp. 64 - 70.
4. Venediktov A. Z., Palchik O. V., et al. Current state and prospects for the development of measuring and diagnostic systems in railway transport [Sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya izmeritelno-diagnosticheskikh sistem na zheleznodorozhnom transporte]. Science and technology of transport, 2005. no 4, pp. 18 - 27.
5. Vertoprahov V. V. Influence of the shape of an object and the orientation of its surface on the accuracy of laser triangulation measurements [Vliyaniye formy obyekta i oriyentatsii ego pov-erkhnosti na tochnost lazernykh triangulyatsionnykh izmereniy]. Avtometriya, 1995, no 6, p. 64.
6. Martinez, S., Cuesta, E., Barreiro, J. et al. Analysis of laser scanning and strategies for dimensional and geometrical control Int J Adv Manuf Technol (2010) 46:621-629 DOI 10.1007/s00170-009-2106-8.
7. Venediktov A. Z. Metodika proyektirovaniya triangulyatsionnykh izmeritelnykh sistem dlya promyshlennogo kontrolya i defektatsii iznoshennykh detaley (Methodology of designing triangulation measuring systems for industrial control and defect of worn parts). Doctor's thesis, Ryazan, 2006, 120 p.
8. Kai Liu et al 2011 Research on Image processing in laser triangulation system J. Phys.: Conf. Ser. 276 012025 DOI 10.1088/1742-6596/276/1/012025.
9. Telezhka dlya gruzovykh vagonov kolei 1520 mm s osevoy nagruzkoy 245 KN (25 TS) modeli 18-9855 Rukovodstvo po planovym vidam remonta (Guidance document RD 32 CV 117-2011
«Railroad bogey for freight wagons of 1520 mm with axle load of 245 KN (25 t) model 18-9855 Guide to planned repairs»). Moscow, PCBCV, 2011, 84 p.
10. Leksutov I. S., Golneva U. A., Evdokimova O. A. Study of the possibility for using optical triangulation sensors in input control of sizes of spares in current repair of wagons [Izucheniye vozmozhnosti ispolzovaniya triangulyatsionnykh opticheskikh datchikov dlya vkhodnogo kontrolya razmerov zapasnykh chastey pri tekushchem remonte vagonov]. Tezisy dokladov Mezhdunarodnoi konferentsii «Nauchno-tekhnicheskiye aspekty kompleksnogo razvitiya zheleznodorozhnogo transporta» (Abstracts of the Int. conference «Scientific and technical aspects of railway transport development»). Donetsk, 2017, pp. 43 - 47.
11. Metodika vypolneniya izmereniy parametrov uzlov i detaley pri provedenii remonta tele-zhek modeli 18-9855 (Guidance document «Technique for measuring the parameters of assemblies and parts when repairing trolleys of model 18-9855»). Moscow, PCBCV, 2011, 17 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Клюка Владислав Петрович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 37-06-72.
E-mail: vklyuka@mail.ru
Лексутов Илья Сергеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 37-06-72.
E-mail: Leksutov@mail.ru
Рауба Александр Александрович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.
E-mail: aleksandr_rauba@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kluka Vladislav Petrovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Railway cars», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-06-72. E-mail: vklyuka@mail.ru
Leksutov Ilya Sergeevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Railway cars», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-06-72. E-mail: Leksutov@mail.ru
Rauba Alexander Alexandrovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Dr. Tech. Sci., professor of the department «Technology of transport engineering and repair rolling stock», OSTU.
E-mail: aleksandr_rauba@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Клюка, В. П. Исследование ключевых параметров лазерного триангуляционного дальномера для использования в целях технического контроля деталей вагона [Текст] / В. П. Клюка, И. С. Лексутов, А. А. Рауба // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. - № 2 (34). - С. 36 - 49.
Kluka V. P., Leksutov I. S. Rauba A. A.The study of the key parameters of laser triangulation rangefinder for use in technical control of parts of the railway car. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 2, no 34, pp. 39 -49 (In Russian).
