Реализация лазерно-акустического метода и автоматической быстродействующей станции

Анализ состава контролируемых геометрических пирометров при постройке кораблей и судов показывает, что в наибольшем объеме контролируются такие параметры, как размеры и форма корпусных конструкций и механического оборудования, расположение их относительно баз, монтажные зазоры, шероховатость поверхности, толщины листов и их покрытий, соосность деталей, узлов и механизмов, размеры и формы трубопроводов и др. 
Трудоемкость размерного контроля достигает до 5% трудоемкости постройки судно. 
И сегодня в отечественном судостроении используются, кок правило, методы, базирующиеся на механических и оптических принципах, не позволяющие автоматизировать управление технологическими процессами. 
Точность измерения геометрических параметров при используемых средствах и измерительной оснастки во многих случаях зависит от квалификации и опыта работников. 
Возникла актуальная необходимость создания новой измерительной системы размерного контроля на базе развивающихся в последнее десятилетие в мировой промышленности оптико-электронных и акустических методов измерения геометрических параметров и микропроцессорных цифровых регистрирующих устройств. 
Для решения указанной задачи во ФГУП ЦНИИТС были выполнены работы, в ходе которых проведены экспериментальные исследования нового прогрессивного метода и аппаратуры для измерения геометрических параметров судовых изделий и конструкций, который не имеет аналогов в отечественной промышленности и за рубежом в виде законченных разработок аппаратуры технологического контроля. 
Упомянутый метод связан с использованием для контроля размеров и формы судовых деталей и конструкций бесконтактной быстродействующей лазерно-акустической измерительной станции (ЛАИС), которая позволит при проведении некоторых измерений заменить ручной механический инструмент, оптические приборы, оснастку (шаблоны], а также весьма дорогостоящую импортную оптико-электронную аппаратуру — тахеометры различных типов. 
В основу функционирования лазерно-акустической измерительной станции ЛАИС положен оптико-акустический способ возбуждения сферической акустической волны. 
Суть метода состоит в следующем. На объект, координаты или геометрическую форму которого требуется определить, направляется импульсное лазерное излучение с параметрами, необходимыми для возбуждения акустической волны в воздухе. При воздействии импульсного лазерного излучения на поглощающую поверхность твердого тела, в газе, граничащем с поверхностью, возникает акустический импульс. Этот эффект связан с повышением температуры поверхности и последующим нагревом приповерхностного слоя газа за счет теплопроводности на границе. Газ, нагреваясь, расширяется и создает звуковую волну — импульсный источник звука, положение которого определяется точкой пересечения лазерного луча с поверхностью. Координаты такого источника вычисляются с помощью известных в акустике методов, например, по времени задержки между моментом прихода лазерного излучения на поверхность и моментами регистрации акустических импульсов в воздухе микрофонами, расположенными на известном расстоянии друг от друга (звуковая пеленгация). 
Такой метод обладает преимуществами оптической локации перед звуколокацией, в частности, более высоким пространственным разрешением, так как лазерный пучок можно сфокусировать в пятно весьма малого размера. В то же время, ввиду небольшой скорости распространения ультразвука, по сравнению со световой, при обработке сигналов, поступающих от объекта, отпадает необходимость в сверхвысокочастотной сложной аппаратуре, которая требуется в случае обычной оптической локации. Этот метод называется оптико-акустической локацией. 


[SIZE="7"]Состав л азерно-акустической измерительной станции ЛАИС 
1 — измеряемый объект — участок шпангоута; 2 — лазер, 3 — фокусирующая линза, 4 — поворотное устройства; 5 — геодезический штатив-тренога; и — блок пита ним лазера; 7— корпус антенны; 8 — микрофоны, 9 — фотодатчик; 10 — электронный блок, 11 — предварительный усилитель; 12 — ПЭВМ Notebook[/SIZE] 


