автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов и средств лазерного контроля геометрии лопаток газотурбинных двигателей

УДК 620 179 18

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЛАЗЕРНОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05 11 13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2007

003066640

Работа выполнена на кафедре Электротехники и Интроскопии Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Чернов

Леонид Андреевич

Научный консультант

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Кеткович

Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, старший тучный сотрудник

Владимиров Лев Владимирович

доктор технических наук, профессор

Коннов

Владимир Васильевич

Ведушзя организация. ОАО «НИИизмерения»

Защита состоится «31» октября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520 010 01 в ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу 119048, г Москва, ул Усачева, д 35, стр 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИНМНПО «СПЕКТР»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просьба направлять по адресу 119048, г Москва, ул Усачева, 35, стр 1, ученому секретарю совета

Автореферат разослан «1» октября 2007г

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

у If / Королев MB

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1 ГТД — газотурбинный двигатель

2 ДПФ - прямое дискретное преобразование Фурье

3 ИСФ - изделие сложной формы

4 МСС - метод светового сечения

5 ОДПФ — обратное дискретное преобразование Фурье

6 ОПФ - оптическая передаточная функция

7 ПЗС - прибор с зарядовой связью

8 ФРЛ - функция рассеяния линии

9 ЧКХ - частот но-контрастная характеристика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Научно-технический прогресс в таких ведущих отраслях экономики как авиакосмический и нефтегазовый комплексы, электроэнергетика, атомная промышленность требует применения изделий все более сложной формы с одновременным ужесточением требований к точности их изготовления

В этом ряду особо выделяется область авиационного двигателестроения Достижения в этой отрасли в большой мере определяет политическую и экономическую безопасность страны Наряду с этим, технологии, созданные для авиационных двигателей, с успехом применяются в других национально приоритетных областях энергетике, транспорте, при транспортировке газа и многих других

Основной современного авиадвигателестроения является газотурбинный двигатель Лопатки ГТД являются наиболее массовыми деталями, их общее число в двигателе может доходить до 3000

Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины гак как они являются наиболее нагруженными деталями Они находятся в потоке газа и предназначены для изменения его параметров Температура газа в турбине достигает 800 1200 °С, в компрессоре - 300 600 °С Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя - быстрый нагрев в момент пуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя - вызывает циклическое изменение термических напряжений Лопатка помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах

Контроль лопаток - важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления В процессе производства контролю подлежат десятки геометрических параметров лопагок, определяемые требованиями технических условий, конструкторской и технологической документации, утвержденными образцам, эталонам и условиями поставки Лопатка ГТД представляет собой изделие с очень сложной геометрической формой, и задача контроля геометрии лопаток ГТД стоит очень остро

Принимая к рассмотрению пространственную сложность формы лопаток ГТД для обеспечения подобных объемов контроля необходимо проводить измерения многих десятков геометрических параметров для каждой лопатки.

Средства измерения, используемые в настоящий момент на отечественных серийных авиастроительных предприятиях, в большинстве своем, устарели С течением времени становится все сложнее продлевать срок их эксплуатации Подобные средства измерения связанны с субъективной человеческой составляющей

Современные методы контроля геометрии изделий можно разделить на два больших класса — контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т д ) и бесконтактные, среди которых наиболее распространены МСС, триангуляционные и стереоскопические Стереоскопические средства контроля отличаются низкой производительностью и малой точностью Триангуляционные средства контроля конструктивно сложны, и как следствие - проигрывают в эффективности Особый интерес представляет МСС Его сущность заключается в проектировании на поверхность объекта узкой световой полоски и наблюдении ее формы, адекватной профилю изделия под углом, отличным от направления освещения Достоинства метода -бесконтактность, высокая точность измерений, получение полной информации о профиле изделия в реальном времени в выбранном сечении

Несмотря на давнюю историю метода, он непрерывно развивается и широко применяется в промышленности Исследованию метода посвящен рад работ - Линник В Н, Кучин А А и Обрадович К А , Веектап Р и др Однако их результаты не отражают достижений современного оптического приборостроения, в котором широко применяются лазеры, матричные фотоприемники и цифровые методы обработки изображений Отдельным аспектам эффективности применения этих инновационных технологий в МСС посвящен ряд исследований (Демкин В Н, Филинов М В, Галиулин Р М, Кеткович А А) В результате этих исследований созданы предпосылки для системного анализа влияния основных факторов, определяющих точность измерений методом МСС

В число этих факторов, прежде всего, относятся передаточные функции лазерных оптических систем, структура матричных приемников и распределение чувствительности внутри пикселя, микрогеометрия реальных поверхностей, оптические шумы (блики, спеклы и др). оптимизация алгоритмов цифровой обработки изображений

Для решения этой задачи необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния этих факторов на точность и производительность МСС В связи с этим сформулируем цель диссертационной работы

Цель работы - разработать метод и средство бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД, позволяющее проводить быстродействующий и прецизионный контроль

Основные задачи. Для достижения данной цели требуется решение следующих основных задач

• Выявить и исследовать основные факторы, влияющие на точность измерений и предложить их оптимизацию

• Исследовать оптические свойства поверхности лопаток и установить закономерности их влияния на точность измерений

• Разработать алгоритм апостериорной обработки цифрового изображения лопатки ГТД, полученного МСС, позволяющий получить однородный контур и уменьшить погрешность измерения

• Провести измерения геометрических параметров лопатки ГТД, подлежащих контролю по технологической карте предприятий отрасли в реальных производственных условиях

• Провести исследование метрологических характеристик разработанной системы с учетом апостериорной обработки изображения и автоматических измерений геометрических параметров

Методы исследования Анализ теоретических аспектов исследованной в диссертационной работе проблемы бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД проводился с использованием методов

Фурье-анализа, аппарата оптических передаточных функций, теории переноса излучения, теории рассеяния света поверхностями с различной микрогеометрией, метода приближения функций, математической статистики, методов цифровой обработки изображения и математического моделирования Обработка данных проводилась на ЭВМ по стандартным и оригинальным программам, разработанным на языке программирования Delphi 7 0 и в среде MathCAD 11

Научная новизна заключается в следующем

В диссертации с единых методологических позиций проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволяющий разработать основы создания высокоточных быстродействующих лазерных измерителей геометрии лопаток ГТД с различной шероховатостью поверхности

Для этого

1 Предложена аналитическая модель оптико-электронной системы с использованием аппарата оптических передаточных функций, позволяющая оценить предельную точность системы измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения

