CC BY
45
4. Джабиев А. Н., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной / Под ред. Э. Д. Панкова. СПб.: СПбГУ ИТМО, 1998. 238 с.
5. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. М. — Л.: Машиностроение, 1966. С. 564.
6. Алеев А. М., Араканцев К. Г., Тимофеев А. Н. Исследование схемы внутрибазового оптико-электронного канала двойного изображения с матричной фотоприемной частью для контроля смещений // Сб. трудов VII Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2006", 16—20 окт. 2006 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. Т. 1. С. 43—47.
7. Араканцев К. Г., Тимофеев А. Н., Ярышев С. Н. Пути совершенствования распределенных оптико-электронных систем контроля смещений // Исследования в области оптики и физики: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. Вып. 18. С. 215—221.
8. Алеев А. М., Араканцев К. Г. Экспериментальная оценка систематических погрешностей измерения смещений внутрибазовой оптико-электронной системой контроля положения железнодорожного пути // Тр. Пятой междунар. конф. молодых ученых и специалистов „Оптика — 2007", 15—19 окт. 2007 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 230—231.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
УДК 681.786
А. Г. Анисимов, А. А. Горбачев, А. В. Краснящих, А. В. Пантюшин
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СООСНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ
Рассматривается оптико-электронная система контроля соосности элементов турбоагрегатов, реализованная на основе анализа матричного поля. Приводится методика пересчета координат для измерительных и технологических баз.
Ключевые слова: контроль положения, соосность, прямолинейность, линейное и угловое позиционирование, турбоагрегат, фоточувствительный прибор с зарядовой связью, метод авторефлексии.
Для осуществления безотказной работы современных крупногабаритных технологических агрегатов необходимо соблюдение высоких требований по линейному и угловому позиционированию составляющих. Актуальной проблемой является обеспечение точности позиционирования (до 0,06 мм и менее) опор турбоагрегатов атомных и гидроэлектростанций относительно линии вала. Общий уровень автоматизации данных агрегатов требует соответствующего уровня автоматизации и унификации систем пространственного контроля.
При решении задач пространственного контроля сочетание таких факторов, как дистан-ционность и бесконтактность, возможность полной автоматизации процесса измерений, а также высокое быстродействие при обработке информации обеспечивает перспективность использования оптико-электронных систем. В большей степени решения подобного класса задач реализованы в оптико-электронной системе контроля соосности (ОЭС КС) [1]. Однако при создании таких систем возникают вопросы их рационального построения. Настоящая статья направлена на восполнение информации о построении этих систем.
Основной задачей ОЭС КС является определение линейного смещения геометрических центров корпусных деталей цилиндров (КДЦ) турбоагрегатов относительно рабочей линии ротора или другой протяженной измерительной базы в двух взаимно перпендикулярных поперечных направлениях (с погрешностью, не превышающей 0,06 мм на расстояниях до 20 м). В процессе измерений линия ротора в пространстве определяется в передней и задней базовых расточках (ПБР, ЗБР) [2].
В ОЭС КС на фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) 1 (рис. 1, а), находящийся в приемно-передающем блоке 2, через телеобъектив 3 и светофильтр 4 посредством отражателя 8 проецируются изображения двух полупроводниковых излучающих диодов (ПИД). Для обеспечения требуемого диапазона смещений по дистанции в системе используются две пары ПИД 5 и 6, закрепленных на плоскопараллельной пластинке. Отражатель (трипель-призма) 8 закрепляется в центроискателе 9, который устанавливается последовательно при измерениях во всех КДЦ, ПБР и ЗБР. Особенность центроискателя заключается в возможности замены соответствующих стандартных микрометрических нутромеров 10: это позволяет производить измерения на различных типах турбоагрегатов разного диаметра, что является необходимым требованием по унификации системы контроля [2].
В процессе измерений определяются координаты изображений /-го ПИД, в пикселах (методом определения энергетического центра). Достоинствами используемого метода являются простота и высокая точность (погрешность составляет 0,1—0,01 размера пиксела) [3]. Высокая скорость и производительность при обработке результатов измерений достигается благодаря использованию аппаратно-программной реализации блока предварительной обработки. Для камеральных условий экспериментально установлено, что при серии из 30 измерений получается достаточно полная статистическая выборка. Статистически обработанные результаты передаются по каналу связи в компьютер, заносятся в базу данных и выводятся в удобном для оператора виде.
