CC BY
13Оптическая система датчика отклонения от прямолинейности
00 £
Б
а
2 о
Черепанов Александр Николаевич,
к.ф.-м.н., доцент УрфУ, зам. директора Центра по работе с предприятиями Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, tchustu@mail.ru
Бочкарев Юрий Владимирович,
инженер, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, bocha@d-test.ru
Пестерев Сергей Николаевич,
директор ООО «Оптические измерительные системы», pesterev@d-test.ru
Попова Мария Александровна,
лаборант Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, mari.mashapopova@mail.ru
Тыщенко Игорь Сергеевич,
Университет Мельбурн, г. Мельбурн, Австралия, tis-public@yandex.ru
Отклонение от прямолинейности - это важный численный параметр, который необходимо рассматривать при производстве труб, выверки прокатных станов и машин непрерывного литья, в нефтегазовой промышленности для выверки взаимного расположения труб и штанг и обнаружении дефектов в процессе научного исследования. В данной статье обсуждаются различные методы, с помощью которых можно измерять отклонение от прямолинейности у различных устройств. Более того, предлагается способ фокусировки излучающей части для таких устройств. Выполнено моделирование поведения оптической составляющей излучателя при фокусировке. Расчетная часть статьи выполнялась в программном пакете Zemax на базе ООО «Оптические измерительные системы» совместно с Уральским Федеральным Университетом. В настоящее время, сенсор такого типа находится на стадии предварительной пусконаладки и финальных испытаний. Ключевые слова: оптические системы, оптоэ-лектронный датчик, контроль поверхности, обнаружение деффектов, эталон прямолинейности, psd фотосенсор, фотоэлектрический сенсор, лазер, zemax, моделирование оптических систем, фокусировка лазерного излучения, асферические линзы.
Введение
На сегодняшний день важной задачей физической науки является проведение измерений разных изделий или механизмов от эталонной оси, которая задается лазером. С уровнем техники имеющимся на данный момент - это представляется достаточно трудной технологической задачей. Необходимо обеспечивать высокую точность проводимых измерений, а также конкурентоспособную стоимость изделия.
Датчик может быть применен в следующих областях промышленности: (пищевая, фармацевтическая, химическая и т.д.) для правильной выставки станков и механизмов, в металлургии для выверки прокатных станов и машин непрерывного литья, в нефтегазовой промышленности для выверки взаимного расположения труб и штанг, в приборостроении в качестве первичного сенсора, а также для обеспечения проведения научного исследования.
В данной работе будет описан процесс создания оптической системы датчика, который в будущем станет первичным сенсором для разных устройств и систем. Результатом, который выдает этот сенсор станет мгновенное отклонение от оси системы (эталонной оси). Результат будет представлен в двух координатах.
На данный момент в России не создается оптических средств измерений. Эта практика давно утеряна, в то время как зарубежные приборы отличаются своей высокой стоимостью или недостаточной точностью для выполнения необходимых задач. В 2017 году УрФУ и ООО «Оптические измерительные системы» начали выпускать датчики данного типа, чтобы решить данную проблему. В статье приводится описание технической реализации и конструктивного решения данного типа приборов.
Техническая реализация
Обычно для измерения отклонения от прямолинейности используют эталоны прямолинейности [х]. Например, часто используется метод измерения прямолинейности с помощью струны (рисунок 1).
Средство измерений устанавливается так, чтобы регистрировать отклонение проверяемой линии относительно контролируемой линии. Обычно замеры проводятся в точках, отстоящих на равных расстояниях друг от друга или выбираются на произвольных расстояниях.
Данный метод представляется достаточно неудобным, так как проведение измерений будет возможно только на относительно коротких расстояниях. В то же время в автоматизированных системах проведение таких измерений будет невозможно, поэтому в новых системах в качестве эталона используется лазерный луч.
Например, часто используют лазерный интерферометр с призмой Уоллстона или лазерный интерферометр в режиме угловых измерений [х]. Результаты измерений определяют при помощи двухзеркального уголкового отражателя. Для регистрации изменений расположения визирной марки относительно оси симметрии уголкового отражателя используется лазерный интерферометр и специальные оптические элементы. Данный метод дает отличную точность, но обладает как минимум двумя недостатками. Первый - это больший габарит интерферометра, в результате чего это решение сложно применять в встраиваемых системах. Второй - это цена. Решения на базе интерферометра достаточно дороги для использования в массовых приборах.
На рисунке 2 изображено устройство датчика на основе лазерного интерферометра с призмой Уоллстона, где Р1 - контролируемая поверхность, 1 - лазерный излучатель, 2 - интерферометр с призмой Уоллстона, 3 - уголковый отражатель.
Датчик, который разрабатывается ООО «Оптические измерительные системы» совместно с УрФУ использует в качестве первичного сенсора фотоэлектрический датчик с большим динамическим диапазоном. На расстояниях между приемником и передатчиком до 10 метров это позволяет приблизиться к точностям интерферометра [х].
Общий принцип работ ы прибора заключается в использовании лазерного луча в качестве эталона. Он направлен на упомянутый выше фотоэлектрический датчик, который перемещается по оси лазерного луча. На записывающее устройство поступают данные о горизонтальном или вертикальном смещении центра датчика относительно
Микроскоп
-7-Г
Проверяемая плоскость
Рис. 1
луча, которые регистрируются на контроллере в каждой точке измерений.