2 Впервые получены зависимости, описывающие закономерности рассеяния света поверхностью лопаток ГТД и предложен метод бесконтактного экспресс-контроля параметра шероховатости поверхности лопаток Ra, основанный на учете пространственного распределения рассеянного света

3 Предложена математическая модель деформации пространственно-частотного спектра лазерного осветителя шероховатой поверхностью лопатки с использованием теории переноса излучения и получено выражение соответствующей частотно-контрастной характеристики, что позволило получить сквозную передаточную функцию системы

4 Предложен алгоритм эффективной апостериорной обработки изображения сечения лопатки ГТД с целью устранения шумов, спеклов и бликов, позволяющий получить контрастный однородный уверенно распознаваемый контур

Основные положения, выносимые на защиту

1 Метод и аппаратура высокоточного многопараметрового автоматического контроля геометрии лопаток ГТД

2 Математическая модель оптико-электронного тракта системы контроля геометрии лопаток ГТД методом светового сечения с учетом влияния шероховатости их поверхности на качество изображения и проведение оптимизации по критерию максимальной точности

3 Метод определения параметров лазерного прибора контроля геометрии лопаток ГТД и границы его применимости при контроле шероховатых поверхностей с учетом реального распределения световой чувствительности внутри элемента фотоприемной системы

4 Алгоритм цифровой обработки изображения контура лопатки ГТД для подавления шумов и однозначного распознавания

Практическая ценность работы состоит в том, что

1 Разработан пилотный образец системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД Образец прошел апробацию в условиях ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и показал хорошие эксплуатационные и метрологические характеристики Созданный пилотный образец позволяет проводить измерений линейных размеров лопатки с точностью 0 01 мм со скоростью 20 сечений в минуту

2 Разработан метод бесконтактного измерения параметра шероховатости Яа для широкого класса лопаток ГТД

3 Разработана универсальная методика юстировки и калибровки системы лазерного контроля лопаток ГТД с применением корреляционного анализа, которая применима для широкого класса лазерных измерителей геометрии объектов различной формы

4 Прибор успешно применялся в качестве инструмента управления качеством продукции машиностроительного предприятия ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» По результатам его применения были разработаны рекомендации по снижению уровня дефектности продукции

5 Разработана программа апостериорной обработки лазерных изображений контура лопатки ГТД, которая может применяться в системах лазерного измерения геометрии

6 Методы лазерного освещения и формирования цифрового изображения, представленные в диссертации могут применяться для других объектов контроля

Реализация результатов Система лазерного контроля геометрии лопаток ГТД нашла применение на ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и ЗАО НПЦ «Молния»

Апробация работы Основные результаты исследований, выполненных в диссертации, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по неразрушающему контролю и диагностике и получили положительные отзывы на семинарах и конференциях «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики» (Могилев, 2004), «Неразрушающий контроль и диагностика» (г Екатеринбург, 2005), Литье и металлургия (Минск, 2005), «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (МЭИ, Москва 2005, 2006) в 2005 г получен диплом первой степени за лучшую работу

Информация о приборе опубликована в каталоге Лазерной Ассоциации РФ Пилотный образец прибора измерения геометрии лопаток экспонировался на международной выставке «Инновации 2006» на ВВЦ

Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, приведенных в списке литературы диссертации и автореферате

Личный вклад автора Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии Автором выполнены исследования, определяющие защищаемые положения и методики

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 108-ти наименований Основной текст изложен на 147 страницах, содержит 107 рисунков, 8 таблиц и 102 формулы

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и значимость темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи проводимых исследований и определена научная новизна и практическая ценность решаемой проблемы

В первой главе проведен анализ методов измерения трехмерной геометрии, а также приведен обзор реальных установок, представляющих наиболее перспективные для контроля лопаток методы

Известны различные бесконтактные методы измерения геометрии Предложено их классифицировать по критерию геометрической размерности измерительной информации об объекте, получаемой за одно экспонирование датчика Таким образом, системы подразделяются на одномерные, двумерные и трехмерные

К одномерным относятся триангуляционный, фокусирования, автоколлимационный, рефлектометрический, интерферометрический, лазерно-акусгический, дальнометрический и ультразвуковой Для контроля геометрии лопаток наибольшее распространение получил метод триангуляции

К двумерным методам относятся методы светового и теневого сечения, метод спекл-интерферометрии, муаровый и рентгеновский томографический методы

Среди трехмерных методов измерения геометрии различают два -стерео и топографический методы, при этом для промышленного контроля лопаток используется стереометод

Приведен сравнительный анализ известных приборов и систем, основанных на триангуляционном, стереоскопическом и методе светового сечения

На основе сравнения конкретных систем и патентного поиска выявлена целесообразность разработки метода светового сечения как наиболее удовлетворяющего требования современного двигателестроения Предложена схема прибора для проведения двустороннего контроля лопаток ГТД методом светового лазерного сечения и сформулированы пути повышения быстродействия и точности измерений

Во второй главе проведено теоретическое исследование аспектов повышения точности контроля геометрии лопаток ГТД при контроле прибором светового лазерного сечения

Рассмотрены особенности формирования изображения методом светового сечения на диффузно отражающей поверхности Измерены параметры шероховатости лопаток и проведено моделирование распределения интенсивности отраженного света от поверхностей с различной шероховатостью с учетом модели Бекмана (рис 1) Сделан вывод о допустимых углах наблюдения отраженного света для лопаток различной конфигурации, с учетом экранирующих элементов конструкции Это позволило получить первое приближение конструктивной реализации прибора

Для аналитического описания искажений, вносимых каждым блоком системы, предложено использовать аппарат ОПФ Для того чтобы судить об искажении всей системы в этом случае надо провести перемножение пространственных спектров отдельных ее блоков

-80 "60 "40 -20 0 20 40 60 80

град

- ЛаОЗЗ

---ИаО 15

Ка007

Рис 1 Индикатрисы рассеянного света для лопаток с различными параметрами шероховатости (X - 635 нм) Произведено моделирование распределения интенсивности лазерного генератора линий Для получения линии предложено использовать цилиндрическую оптику Интенсивность в направлении, перпендикулярном распространению луча описывается выражением, по которому так же определен пространственный спектр источника

1(х) = 10ехр(-(х/г0)2) где 10— интенсивность в центре пучка, I (х) - интенсивность в точке плоскости, отстоящей от центра на расстояние х, величина г0 в заданной плоскости может быть определена с учетом расходимости луча по формуле Гг/=0 5 ív.,

где Г - фокус цилиндрической линзы лазерного осветителя, а - угол расходимости лазерного луча

06 - 04 02 0

"01 "0 06 -002 0 02 0 06 01

Рис 2 Распределение интенсивности лазера внутри пучка

„ ос

- 0.4 02 0

О 20 40 60 И 100

V Утга

Рис 3 Пространственный спектр лазерного источника

I

/.'/ 1 \\ 1

: ; 1 , ' ! , ' - * / < > \ \ \

/ / 1 ■ 1 \ \ • >

/ ' / ' 1 1 ,,■> \

/ / / • ; \ 4 )

/ / / Г \ Л

/ / ' ' \

/ / * ■ ¡\ \ \

У ......— -г" ... ' 1 !

