Контроль геометрических характеристик элементов электрических машин методом лазерного сканирования Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 528.721.221.6

А.В. Середович, А.В. Иванов

СГГ А, Новосибирск

КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Одной из возможных областей применения трехмерного лазерного сканирования является съемка различных элементов технологического оборудования. Лазерное сканирование имеет значительное преимущество при получении данных о геометрических характеристиках объектов, по сравнению с другими методами измерений. Полученная в результате сканирования трехмерная модель объекта, позволяет определять любые геометрические характеристики объекта, а не только те, которые были измерены с использованием традиционных средств.

В качестве примера успешного применения технологии лазерного сканирования, можно привести опыт работ по трехмерной съемке медных стержней электрогенератора. Целью работы являлась проверка соответствия готовых деталей параметрам, заложенным в проекте. Стержни представляют собой вытянутые многослойные медные детали, содержащие как гнутые участки, так и участки, имеющие элемент вращения. При проектировании генератора задаются все геометрические характеристики стержней. В идеале они должны точно встать в соответствующие пазы статора и их концы должны точно совместиться. Для изготовления стержней используется специализированный пресс (формообразующий шаблон), который придает им необходимую форму. Однако на практике возникает ряд проблем. Сложно оценить, насколько параметры, заложенные в формообразующий шаблон, соответствуют проектным данным. К тому же, деталь, после изъятия из шаблона, несколько деформируется за счет присущего металлу остаточного напряжения. Также некоторые ошибки могут быть допущены при изготовлении статора. На производстве не имеется измерительных средств, позволяющих точно оценить геометрические характеристики изделий. В результате, производитель сталкивается с нестыковкой деталей уже на этапе сборки генератора.

Для проверки геометрических параметров традиционно изготавливался упрощенный макет статора, на который крепились детали. Однако этот способ не позволяет дать достаточной оценки качества изготовления стержней, так как модель также отличается от реального статора. Учитывая то, что макет имеет высокую стоимость и используется в очень коротком звене технологического цикла изготовления генератора, возникает необходимость поиска альтернативных способов геометрического контроля, оптимизации и удешевления производства. Поэтому, впервые, технологами было принято решение отказаться от изготовления макета. Для оценки точности изготовления было выполнено трехмерное сканирование стержней с целью последующего создания их трехмерной модели, для компьютерной имитации размещения их внутри статора и определения величин их взаимной нестыковки.

Для выполнения этих работ использовался наземный лазерный сканер Меші GS200 имеющий следующие технические характеристики:

- Дальность действия - до 350 м;

- Точность измерения расстояний - + 2,5 мм;

- Минимальный угловой шаг сканирования - 0,0018°.

Следует отметить, что работа носила научно-экспериментальный характер и ее основная цель состояла в ответе на вопрос о возможности применения технологии лазерного сканирования при аттестации различных деталей электрических машин.

Длина стержня составляет порядка 2,67 м. Его трехмерная модель представлена на рис. 1.

Рис. 1. Трехмерная модель нижнего стержня статора

Для получения полной модели объекта, с учетом его геометрической формы, съемка выполнялась с трех сторон. Следовательно, возник вопрос о технологии связки сканов. Технология, подразумевающая связку сканов по перекрытиям «облаков точек», в данном случае не дала бы удовлетворительных результатов, так как сканы не имели зон перекрытия или эти зоны были незначительны. Поэтому, для связки использовались специальные марки, поворачивающиеся в двух плоскостях без изменения положения центра. Средняя квадратическая ошибка определения координат марок сканером составляет, по результатам проведенных исследований около 0,7 мм. Однако при изготовлении марок были допущены некоторые механические ошибки, что не позволяет говорить об идеальном сохранении положения их центра при поворотах. Для связки сканов использовались 10 марок расставленных вокруг объекта на расстояниях от 5 до 8 м. Координаты марок, определенные в системе координат первой сканерной станции были приняты как истинные и являлись общими для всех трех сканов. В процессе перемещения прибора часть марок разворачивалась, а часть оставалась

неподвижной. При связке сканов, марки, имеющие большие отклонения (больше 2 мм) были отбракованы.

Сканирование верхнего и нижнего стержней генератора производилось с расстояния около 5 м. Оптимальным был выбран шаг съемки в 1,5 мм по вертикали и 3 мм по горизонтали. Для лазерного луча была задана жесткая фокусировка на расстояние, равное среднему значению расстояния до объекта. Так же был использован режим 10-кратных измерений для каждой точки. Такой режим позволяет значительно уменьшить шумовые составляющие измерений. Сканирование каждого из двух стержней заняло порядка 25 минут, на привязку сканерных станций (сканирование марок) было затрачено порядка 15 минут для обоих стержней. Средние ошибки положения координат марок для 2-ой и 3-ей сканерных станций относительно системы координат 1 -ой станции составили порядка 1,5 мм.

Визуальный контроль связки сканов показал, что их несовпадение незначительно, относительного общего уровня шумов в измерениях. Сравнение измерений, выполненных непосредственно по детали с помощью штангенциркуля и измерений, выполненных по точечной модели, позволяют говорить о том, что точность определения геометрических характеристик объекта по точечной модели составляет порядка 3 - 5 мм.

Дальнейшая обработка подразумевала имитацию положения стержней в пазах ротора. Точечные модели верхнего и нижнего стержней, были переданы в виде блоков в программное обеспечение (ПО) АШюСАО. В программе были заданы основные оси объектов, с помощью которых было зафиксировано их положение, аналогичное реальному положению в статоре. Вдоль основных осей стержней была задана местная система координат. В плоскостях этой системы координат были выполнены чертежи деталей с расстановкой промеров интересующих участков. Примеры чертежей приведены на рис. 2.

Рис. 2. Чертеж верхнего и нижнего стержней в двух проекциях

В данном случае применение технологии трехмерного сканирования позволило получить необходимую геометрическую информацию в гораздо более короткие сроки, чем это делалось ранее, но полученные параметры точности не полностью удовлетворяют требованиям к изготовлению стержней.

Однако сам опыт позволяет говорить о возможности внедрения в производство геометрического контроля деталей машин с помощью лазерных сканеров более высокого класса точности.

© А.В. Середович, А.В. Иванов, 2005