а)
О
Рис. 1. Схема ОЭС КС: а — принцип работы системы, б — к определению координат изображений ПИД
Координаты центра КДЦ (х, у) в плоскости анализа (см. рис. 1, а) связаны с координатами изображений на ФПЗС (х ' у) следующими выражениями:
х = х'Ы /'; у = у % / /', (1)
где Ы — расстояние между отражателем и объективом; — заднее фокусное расстояние объектива, Ы >>/'; при этом х ' = (х{+х2)/2 и у' = (у{ + у2)/2, где х' = рххх1, у/ = руу1 — координаты изображения /-го ПИД, мм; рх и ру — горизонтальный и вертикальный шаг пиксела, мм (см. рис. 1, б); хС/ и у/ — координаты изображения /-го ПИД, пиксел.
В системе используются задающие базу ПИД, вследствие чего расстояние Ы определяется автоматически:
% = Вк/' /(2Б'к ), (2)
где Вк и Вк =^(х{ - х'2)2 +(у1 - у2)2 — база к-й пары ПИД и ее изображение (см. рис. 1, б).
Удвоенное значение В 'к объясняется авторефлексионной схемой исполнения ОЭС КС. Также стоит отметить повышенную в два раза чувствительность к поперечным смещениям используемой схемы по сравнению с коллимационной.
С учетом выражений (1) и (2) получаем координаты центра КДЦ в плоскости анализа:
РхВк ( + х2 ) = РуВк (у1 + у2 )
X = -
4
\p2x (X1 -X2 )2 + PI ((l -y2 )2
y=■
фХ (X1 -X2 )2 + Ppp (( -y2 )2
'y V S 2 ) -yrxV 1 ~2) ' ry'
Для автоматизации задач позиционирования авторами настоящей статьи предложена методика согласования баз. Пересчет осуществляется между системами координат, связанными с системной базой (СБ) ОЭС КС — визирной линией оптической системы, теоретической базой (ТБ) — осью, соединяющей центры ПБР и ЗБР, и практической базой (ПБ) — рабочей линией ротора. Взаимное расположение баз в пространстве изображено на рис. 2, а.
а)
(x2CБ, у2СБ)
Плоскость ан;
С^П^ У2ПБ)
X2
(x/СБ, у/СБ)
Рис. 2. Взаимное расположение систем координат: а — расположение СБ, ТБ и ПБ в пространстве; б — пересечение СБ, ТБ и ПБ с плоскостью анализа
Суть методики заключается в пересчете результатов измерений смещений ОЭС КС между координатами точек, образованных пересечением практической и системной баз с плоскостью анализа.
Координаты точки пересечения СБ с плоскостью анализа (хгсБ, УсБ):
Х2СБ — Х1СБ У2СБ — У1СБ
х/ СБ = } } Ш — Ц)+х1СБ, у/ СБ = } } Ш — Ц)+у1СБ ,
где (х1СБ, у1СБ), (х2СБ, у2СБ) — координаты точек пересечения СБ с плоскостями ПБР и ЗБР; Ь1, Ь2, Ьг — расстояния от ОЭС КС до ПБР, ЗБР и /-й КДЦ.
Координаты точки пересечения ПБ с плоскостью анализа (х/ПБ, у/ПБ):
Х2ПБ — X пб У2ПБ — У2ПБ
х/ ПБ = } } Ш — Ц)+х1ПБ, у/ ПБ = } } Ш — Ц) + у2ПБ ,
где (х1ПБ, у1ПБ), (х2ПБ, у2ПБ) — координаты точек пересечения ПБ с плоскостями ПБР и ЗБР.
Необходимые поправки (см. рис. 2, б) получаем следующим образом:
х / п = х/ ПБ + х/ СБ > у/ п = у/ ПБ + у/ СБ .
Истинные координаты центра /-й КДЦ (Х/пб, Ущб), произвольно расположенной в пространстве относительно ПБ, определяются как
Х/ ПБ = хг д — хг п > ^г ПБ = уг д — уг п , где (х/д, у/д) — координаты центра КДЦ относительно СБ.