и

Для аналитического описания процесса искажения лазерного луча при отражении от шероховатой поверхности впервые получено выражение ЧКХ шероховатой поверхности лопатки ГТД Для этого применено уравнение переноса излучения ЧКХ поверхности лопатки получена с учетом решения уравнения для модели процесса с применением принципа физической аналогии Процесс отражения от шероховатой поверхности при этом был сопоставлен с процессом прохождения света через рассеивающий слой Толщина слоя считалась равной среднему размеру микронеровности в поперечном направлении Средний размер микронеровностей в продольном направлении равен среднему размеру рассеивающих частиц В результате получено выражение ЧКХ, характеризующее искажение луча лазерного генератора при отражении от лопатки (рис 4)

т(у,т) =

1-2-

2 11 3

1 + — 2

тГт

ехр(-т:)

6Х ^-^-И + ^рЫ

где V - пространственная частота, т - глубина слоя, Л - вероятность выживания фотона

тМ = -

I— I - V а.-^ 11

Рассчитана ЧКХ объектива в монохроматическом свете (рис 5)

" -И)-

-К)

где/- фокусное расстояние объектива, Т) - входная апертура объектива, 2 - длина волны лазера

ЧКХ ПЗС матрицы представлена выражением (рис 6) <ьЛ

Тпзс(у) = -

где <3х - шаг между пикселями матрицы

При известных ЧКХ отдельных звеньев прибора контроля геометрии лопаток ГТД получена результирующая ЧКХ системы Наиболее критичным при формировании изображения является процесс отражения света от шероховатой поверхности лопатки Передача пространственных частот системой в целом, таким образом, определяется в основном ЧКХ поверхности лопатки

\

• ■

\ 1 1

\ 1

ч 1

ч N 1

ч ч

1 !

Рис 4 ЧЮС поверхности лопатки

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1 V 1/тт

Рис 5 ЧКХ дифракционно ограниченного объектива

По известной ЧКХ системы с помощью ОДПФ найдена ФРЛ, которая приведена на одном рисунке с распределением интенсивности источника для сравнения

1

1

\

ч \ 1 1

1 ! V |

)

■ V

\

\

1 -(- - \

0 1 02 03 04

06 07 0В 09

Рис 6 ЧКХ ГОС элемента Рис 7 ФРЛ системы и распределение интенсивносп

лазерного источника

Далее исследована чувствительность системы к малым изменениям геометрии объекта Автором предложена функция описания чувствительности внутри пикселя ПЗС-матрицы к падающему излучению Функция имеет вид

1

1-0811

-гели х <0

схр(1300х+ 7) 1-0 811 ----если х>0

ехр(-1300х + 7)

где под х — понимается относительная величина, равная расстоянию (мм), нормированному на некую константу, х(мм) / хмах(мм)

График предложенной функции представлен на рис 8 Получена оценка, минимального изменение положения поверхности объекта, которое приведет к 10%-му изменению сигнала с пикселя ПЗС Установлено, что

смещение границ объекта на 0 006 мм приводит к уверенному обнаружению его системой (рис 9)

Предложено для повышения точности проводить отсечку границы объекта в области, с максимальным градиентом ФРЛ

К!

/

/ 1 ' , \

/ . \

V \

1 —1— —1— —1- —

1

X

/

/ /

/ __ 1 !

/ / / , , 1 1 |

-о 0054} 00Ф0 ооз-о оого 001 0 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005

"0.02 -0.016 -0012 -0008 "0004

0004 0.00а 0012 0.016 002

Рис В Распределение чувствительности внутри Рис 9 Смещение изображения и пороги его

пикселя обнаружения

Произведено моделирование наложения шума на полезный сигнал на выходе системы В результате обоснована необходимость более глубокого экспериментального исследования шумов и реальных характеристик системы контроля геометрии лопаток ГТД Разработана схема оптической спектральной фильтрации Полоса пропускания фильтра выбрана с учетом длины волны лазерного источника

В третьей главе произведено экспериментальное исследование параметров системы контроля геометрии лопаток ГТД и произведена их оптимизация с целью повышения точности Для этого разработаны и собраны два испытательных стенда и пилотный образец самого прибора

Специально разработанный гониофотометрический стенд позволил измерить индикатрису рассеяния при отражении лазерного излучения от поверхности лопатки ГТД (рис 10) Она содержит источник света 1 (полупроводниковый лазер с длиной волны 635 нм, мощностью 5 мВт), станину 13, на которой закреплена углоизмерительная шкала 2 радиуса 100мм с ценой деления 0 5° По шкале 2 движется каретка 3 с индексом 4, на которой закреплен фотоприемный блок ФБ Этот блок состоит из фотодатчика 5, перед которым на оси, ориентированной по радиусу шкалы 2, последовательно установлены рассеиватель 6 (молочное стекло МС-14) для равномерной засветки фотоприемника 5, сменный светофильтр 7 с полосой пропускания, соответствующей длине волны лазера 1, сменный поляроид 8, сменная диафрагма 9 диаметром 1-5 мм для изменения апертуры фотоприемного устройства, коллиматорная линза 10, передний фокус которой совмещен с точной рассеяния лазерным лучом поверхности объекта 12.

Полученные результаты подтвердили справедливость расчетов в соответствии с моделью Бекмана и позволили уточнить конструктивные параметры прибора. Анализ полученных данных позволил предложить бесконтактную методику контроля шероховатости поверхности лопаток, для чего разработан специальный блок (рис 11), который может использоваться как совместно с основным прибором контроля геометрии, либо отдельно Так же предложена эмпирическая формула, связывающая дисперсию индикатрисы рассеяния с параметром шероховатости И а

Схема бесконтактного измерения параметров шероховатости состоит из лазера 1, полупрозрачного светоделителя 2, коллиматорной линзы 3, объектива 6, ПЗС-матрицы 7, сигнал которой поступает в компьютер 8 Лопатка 9 расположена в фокусе линзы 3 Перед объективом 6 расположен рассеиватель 4 и диафрагма 5, выполненная в виде пластинки с отверстиями для выделения конкретных участков индикатрисы Введение рассеивателя позволяет формировать изображение сечения индикатрисы в заданном масштабе с учетом формата ПЗС-матрицы.