После измерений на опорном луче две любые точки можно принять за нулевые, значения де в остальных точках пересчитывают относительно новой базовой линии.
На рисунке 3 представлена схема измерения отклонения от прямолинейности, проектируемым датчиком, где 1 -опорный лазерный излучатель, 2 - регистрирующее устройство, 3 - фотоэлектрический датчик, Р1 и Р2 - точки на контролируемой поверхности, в которых проводятся измерения.
Рис. 2
1-е положение фотоале юр ического датчика
2-е положение фотаэ лекгр ическо го датчика
Рис. 3
Рисунок 4 - Оптическая система излучателя для датчика отклонения от прямолинейности
Реализация оптической системы
Для фокусировки и управления лазерным пучком в данном устройстве авторами была спроектирована следующая оптическая система с использованием пакета Zemax. К сожалению, конкретные расстояния и выбранные линзы не могут быть приведены в рамках данной работы, так как это представляет собой коммерческую тайну, но общая концепция построения будет приведена.
Оптическая система представлена на рисунке 4.
Лазерный луч испускается лазерным диодом (laser source), выходное окно, которого задается апертурой 1 (apperture). Для грубого поворота оптического луча вдоль оси OY используется поворотная пластина 1 (window 1). После поворотной пластины располагается вторая апертура (apperture 1), необходимая для упрощения фокусировки лазерного луча на рабочем расстоянии. Основная фокусировка производится асферической линзой (aspheric lense). В данной работе используются асферические линзы фирмы Edmund Optics в связи с легкостью их приобретения и использования. Использование именно асферической линзы необходимо для устранения различных аббераций и повышения качества итоговой фокусировки [х].
Сфокусированный в рабочем диапазоне пучок подается на поворотную пластинку 2 (window 2). Ей осуществляется точный поворот сфокусированного пучка по оси OY.
Для моделирования действия выходного окна излучателя на оптическую систему используется выходная апертура (output aperture).
Общее строение оптической системы, представленной выше может быть использовано для фокусировки лазерного излучения на различных расстояниях, для чего необходимо изменять расстояния
О
ю
S
*
оо 2
между компонентами системы в зависимости от конкретной задачи [х].
Заключение
В данной статье были рассмотрены проблемы, возникающие при построении оптоэлектронных датчиков отклонения от прямолинейности для контроля геометрических параметров различной продукции на производстве, а также приведены решения некоторых из них. Представлены основные принципы построения таких датчиков.
Было разработано конструктивное решение для оптической системы датчика отклонения от прямолинейности в пакете Иетах. Данное решение может быть использовано при фокусировке лазерного излучения в различных системахв разных рабочих диапазонах.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора от 01.12.2015г № 02.G25.31.0161.
Литература
1. Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М. Машиностроение, 1987. - 264 с.
2. В.П. Коронкевич, А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, Г.А. Ленкова Лазерные интер-ферометрические и дифракционные системы // Компьютерная оптика. - 2010, том 34, №1, с. 4-23.
3. Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев Теория оптических систем. - М. :Физматлит, 1992. - 448 с.
4. Ю.М. Климков Прикладная лазерная оптика. - М. Машиностроение, 1985. - 66 с.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding // Optic & Photonic. - 2007, Vol. 2, Issue 4, p. 2-60.
Optical system of optoelectronic
deflection sensor Cherepanov A.N, Bochkarev Yu.V., Pesterev S.N., Popova M.A., Tyshchenko I.S. Ural Federal University named after the first president of Russia Boris Yeltsin, «Optical measuring systems» Ltd., University of Melbourne
Deflection from straightness is an important numerical parameter that must be considered when manufacturing pipes, reconciling rolling mills and continuous casting machines, in the
oil and gas industry to reconcile the mutual position of pipes and rods and to detect defects in the process of scientific research. This article discusses various methods by which one can measure the deviation from straightness in different devices. Moreover, a method for focusing the emitting portion for such devices is provided. The simulation of the behavior of the optical component of the emitter during focusing is performed. The calculation part of the article was carried out in the software package Zemax on the basis of LLC «Optical measuring systems» in conjunction with the Ural Federal University. Currently, this type of sensor is at the stage of preliminary commissioning and final testing. Key words: optical systems, optoelectronic sensor, surface control, detection of deffects, stainless standards, psd photosensor, photoelectric sensor, laser, zemax, optical systems design, laser focusing, aspheric lenses. Referenses
1. G.V. Kreopalova, N.L. Lazareva, D.T. Puryaev
D.T. Optical measurements. - M.: Mechanical engineering, 1987. - 264 pages.
2. V.P. Koronkevich, A.G. Poleshchuk, A.G.
Sedukhin, G.A. Lenkova Laser interferometric and diffraction systems//Computer optics. -2010, volume 34, No. 1, page 4-23.
3. N.P. Zakaznov, S.I. Kiryushin, V.I. Kuzichev Theory
of optical systems. - M.: Fizmatlit, 1992. -448 pages.
4. Yu.M. Klimkov Application-oriented laser optics.
- M.: Mechanical engineering, 1985. - 66 pages.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding //
Optic & Photonic. - 2007, Vol. 2, Issue 4, p. 2-60.
сч
09 £
6 a
2 ©