Применение предложенной методики позволило исключить из процесса подготовки к измерениям согласование системной базы с практической, что дало возможность существенно сократить время и трудоемкость производимых операций по сравнению с ранее используемым прибором ППС-11 [2]. Следует отметить, что применение данной методики позволяет получить результат измерений смещений ОЭС КС относительно ПБ (базы, не связанной с системой). Таким образом, снимаются жесткие ограничения на совмещение оптической оси объектива ОЭС КС с центром ФПЗС и на децентрировку ПИД, что значительно упрощает юстировку системы.
Решение задачи непосредственной оценки результатов измерений не представляется возможным, поскольку отсутствуют объективные методы контроля положения крупногабаритных элементов в пространстве с высокой точностью. Поэтому предложено оценивать результаты измерений с помощью опытного образца ОЭС КС по результатам измерений с помощью борштанги и прибора ППС-11, так как они в настоящее время являются наиболее точными и достоверными (точность приборов, согласно работе [4], составляет 0,05 мм в условиях эксперимента).
Экспериментальное подтверждение точностных характеристик ОЭС КС проводилось на специализированном стенде (рис. 3) на базе предприятия „Курсктурбоатомэнергоремонт" (г. Курчатов). Стенд оборудован кронштейном 1, ОЭС КС 2 в штативе 3, центроискателем 4 с отражателем 5, ПБР 6, КДЦ 7 и ЗБР 8, опорными роликами для борштанги 9, блоком обработки информации 10, монитором 11. Расстояние от ОЭС КС 1 до ПБР 6 составляет 1650 мм, до КДЦ 7 — 3850 мм и до ЗБР 8 — 5815 мм.
Эксперименты проводились при условии, что координаты линии ротора в плоскостях ПБР и ЗБР находились в диапазоне ±5 мм. Разность показаний по горизонтальной составляющей составила х=0,061±0,036 мм при доверительной вероятности а=0,95, по вертикальной составляющей — у=0,021±0,023 мм при а=0,95. Как видно из результатов, погрешность измерения положения КДЦ относительно оси ротора в сравнении с измерениями с использованием ППС-11 и борштанги в горизонтальной плоскости на 0,037 мм превосходит максимально допустимую погрешность, в вертикальной плоскости точность соблюдена. Последнее особо ценно, так как при центрировке турбоагрегатов наибольшее внимание уделяется
установке КДЦ в вертикальной плоскости. Полученные технические характеристики ОЭС КС
приведены ниже.
Диапазон измеряемых смещений по двум координатам
(в вертикальной и горизонтальной плоскостях), мм......................................................................................................±5
Дальность, м.........................................................................................................................От 1,2 до 20
Цена единицы младшего разряда определения
смещения, мм..................................................................................................................................................................................................................................0,001
Предел неисключенной систематической составляющей
основной погрешности, мм......................................................................................................................................................................................0,07
Предел допустимого СКО случайной составляющей
основной погрешности, мм......................................................................................................................................................................................0,02
Время подготовки системы к измерениям, мин................................................................................................................................10
Масса ОЭС КС, кг..............................................................................................................................................................................................................................6
Потребляемая мощность, Вт, не более............................................................................................................................................................20
Рис. 3. ОЭС КС на испытательном стенде
Итак, предложены авторефлексионная схема исполнения измерительного канала ОЭС КС и основные соотношения для проведения расчетов. Отличительной особенностью ОЭС КС является автоматическое определение расстояния до КДЦ, что позволило реализовать автоматически калибрующуюся систему. Использование предложенной методики согласования баз значительно сокращает время и трудоемкость проводимых измерений, обеспечивая высокоточный контроль пространственного положения объектов, что является значительным достижением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крайлюк А. Д., Краснящих А. В., Мусяков В. Л. и др. Оптико-электронная система контроля положения центра корпусных деталей турбоагрегатов относительно оптической оси // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, № 8. С. 61—63.
2. КарасевВ. И., МонэсД. С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. М.: Энергия, 1973.
3. Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. Т. 29, № 9. С. 62—69.
4. Данилевич Ф. М., Никитин В. А., Смирнова Е. П. Сборка и юстировка оптических контрольно-измерительных приборов. Справ. пособие. Л.: Машиностроение, 1976.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