Для измерений ЧКХ элементов системы разработана специальная установка (рис 12) Измерены ЧКХ объективов Индустар-95, объектива микроскопа МБС-9 и двухлинзового объектива Измерение производилось по оптическим мирам ГОИ с масштабным коэффициентом 1 8 Схема установки приведена на рис 12

Экспериментально получено значение относительного отверстия, при котором ЧКХ объектива оптимальна

Измерение ЧКХ ПЗС проводилось на той же установке

П,!

Рис 10 Схема установки для измерения индикатрисы

4 5

\

Вид по А

Рис 11 Схема блока для оперативного бесконтактного измерения шероховатости

Пространственный спектр осветителя и ЧКХ поверхности лопатки измерялись по изображению лазерной линии При измерении пространственного спектра осветителя использовались поляроиды для ослабления интенсивности

По измеренным ЧКХ звеньев системы рассчитана ЧКХ всей системы Результаты измеренных параметров системы в пределах 10% совпали с результатами теоретического расчета Было подтверждено, что наиболее критичное влияние на ЧКХ системы оказывает процесс отражения света от шероховатой поверхности Полученная ЧКХ используется в дальнейшем для повышения точности измерений

I »

¡'4:

I и I!

4 5 6

&

1 - светодиод

2 - лампа накаливания

3 - полупроводниковый лазер

4 - светофильтры

5 - рассеиваггель

6 - тест-объект

7 - рабочий объектив

8 - дополнительный объектив (Юпитер-11 £=135 мм 1 4)

I Г

\1! ! I /А^

9 - микрообъектив (10х, 1 2)

10 - окуляр

11 - объектив цифровой камеры

12 - ПЗС-матрица 12 - шкала окуляра 1 - микроскоп

П - цифровая камера

Рис 12 Схема установки для измерения ЧКХ объективов

Об

04

02

«Л 1 1 1 ( г

! 1 — 1 1 •

+ V, ! ! 1 1 1 ■

О 5 10 15 20 25 30 3 5 40 45 50

V 1/пВД

—— ЧКХ объектива ЧКХПЗС -1 ЧКХ лопатки

Рис 13 Частотно-контрастных характеристики блоков системы

Были исследованы особенности изображений, получаемых пилотным образцом прибора Установлено что в крайних сечениях (ближнем к замку и дальним от замка) существуют существенные шумовые артефакты от рассеяния излучения источника замком и торцем лопатки

Разработан алгоритм обработки изображения, позволяющий получить яркий замкнутый контур и избавиться от шумов, спеклов и бликов Для этого к изображению применяются последовательно операции вычитания шумов, сглаживания при помощи маски"

[1 1 Л

н = - 1 1 9 , .

При этом дискретная свертка осуществляется по формуле 60«,, ™2) = 2 р(п\»п2) н(т1 -Щ+1)

Л, Л.

К полученному изображению применяется гауссовский фильтр следующей конфигурации.

[1 2 Г

НСашя = — 2 4 2

16Ь 2 1.

Рассчитаны ЧКХ, вызванные процессом воздействия цифровых фильтров на исходное изображение По ним восстановлена экспериментальная ФРЛ всей системы, как ОДПФ произведения результирующей ЧКХ на пространственный спектр лазерного осветителя

09 08 07 5 Об

§ 05 §

■Э 04 03 02 01

о -

О 01 02 03 04 05 Об 07 08 09 1

ФРЛ после цифровой фильтрации .......... Спектр источника

ФРЛ на выходе оптической системы

Рис 14 Интенсивность на входе и ФРЛ на выходе системы

Далее к полученному изображению применяется операция биниризации, при этом порог выбирался исходя из особенностей изображений крайних сечений, а так же для повышения точности контроля порог выбирался на участке с максимальным градиентом ФРЛ Для различных сечений выбраны различные пороговые значения, которые находятся в середине оптимального участка максимальной скорости нарастания сигнала

09 08 07 5 06 ь 05 © 0.4 0.3 02 01

°0 004 0.08 012 016 02 024 0.2$ 032 036 0.4 X, ото

Рис 15 Определение участка с максимальной скоростью нарастания для бинаризации

На рис 16 приведено изображение, отображающее яркостной массив до фильтрации и после нее

Необходимые геометрические параметры лопатки рассчитываются, оперируя полученным после обработки изображением Координагы вычисляются по средним точкам внутри линии контура

--л' ! 1 ! !

\ \ 1

1

\

\

5 1 1

■V

1 ---!-------1. _____

Рис, 16 Трехмерное представление (возражения сечения лопатки ло и I юс 1С фильтрации

Так же про вело ю сравнение теоретических характеристик, описывающих систему и полученных экспериментально точность совпадения - не хуже 10%.

В четвертой главе приведено обоснование конструктивной реализации прибора контроля геометрий лопаток., приведены характеристики и внешний вид прибора. Также приведены виды экранов разработанного программного обеспечения. Вы под результатов контроля возможен как в табличном виде (рис.17) так и в графическом по аналогии с I ЮМ К Л (рис.! 8).

ш

-Л

Рис. 37 Вывод результатов и т11форме Рис. Вили;! результатов по аналогии с ПОМКЛ

Функциональная схема разработанного прибора контроля геометрии лопаток 1ТД имеет вид:

лазер

П

цилиндрическая линза

сферическая пинчя

«я^ коллиматор

зеркало

Рис 19 Функциональная схема разработанной установки лазерного контроля геометрии лопаток

Основные технические харак

Габариты контролируемых изделий

Погрешность измерений Быстродействие Формат ПЗС матрицы Габариты (без ПЭВМ) Оптический масштаб Длина волны лазера Мощность лазера Потребляемая мощность

л-ики разработанного комплекса до 50 х 100 х 180 мм

0 01 мм

двадцать сечений в минуту

2500х1500

200 х 400 х 600 мм

Зх

635 нм 3 мВт

не более 100 Вт

Описана методика юстировки прибора. Причем для проведения объективной юстировки предложено использовать критерий достижения максимума функции корреляции рабочего изображения тест-объекта и эталонного изображения

Маска-этан он

Изображение тест-объекта

70

пнксслн. DÎT

Профиль рассчитанной функции корреляции по строке (наилучшее совмещение)

Результат расчета корреляции двух изображении

ШСКССЛИ ЦГ1

Профиль рассчкгакной функции корреляции по строке (неудовлетворительное совмещение)

Рис. 20 Корреляционный анализ для прецизионного совмещения изображении двух стереоканалов

Для точного совмещения используются два тест объекта — с горизонтальными полосами для совмещения по горизонтали и с вертикальными полосами для совмещения но вертикали. На рис, 20 приведена иллюстрация расчета для сведения но вертикали.

