научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ЛАЗЕРНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ МЕТОДОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ЛАЗЕРНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ МЕТОДОМ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 108-113

ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА

УДК 53.082.53: 531.7: 681.786

ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ЛАЗЕРНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ МЕТОДОМ

© 2014 г. П. П. Белоусов, П. Я. Белоусов*, О. П. Капуркина**

Объединенный институт высоких температур РАН Россия, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2 E-mail: ppbelousov@mail.ru *Институт теплофизики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1 E-mail: pyabelousov@ngs.ru **Конструкторско-технологический институт СО РАН Россия, 630058, Новосибирск, ул. Русская, 41 E-mail: olga_b@gorodok.net Поступила в редакцию 10.06.2013 г. После доработки 11.10.2013 г.

Описан оптический метод измерения формы нормальной направляющей сплошного однородного цилиндрического образца, (направляющая лежит в плоскости, ортогональной образующим). Метод основан на измерении линейной скорости цилиндра, катящегося по ровным направляющим опорам. Показана возможность измерения малых (порядка нескольких микрометров при диаметре цилиндра 10 мм) отклонений формы направляющей от круглой. Достоверность полученных результатов подтверждена микрометрическими измерениями диаметра. Измеренная в качестве примера форма направляющей сплошного цилиндрического ролика (09 мм) подшипника 3ГП 3 оказалась близкой к синусоидальной с периодом 2п и амплитудой периодических вариаций ±1.5 мкм.

DOI: 10.7868/S0032816214020244

1. ВВЕДЕНИЕ

Применение методов лазерной доплеровской анемометрии (л.д.а.) в механике позволяет с высокой точностью измерять скорость и длину шероховатых светорассеивающих объектов. Измерение длины осуществляется путем интегрирования измеренного значения скорости по времени. В металлургической промышленности это позволяет измерять длину шероховатых объектов с относительной погрешностью, меньшей 0.1% [1]. При решении практических задач механики часто необходимо измерять диаметр и форму аксиально-симметричных объектов (цилиндров, шаров, колес и т.д.). Если измерение диаметра круглого объекта — рутинная задача, которую успешно решают на практике сотни лет, то измерение формы более затруднительно. Простое измерение диаметра цилиндра при разных углах поворота не дает возможность определить его форму.

Существующие устройства для измерения радиусов кривизны сферических и цилиндрических поверхностей [2] основаны на определении стрелки прогиба контролируемой поверхности сфер и цилиндров при опоре поверхностей на три либо четыре опорные точки (например, в измерителе ИЗС-7 расстояния между шаровыми опорами сравнимы с

величиной радиуса сферы или цилиндра). В данном случае о локальности измерения радиусов цилиндров и сфер говорить не приходится. Относительная погрешность измерения такого "усредненного" радиуса составляет ±(0.02—0.025)%. При величине радиуса 10 мм погрешность составляет 2—2.5 мкм. Оптические автоколлимационные методы, применяемые для измерения радиусов кривизны поверхностей оптического качества, также используют участки анализируемой поверхности, размеры которых сравнимы с радиусом кривизны самих поверхностей. Это, в свою очередь, не позволяет проводить локальные измерения радиусов кривизны. Интерференционные оптические методы позволяют, в принципе, получить пространственное распределение радиусов кривизны анализируемого участка поверхности. Однако получение этой информации связано с обработкой интерферограмм и восстановлением исходного углового профиля радиуса на выбранном участке поверхности. При повороте цилиндра вокруг оси, для смены участка анализируемой поверхности, велика вероятность сбоя фазы интерферирующих световых волн, например, из-за несовершенства поворотного механизма. При этом интерференционная картина может смещаться, что приводит к накоплению ошибки сшивки при многократ-

ных поворотах измеряемого объекта. Вообще авторам не известны случаи применения этой методики для определения углового профиля радиуса цилиндра. Известный метод колец (полос — в случае цилиндра) Ньютона, который используется для определения радиуса кривизны сферической и цилиндрической поверхности, также требует использования значительных участков поверхности для получения большого числа колец (полос). К тому же, относительная погрешность измерения этого метода оценивается величиной 0.4% [2]. При радиусе 10 мм ошибка измерения составит 40 мкм. Такая погрешность представляется совершенно неприемлемой при контроле качества цилиндров на производстве.