Состав лазерно-акустической измерительной станции ЛАИС представлен на рис. 1. 
Для реализации измерительной станции ЛАИС была выбрана структурная схема по варианту неповоротной многомикрофонной антенны, которая включает в себя следующие основные блоки: переносной моноимпульсный лазер с целеуказателем, треугольную многомикрофонную антенну, электронный блок обработки информации, ПЭВМ типа Notebook. 
Акустическая антенна фактически представляет собой приемную часть оптико-акустического измерителя координат, установленную на разнесенных в пространстве держателях штатива. При определении координат точек поверхности конструкции используется прямоугольная система координат. 
Для однозначного определения координат источника звука достаточно знать три временных интервала, 
соответствующих моментам прихода акустической волны на три акустических датчика, определенным образом расположенные в пространстве. Поэтому в состав акустической антенны входят 3 базовых акустических датчика, жестко связанные друг с другом, и дополнительные, позволяющие поднять достоверность и точность измерения. Кроме того, дополнительные датчики обеспечивают возможность увеличения предельных размеров измеряемых конструкции. Такое построение акустической антенны делает конструкцию установки гибкой, модульной, позволяющей в известных пределах варьировать точность измерения и габариты измеряемых объектов. 
Блок усилителей, входящий в состав антенны, состоит из комплекта усилителей-компараторов, усиливающих сигналы датчиков и выдающих импульсы остановки счетчиков, когда уровень напряжения на выходе усилителей превышает некоторый заданный уровень. 
Блок обработки информации состоит из следующих основных узлов: 
• комплекта плат преобразователей (по количеству микрофонов] — 8/16 разрядных счетчиков и преобразователей время-код; 
• платы управления генератором импульсов заполнения счетчиков, генератором сигналов управления 
преобразователями и платой интерфейса; 
• платы генератора, обеспечивающей работу электрического источника звука (динамика), используемого для калибровки устройства; 
• платы интерфейса, обеспечивающей связь блока обработки информации с компьютером через порт 
RC-232. 
Переносной импульсный твердотельный лазер типа AMf:Nd3+ генерирует излучение на длине волны 1,06 мкм с длительностью импульса 1 0"в не. Оптическая формирующая система расположена в одном корпусе с лазером, обеспечивая зондирующее пятно на контролируемой точке объекта диаметром не более 5 мм. Воздействуя на поверхность конструкции, импульсное излучение создает в воздухе сферическую акустическую волну, которая регистрируется акустическими датчиками. Импульсный лазер снабжен также целеуказателем контролируемой точки объекта с лучом красного цвета диаметром 3 мм и расходимостью луча 1 угл.мин, обеспечивающим несовпадении центра зондирующего пятна с центром пятна светового указателя не более 2 мм. Это позволяет оператору визуально определять область поверхности, где проводятся измерения. 
Малогабаритный компьютер осуществляет прием информации с блока обработки информации и ее обработку. Компьютер должен быть оснащен программами, позволяющими: 
• производить подготовку информации, поступающей с блока обработки информации; 
• осуществлять взаимную калибровку положения основных и дополнительных датчиков; 
• проводить вычисления координат измеренных точек на поверхности конструкции с оценкой погрешности измерений; 
• выполнять привязку различных положений в пространстве акустической антенны. 
Основные технические данные станции ЛАИС представлены в табл. 1 
На основании результатов опытных работ, проведенных с использованием экспериментального образца ЛАИС в корпусообрабатывающем цехе ОАО СЗ "Се- 
верная верфь", были разработаны следующие основные положения технологического процесса выходного контроля формы судовых деталей с помощью ЛАИС вместо использования работниками ОТК объемных деревянных шаблонов с визуальной оценкой точности их прилегания. 
Лазерно-акустическому контролю формы подлежат детали наружной обшивки корпуса судна после холодной гибки. Номенклатура с эскизами типовых деталей представлена в табл. 2. Максимальные габаритные размеры деталей — 2000 х 8000 мм, 
Порядок проведения контроля предусматривает следующие операции: 
• перемещение детали, на специализированный 
участок лазерно-акустического контроля; 
• ориентация детали на участке контроля; 
• сканирование поверхности детали установкой ЛАИС; 
• обработка результатов сканирования с помощью специализированного программного обеспечения и 
сравнение с плазовыми данными; 
оформление "Карты контроля формы гнутой детали"; 
• в случае обнаружения отклонений, превышаю 
щих максимально допустимые, деталь возвращается 
на участок гибки для доработки. 
Специализированный участок лазерно-акустического контроля должен быть организован в виде отдельного помещения вблизи от гибочного оборудования, удовлетворяя следующим техническим требованиям: 
• конструкцией должна быть предусмотрена звукоизоляционная зашивка стен и крыши для обеспечения уровня шума не более 60 Дб; 
• уровень освещенности должен быть не менее 200 Л к; 
• габаритные размеры помещения должны быть не менее: высота — Зм, ширина —10м, длина — 8 м; 
• помещение должно быть оборудовано воротами для перемещения гнутой детали к месту контроля, 
обеспечивающими звукоизоляцию в закрытом состоянии, а также самоходной тележкой-кантователем на 
рельсовых путях с электрическим приводом; 
• температура в помещении должна быть в пределах от +5 до +25 °С; 
• помещение должно быть оборудовано сетью переменного тока напряжением 220В. 
Гнутая листовая деталь подается мостовым краном на тележку-кантователь. Деталь располагается на ней горизонтально таким образом, чтобы линии приклада поперечных шаблонов были перпендикулярны оси кантователя. После размещения на тележке-кантователедеталь фиксируется по продольным кромкам специальными зажимами. 
Тележка-кантователь с деталью перемещается в зону контроля помещения специализированного участка. После остановки тележки кантователь с деталью переводится в вертикальное положение таким образом, чтобы линии приклада шаблонов были обращены к аппаратуре ЛАИС. 
Сканирование детали лазером аппаратуры ЛАИС производится с целью получения информации по реальной форме гнутой детали. Сканирование производится по меловым линиям приклада шаблонов при гибке. 
Линия представляет собой прямую между двумя точками растяжки кромок. На пинии приклада должны быть размечены контрольные точки. Толщина меловой линии должна быть не более 4 мм, длина рисок контрольных точек = 10 мм. Рекомендуемый шаг контрольных точек — 200 мм. Если точек для контроля не достаточно, то шаг разрешается уменьшать. Минимальное количество точек на линии — 4. 
Эскиз примера разметки контрольных точек на меловых линиях детали представлен на рис. 2. 