Приведен расчет погрешности измерений.

Приведены результата измерений серии лопаток и их статистическая обработка.

Анализ данных позволяет сделать вывод о том, что точность измерения геометрии составляет 0,01 мм.

Внешний вид прибора приведен на рис.20.

ш п

S !.. ;

Жжа

Рис. 20 Внешний вид Прибора Контроля Профиля Лопаток

Приведены сведения об использовании прибора в качестве инструмента управления качеством на машиностроительном предприятии.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе

В приложении к диссертации приведены численные расчеты теоретических зависимостей индикатрис и ЧКХ элементов системы Приведены расчеты ЧКХ лазерного осветителя и ЧКХ процесса рассеяния пучка поверхностью лопатки по их практически полученным изображениям Представлены практические результаты по использованию прибора как инструмента управления качеством на ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют»

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Выполнен аналитический обзор современных методов и средств контроля геометрии лопаток ГТД Показано, что наиболее перспективным является метод светового сечения с применением лазеров

2 Исследованы основные факторы, влияющие на точность измерений Показано, что точность может быть улучшена посредством учета передаточной характеристики системы при апостериорной обработке изображений лопатки, полученных методов светового сечения

3 Проведен комплекс теоретических расчетов и экспериментальных исследований, направленных на создание прецизионной системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД обладающей повышенной точностью и быстродействием

4 Совокупность разработанных методов и средств позволила создать систему лазерного контроля геометрии лопаток ГТД, обеспечивающую снижение погрешности до 0 01 мм и повышений быстродействия до 20 сечений в минуту

5 На основе разработанной математической модели рассеяния света шероховатой поверхностью получены зависимости, характеризующие индикатрису пространственного распределения отраженного лопаткой света для конкретных параметров шероховатости лопаток

6 Теоретически и экспериментально показана возможность описания процесса деформации пространственно-частотного спектра лазерного контура с учетом рассеивающих свойств поверхности лопатки и оптических передаточных функций оптико-электроных звеньев лазерного измерителя геометрии Показано, что выражение оптической передаточной функции шероховатой поверхности лопатки может быть получено с использованием уравнения переноса излучения и получено соответствующее выражение

7 Теоретически и экспериментально установлена возможность бесконтактного определения параметра микрогеометрии Яа поверхности

лопаток с помощью анализа индикатрисы рассеянного света при нормальном падении лазерного луча Впервые получены экспериментальные результаты по характеристикам пространственного распределения отраженного лопаткой света

8 Создан многофункциональный стенд для экспериментальных исследований оптической передаточной функции, индикатрисы рассеяния и информационных характеристик оптико-электронных звеньев системы лазерного измерения геометрии Измерены характеристики реальных звеньев оптико-электронной системы и предложен критерий оптимизации результирующей оптической передаточной функции системы в целом

9 Предложен алгоритм цифровой фильтрации оптических шумов изображения сечения лопатки, позволяющий получить замкнутый высококонтрастный контур Разработан алгоритм измерения параметров лопатки ГТД по изображению при проведении бинаризации на участке с максимальной скоростью нарастания ФРЛ для снижения погрешности измерений

10 Разработан пилотный образец прибора контроля профиля лопаток ПКПЛ, который успешно апробирован на ОАО «НФМЗ» и ЗАО «НПЦ МОЛНИЯ» Созданная установка успешно использована в качестве инструмента управлением качества технологического процесса изготовления лопаток

11 Предложен алгоритм, позволяющий получить высокую точность и стабильность сведения изображений двух стереоканалов Для лого использован аппарат корреляционного анализа

12 Разработана методика калибровки, метрологической аттестации и исследования информационных характеристик системы в целом

Таким образом, в рамках диссертационной работы решена начуно-техническая задача по разработке методов и средств контроля геометрии лопаток ГТД с повышенным быстродействием и точностью, имеющая важное значение для развития экономики, промышленности и повышения обороноспособности страны

Основное содержание работы опубликовано в 10 печатных работах

1 Кеткович А А Чичигин Б А , Пичугова О А Лазерный компьютерный профилометр // Материалы международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» - Могилев ГУ ВПО «БЕЛОРУССКО-РОССИЙСИКЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2004 - с 165

2 Кеткович А А , Рудневский В С , Чичигин Б А , Заикина И В Комплекс цифровых приборов для контроля параметров оптического излучения // Материалы международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» - Могилев ГУ ВПО «БЕЛОРУССКО-РОССИЙСИКЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2004 - с 45

3 Чичигин Б А, Чернов Л А Конструктивная и программная реализация прибора контроля профиля лопаток авиадвигателя // Тезисы докладов одиннадцатой международной НТК студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика" Том 1 М , МЭИ, 2005 г. с 448-449

4 Кеткович А А , Чичигин Б А Лазерный профилометр изделий сложной формы // Литье и металлургия 2(34) 2005 - Минск, Литье и металлургия, 2005г - с 141-142

5 Чичигин Б А, Кеткович А А Лазерная установка контроля геометрии сложных форм // Тезисы докладов семнадцатой российской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» Екатеринбург, ИМАШ, УрО РАН, 2005 - с 173

6 Чичигин Б А, Кеткович А А, Чернов Л А Современные лазерные системы контроля геометрии сложных поверхностей // Тезисы докладов семнадцатой российской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» Екатеринбург, ИМАШ, УрО РАН, 2005-с 168

7 Чичигин Б А Исследование влияния когерентности освещения на точность измерения линейных размеров протяженных объектов // Тезисы докладов семнадцатой российской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» Екатеринбург, ИМАШ, УрО РАН, 2005-с 174

8 Чичигин Б А, Чернов Л А Особенности формирования пограничной кривой в системах бесконтактной лазерной профилометрии // Тезисы докладов двенадцатой международной НТК студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика" Том 1, М, МЭИ, 2006 -с 552

9 Чичигин Б А, Чернов Л А Исследование влияния параметров ПЗС матрицы на точность лазерного профилометра // Тезисы докладов двенадцатой международной НТК студентов и аспирантов

"Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика" Том 1. М, МЭИ, 2006 -с 553

10 Кеткович АА, Яковлева НИ, Чичигин Б А Лазерная компьютерная система контроля лопаток газотурбинных двигателей ПКПЛ-1 // Контроль Диагностикам 3. 2007 М, Машиностроение - с 32-34

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технический наук

Чичигин Борис Анатольевич

«Разработка методов и средств лазерного контроля геометрии лопаток газотурбинных двигателей»

1. Введение.