В свете вышесказанного, очевидно, что наиболее эффективной процедурой при диагностике формы сплошных цилиндров, изготовленных из однородных материалов, является измерение его радиуса, отсчитываемого от центра масс. Для определения формы цилиндра необходимо вращать его вокруг оси и определять координаты элементов боковой поверхности цилиндра для требуемого количества точек Я(ф^ zi). Поскольку центр масс и ось цилиндра при повороте остаются неподвижными, то для определения текущего радиуса цилиндра Я(фь zi), где i — номер очередного измерения, необходимо знать точные координаты центра масс и направление оси вращения. В этом случае есть возможность с необходимой точностью определить как форму направляющей цилиндра для любого нормального сечения так и форму образующих для любого угла поворота ф,-. Если использовать современные лазерные измерители перемещений, то координаты точек вдоль выбранного направления могут быть определены с абсолютной погрешностью 0.1—0.01 мкм (разрешение 0.01 мкм) [3]. При этом относительная погрешность измерения радиуса может составлять (для Я = 10 мм) 10-3%. Излишне обсуждать проблемы, связанные с поворотным и измерительным оборудованием, необходимым для решения прецизионных измерений с такой погрешностью. Очевидно, что если на практике форму круглых цилиндров определять путем поворота их вокруг оси на заданный угол с использованием поворотных систем и определять при этом смещения координаты точек на боковой поверхности вдоль выбранного направления, то несовершенство систем поворота (биения в подшипниках, люфты) вносит свои погрешности при определении пространственного положения оси симметрии цилиндров. В то же время при качении цилиндра по гладкой поверхности его поступательная скорость будет не постоянной, а зависимой от формы его боковой поверхности. Это связано с тем, что при наличии выпуклых дефектов центр тяжести цилиндра будет смещаться вверх. Если качение

Цилиндр

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

происходит в поле тяжести без трения, то смещение центра масс цилиндра вдоль силы тяжести приводит к изменению его кинетической энергии и, соответственно, поступательной скорости движения. Эта скорость может быть измерена, а изменение скорости пересчитано в изменение вертикального положения центра масс. Таким способом была измерена некругл ость цилиндров, катящихся по направляющим опорам и по гладкой ровной поверхности [4]. В работе [4] показано, что метод позволяет выявлять малые (~1 мкм) локальные дефекты и некруглость цилиндров. Если дефекты образующих цилиндра много меньше некруглости направляющей, то по изменению скорости при качении цилиндра по гладкой поверхности возможно однозначно определить угловой профиль замкнутой выпуклой направляющей цилиндра, т.е. зависимость радиуса цилиндра от угла поворота. Достоинство такого метода заключается в том, что в нем отсутствуют механизмы поворота, вносящие свои погрешности. Источником погрешностей здесь являются дефекты поверхности, по которой катится цилиндр. Очевидный недостаток такого метода заключается в том, что форма нормальной направляющей цилиндра должна удовлетворять условию "выпуклости", т.е. касательная к любой точке направляющей цилиндра, лежащая в плоскости направляющей, не должна пересекать эту направляющую. Все измерения в данном методе привязаны к пространственному положению центра масс цилиндра. Форма направляющей кривой измеряется относительно центра масс исследуемого цилиндра. Это условие — самодостаточно, поскольку центр масс идеально круглого сплошного однородного цилиндра лежит на оси симметрии, и логично определять пространственное положение элементов боковой поверхности относительно этой точки.

Целью работы является проверка принципиальной возможности измерять форму направляющей цилиндров методом л.д.а. и оценка потенциальной точности измерения формы.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка для измерения отклонения формы нормальной направляющей цилиндра от идеально круглой приведена на рис. 1. В эксперименте был использован л.д.а. с опорным световым пучком, работающий на обратном рассеянии [5]. В качестве источника излучения использовался Не—-лазер ГН-0.5 (изготовитель ОАО НИИ ГРП "Плазма", Рязань). Длина волны излучения лазера X = 0.6328 мкм, мощность излучения 0.5 мВт. Объектив, формирующий в зоне измерения зондирующий световой пучок 00.1 мм, является одновременно приемным объективом. Отраженный от поверхности катящегося цилиндра световой пучок смешивается с опорным и направляется на фотоприемник, в качестве которого был использован ФЭУ-31.

В эксперименте зондирующий пучок лазерного измерителя скорости направлялся на боковую поверхность круглого цилиндра, который после слабого толчка рукой свободно катился по двум параллельным цилиндрическим опорам, оси которых направлены вдоль направления движения цилиндра. В качестве направляющих цилиндров использовались стеклянные трубки с внешним 08 мм и внутренним 02 мм (ГОСТ 8446-74). Длина трубок 200 мм была достаточной, чтобы катящийся цилиндр совершил несколько оборотов при движении по направляющим. Длина сплошного цилиндра, изготовленного из дюралюминия Д16т, составляла 205 мм, а его диаметр 10 мм. Шероховатость поверхности цилиндра соответствовала 10-му классу (среднее арифметическое отклонение профиля Яа = 0.16—0.08 мкм, высота неровностей профиля по 10 точкам ^ = 0.8—0.4 мкм). Катящийся цилиндр касался цилиндрических направляющих в двух точках, расположенных на расстоянии 50 мм от концов цилиндра. Электрический сигнал с выхода л.д.а. подавался на вход персонального компьютера (э.в.м.), где проводилась его запись и обра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»