Результаты сканирования обрабатываются специализированным программным обеспечением. Оно формирует отчет о сравнении теоретической геометрии детали с реально полученной в виде "Карты контроля формы гибочной детали". Для оценки качества гибки используется критерий максимальных отклонений в контрольных точках. Предельно допустимые отклонения в соответствии с действующими нормативными документами представлены в табл. 3. 6 случае обнаружения отклонений, превышающих максимально допустимые, необходимо произвести дополнительную гибку для исправления детали в сечениях с отклонениями. 
6 настоящее время во ФГУП ЦНИИТС продолжаются работы по совершенствованию аппаратной части и программного обеспечения с целью доведения лаэерно-акустической станции ЛАИС до уровня промышленного образца, подготовленного к тиражированию. 
В других научно-технических областях, кроме судостроения, использование ЛАИС позволит решать следующий круг задач: 
• В автомобилестроении ЛАИС предполагается использовать для контроля формы обводов элементов кузова, кресел, деталей салона, бамперов, стекол. 
• В авиастроении контроль обводов элементов фюзеляжа, крыльев, рулей, обтекателей, деталей салона. 
• В энергетическом машиностроении: контроль формы лопаток турбин, расположение и установки 
фундаментов и трубопроводов. 
• В медицинской промышленности: антропометрические измерения для целей ортопедии и протезирования. 



Сясько, канд. техн. наук, В. А. Синицкий,канд.техн. наук