Глава 1. Обзор современных методов и средств бесконтактного контроля геометрии

1.1 Лопатка ГТД как объект контроля.

1.1.1 Конструкция ГТД, лопаток компрессора и турбины.

1.1.2 Термины и геометрические параметры лопаток ГТД.

1.1.3 Факторы, обуславливающие особые требования к производству ГТД.

1.1.4 Технологический процесс изготовления лопаток.

1.1.5 Контроль при изготовлении лопаток ГТД.

1.1.6 Шероховатость поверхности лопаток ГТД.

1.2 Обзор методов контроля геометрии изделий сложной формы.

1.2.1 Контактные методы контроля изделий сложной формы.

1.2.2. Бесконтактные методы контроля изделий сложной формы.

1.2.2.1 Одномерные бесконтактные методы контроля геометрии.

1.2.2.2 Двумерные методы.

1.2.2.3. Трехмерные методы.

1.2.4 Подробный анализ наиболее перспективных методов.

1.2.4.1 Приборы контроля геометрии, основанные на методе триангуляции.

1.2.4.2 Приборы контроля геометрии, основанные на методе светового сечения

1.2.4.3 Приборы контроля геометрии, основанные на стереоскопическом методе.

1.3 Выбор оптимального метода измерений.

1.4 Структурная схема типового компьютерного измерителя трехмерных координат методом светового сечения.

1.5 Выводы по главе.

Глава 2. Теоретическое исследование особенностей применения метода светового сечения для контроля лопаток ГТД и исследование принципов повышения точности измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения.

2.1 Анализ особенностей использования метода светового сечения для поверхностей с различной микрогеометрией.

2.2 Исследование взаимодействия лазерного излучения с ОК на различных стадиях технологического цикла.

2.3 Изучение искажения изображения оптической системой.

2.2.1 Распределение света создаваемое источником.

2.2.2 Формирование изображения при отражении света источника от поверхности лопатки.

2.2.3 ЧКХ объектива.

2.2.4 ЧКХ ПЗС-матрицы.

2.3 Синтез результирующей оптической передаточной функции и получение сигнала на выходе системы.

2.4 Изучение чувствительности системы к отклонениям линейных размеров в пространстве объектов.

2.5 Восстановление изображения по известной ОПФ.

2.5.1 Модели шума.

2.5.1.1 Гауссов шум.

2.5.1.2 Шум Релея.

2.5.2 Построение оценок для параметров шума.

2.5.3 Спектральная фильтрация для увеличения соотношения сигнал/шум.

2.5.4 Инверсная фильтрация для восстановления изображения.

2.6 Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальное исследование и оптимизация параметров системы контроля геометрии лопаток ГТД.

3.1 Измерение индикатрисы рассеяния лопатками различной шероховатости

3.1.1 Гониофотометрическая установка для измерений индикатрисы.

3.1.2 Методика измерений индикатрисы.

3.1.3 Результаты измерений индикатрисы.

3.1.4 Контроль шероховатости поверхности лопаток ГТД по индикатрисе.

3.2 Измерение Частотно-Контрастных характеристик элементов системы. 90 3.3.1 Методика измерения частотно-контрастной характеристики объективов и ПЗС.

3.3.3 Измерение ЧКХ объективов.

3.3.4 Измерение ЧКХ ПЗС.

3.3.5 Требования к оптической системе на основании ЧКХ.

3.3.6 Измерение ЧКХ процесса рассеяния излучения поверхностью лопатки.

3.3.7 Измерение пространственного спектра осветителей.

3.3.8 Синтез результирующей ЧКХ системы.

3.4 Алгоритм обработки изображения.

3.4.1 Предварительная обработка изображения.

3.4.2 Сегментация изображения.

3.4.3 Анализ изображения.

3.5 Сравнение теоретических моделей и экспериментальных данных.

3.6 Выводы по главе.

Глава 4. Конструктивная реализация и результаты внедрения установки.

4.1 Описание установки.

4.2 Методика юстировки прибора.

4.2.1 Юстировка осветителя.

4.2.2 Совмещение лазерной плоскости с фокальными плоскостями коллиматоров.

4.2.3 Совмещение изображений с использованием корреляционного анализа.

4.2.4 Юстировка камеры.

4.3 Расчет на точность.

4.3.1 Погрешность осветителей.

4.3.2 Погрешность измерения перемещений.

4.3.3 Погрешность системы сведения.

4.3.4 Погрешность увеличения.

4.3.5 Погрешность дискретизации.

4.3.6 Погрешность квантования.

4.3.7 Погрешность проведения измерений программой.

4.3.8 Погрешность рабочей меры.

4.3.9 Суммарная погрешность.

4.4 Результаты измерений.

4.5 Применение прибора в качестве инструмента управления системой качества на предприятии.

4.7 Выводы по главе.

Актуальность темы. Научно-технический прогресс в таких ведущих отраслях экономики как авиакосмический и нефтегазовый комплексы, электроэнергетика, атомная промышленность требует применения изделий все более сложной формы с одновременным ужесточением требований к точности их изготовления.

В этом ряду особо выделяется область авиационного двигателестроения. Достижения в этой отрасли в большой мере определяет политическую и экономическую безопасность страны. В настоящее время только две страны Россия и США, в состоянии полностью самостоятельно создавать авиационные двигатели любого назначения и еще три страны с определенной долей кооперации [103].

Наряду с этим, технологии, созданные для авиационных двигателей, с успехом применяются в других национально приоритетных областях: энергетике, транспорте, при транспортировке газа и многих других [35,33].

Основной современного авиадвигателестроения является газотурбинный двигатель (ГТД). Лопатки ГТД являются наиболее массовыми деталями, их общее число в двигателе может доходить до 3000 [50].

Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, так как они являются наиболее нагруженными деталями. Они находятся в потоке газа и предназначены для изменения его параметров. Температура газа в турбине достигает 800.1200 °С, в компрессоре - 300.600 °С [52]. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя - быстрый нагрев в момент пуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя - вызывает циклическое изменение термических напряжений. Лопатка помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.

Изготовление лопаток занимает особое место в производстве ГТД, это обуславливается:

• сложностью пространственной формы лопаток;

• высокими требованиями по точности изготовления и шероховатости поверхности;

• применением дорогостоящих материалов;

• высокой трудоемкостью изготовления, доходящей до 25-30% от общей трудоемкости изготовления двигателя;

• массовостью изготовления лопаток [50].

Лопатка ГТД представляет собой изделие с очень сложной геометрической формой, и задача контроля геометрии лопаток ГТД стоит очень остро.

Контроль лопаток - важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления. В процессе производства контролю подлежат десятки геометрических параметров лопатки, определяемые требованиями технических условий, конструкторской и технологической документации, утвержденными образцам, эталонам и условиями поставки.

Создание авиационных ГТД невозможно без постоянного совершенствования технологических процессов, разработки и внедрения новых методов и средств обработки, обеспечивающих постоянно возрастающие требования к качеству, надежности двигателей, экономичности их производства и эксплуатации [37].

В настоящее время в отрасли ведутся работы по созданию опережающего научно-технического задела для изготовления лопаток двигателей нового поколения и установлению единой отраслевой системы автоматизированного проектирования технологических процессов получения точных заготовок, механической обработки лопаток и оснастки [50]. При решении вопросов создания и широкого внедрения наиболее прогрессивных технологических процессов, оборудования и средств контроля особое внимание уделяется автоматизации вышеперечисленных процессов.

На рис. 1.1 приведено процентное соотношение деталей ГТД, которые подвергаются контролю в процессе производства [55]. Таким образом, на контроль лопаток компрессора и камеры сгорания ГТД, приходится более половины от общего количества контролируемых изделий. Принимая к рассмотрению пространственную сложность формы лопаток ГТД для обеспечения подобных объемов контроля необходимо проводить измерения многих десятков геометрических параметров для каждой лопатки.

Современный уровень развития производства предъявляет новые требования к средствам измерений: они должны быть полностью автоматическими, измерительная информация должна

Корпуса и уплотнения

Прочие

Камеры сгорания и жаровые трубы

Рис. 1.1 Объекты контроля ГТД. представляться и обрабатываться в цифровой форме [19,34-36,53]. Традиционными средствами эти проблемы не решаются, следовательно, задача создания новых прецизионных бесконтактных автоматических систем контроля лопаток, является весьма актуальной.

Средства измерения, используемые в настоящий момент на отечественных серийных авиастроительных предприятиях, в большинстве своем, устарели. С течением времени становится все сложнее продлевать срок их эксплуатации. Подобные средства измерения связанны с субъективной человеческой составляющей. Высокие требования к качеству продукции определяют и предъявляют высокие требования к квалификации контролеров, их обучению и оплате труда [86].

Известны бесконтактные автоматические средства измерения геометрии лопаток ГТД, которые наиболее востребованы современными машиностроительными предприятиями. В частности современные стереоскопические средства контроля отличаются низкой производительностью и малой точностью. Триангуляционные измерительные средства отличаются высокой точностью, достаточной конструктивной сложностью, и как следствие -проигрывают в эффективности. Методы светового сечения отличаются высокой производительностью, но недостаточной точностью в связи с неизученпостью факторов, влияющих на точность, в частности особенности влияния микроструктуры на измерительное изображение и его обработку. В связи с этим сформулируем цель диссертационной работы.

Цель работы - разработать метод и средство бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД, позволяющее проводить быстродействующий и прецизионный контроль.

Основные задачи. Для достижения данной цели требуется решение следующих основных задач:

• Выявить и исследовать основные факторы, влияющие на точность измерений

• Исследовать оптические свойства поверхности лопаток и установить закономерности их влияния на точность измерений

• Разработать алгоритм апостериорной обработки цифрового изображения лопатки ГТД, полученного МСС, позволяющий получить однородный контур и уменьшить погрешность измерения

• Провести измерения геометрических параметров лопатки ГТД, подлежащих контролю по технологической карте предприятий отрасли в реальных производственных условиях

• Провести исследование метрологических характеристик разработанной системы с учетом системы апостериорной обработки изображения и автоматических измерений геометрических параметров

Методы исследования.

Анализ теоретических аспектов исследованных в диссертационной работе проблемы бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД проводился с использованием методов:

Фурье-анализа, аппарата оптических передаточных функций, теории переноса излучения, теории рассеяния света поверхностями с различной микрогеометрией, метода приближения функций, математической статистики, методов цифровой обработки изображения и математического моделирования. Обработка данных проводилась на ЭВМ по стандартным и оригинальным программам, разработанным на языке программирования Delphi 7.0 и в среде MathCAD 11.

Научная новизна заключается в следующем.

В диссертации с единых методологических позиций проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволяющий разработать основы создания высокоточных быстродействующих лазерных измерителей геометрии лопаток ГТД с различной шероховатостью поверхности.

Для этого:

1. Предложена аналитическая модель оптико-электронной системы с использованием аппарата оптических передаточных функций, позволяющая оценить предельную точность системы измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения.

2. Впервые получены зависимости, описывающие закономерности рассеяния света поверхностью лопаток ГТД и предложен метод бесконтактного экспресс-контроля параметра шероховатости поверхности лопаток Ra, основанный на учете пространственного распределения рассеянного света.

3. Предложена математическая модель деформации пространственно-частотного спектра лазерного осветителя шероховатой поверхностью лопатки с использованием теории переноса излучения и получено выражение соответствующей частотно-контрастной характеристики, что позволило получить сквозную передаточную функцию системы.

4. Предложен алгоритм эффективной апостериорной обработки изображения сечения лопатки ГТД с целью устранения шумов, спеклов и бликов, позволяющий получить контрастный однородный уверенно распознаваемый контур.

Новизна технических решений подтверждается заявкой на патент № 2000137113, которая находится в стадии экспертизы по существу во ВНИИГПЭ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод и аппаратура высокоточного многопараметрового автоматического контроля геометрии лопаток ГТД.

2. Математическая модель оптико-электронного тракта системы контроля геометрии лопаток ГТД методом светового сечения с учетом влияния шероховатости их поверхности на качество изображения и проведение оптимизации по критерию максимальной точности.

3. Метод определения параметров лазерного прибора контроля геометрии лопаток ГТД и границы его применимости при контроле шероховатых поверхностей с учетом реального распределения световой чувствительности внутри элемента фотоприемпой системы.

4. Алгоритм цифровой обработки изображения контура лопатки ГТД для подавления шумов и однозначного распознавания.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан пилотный образец системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД. Образец прошел апробацию в условиях ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» и показал хорошие эксплуатационные и метрологические характеристики. Созданный пилотный образец позволяет проводить измерений линейных размеров лопатки с точностью 0.01 мм со скоростью 20 сечений в минуту.

2. Разработан метод бесконтактного измерений параметра шероховатости Ra для широкого класса лопаток ГТД.

3. Разработана универсальная методика юстировки и калибровки системы лазерного контроля лопаток ГТД, которая применима для широкого класса лазерных измерителей геометрии объектов различной формы.

4. Прибор успешно применялся в качестве инструмента управления качеством продукции машиностроительного предприятия ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод». По результатам его применения были разработаны рекомендации по снижению уровня дефектности продукции.

5. Разработана программа апостериорной обработки лазерных изображений контура лопатки ГТД, которая может применяться в системах лазерного измерения геометрии.

6. Методы лазерного освещения и формирования цифрового изображения, представленные в диссертации могут применяться для других объектов контроля.

Реализация результатов. Система лазерного контроля геометрии лопаток ГТД нашла применение на ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и ЗАО НПЦ «Молния».

Отдельные технологические решения успешно использованы в системе лазерного измерения параметров резьбы.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертации, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по неразрушающему контролю и диагностике и получили положительные отзывы на семинарах и конференциях: «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики» (Могилев, 2004); «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005); Литье и металлургия (Минск, 2005); «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (МЭИ, Москва 2005,2006) в 2005 г. получен диплом первой степени за лучшую работу.

Информация о приборе опубликована в каталоге Лазерной Ассоциации РФ. Пилотный образец прибора измерения геометрии лопаток экспонировался на международной выставке «Инновации 2006» на ВВЦ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, приведенных в списке литературы диссертации и автореферате.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования, определяющие защищаемые положения и методики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 108-ти наименований. Текст изложен на 147 страницах, содержит 107 рисунков, 8 таблиц и 102 формулы.

4.7 Выводы по главе

В четвертой главе диссертации:

1. Разработана конструкция пилотного образца прибора контроля профиля лопаток ПКПЛ

2. Подробно описана методика юстировки и калибровки прибора

3. Приведены результаты измерения серии десяти лопаток с применением методов статистического анализа

4. Показана возможность и приведены результаты применения прибора в качестве инструмента управления качеством на машиностроительном предприятии

5. Рассчитана предельная погрешность прибора. Полученная оценка сверху позволяет судить об успешном решении задачи повышения точности разработанного прибора бесконтактного контроля геометрии лопаток ГТД.

Заключение

В диссертационной работе:

1. Выполнен аналитический обзор современных методов и средств контроля геометрии лопаток ГТД. Показано, что наиболее перспективным является метод светового сечения с применением лазеров.

2. Исследованы основные факторы, влияющие на точность измерений. Показано, что точность может быть улучшена посредством учета передаточной характеристики системы при апостериорной обработке изображений лопатки, полученных методов светового сечения.

3. Проведен комплекс теоретических расчетов и экспериментальных исследований, направленных на создание прецизионной системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД, обладающей повышенной точностью и быстродействием

4. Совокупность разработанных методов и средств позволила создать систему лазерного контроля геометрии лопаток ГТД, обеспечивающую снижение погрешности до 0.01 мм и повышений быстродействия до 20 сечений в минуту.

5. На основе разработанной математической модели рассеяния света шероховатой поверхностью получены зависимости, характеризующие индикатрису пространственного распределения отраженного лопаткой света для конкретных параметров шероховатости лопаток.

6. Теоретически и экспериментально показана возможность описания процесса деформации пространственно-частотного спектра лазерного контура с учетом рассеивающих свойств поверхности лопатки и оптических передаточных функций оптико-электроных звеньев лазерного измерителя геометрии. Показано, что выражение оптической передаточной функции шероховатой поверхности лопатки может быть получено с использованием уравнения переноса излучения и получено соответствующее выражение.

7. Теоретически и экспериментально установлена возможность бесконтактного определения параметр микрогеометрии Ra поверхности лопаток с помощью анализа индикатрисы рассеянного света при нормальном падении лазерного луча. Впервые получены экспериментальные результаты по характеристикам пространственного распределения отраженного лопаткой света.

8. Создан многофункциональный стенд для экспериментальных исследований оптической передаточной функции, индикатрисы рассеяния и информационных характеристик оптико-электронных звеньев системы лазерного измерения геометрии. Измерены характеристики реальных звеньев оптико-электронной системы и предложен критерий оптимизации результирующей оптической передаточной функции системы в целом.

9. Предложен алгоритм цифровой фильтрации оптических шумов изображения сечения лопатки, позволяющий получить замкнутый высококонтрастный контур. Разработан алгоритм измерения параметров лопатки ГТД по изображению при проведении бинаризации на участке с максимальной скоростью нарастания ФРЛ для снижения погрешности измерений.

10. Разработан пилотный образец прибора контроля профиля лопаток ПКПЛ, который успешно апробирован ОАО «НФМЗ» и ЗАО «НПЦ МОЛНИЯ». Созданная установка успешно использована в качестве инструмента управлением качества технологического процесса изготовления лопаток.

11. Предложен алгоритм, позволяющий получить высокую точность и стабильность сведения изображений двух стереоканалов. Для этого использован аппарат корреляционного анализа.

12. Разработана методика калибровки, метрологической аттестации и исследования информационных характеристик системы в целом.

Таким образом, в рамках диссертационной работы решена начуно-техническая задача по разработке методов и средств контроля геометрии лопаток ГТД с повышенным быстродействием и точностью, имеющая важное значение для развития экономики, промышленности и повышения обороноспособности страны.

148

1. Beckman P., Spizziehino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces. Oxford: Pergamon Press. 1963.

2. Davies H. The reflection of electromagnetic Waves from a Rough Surface // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. 1954. Vol. 101. P. 3.

3. Houchens. A. F., Hering R. G. Bidirectional Reflectance of Rough Metall Surface// A.I.A.A. Paper Thermophisics Specialist Conference. New Orleans, Louisiana, 1967. N 67-319.

4. Jefferies J. F. Optica Acta, 2,163,1955.

5. Moigne J.L., Tilton J.S. Refining image segmentation by integration of edge and region data, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sencing, vol. 33, № 3,1995. p. 605-615.

6. Perrin A. J. Opt. Soc. Amer., 42, 462,1952.

7. Russ J.C., Dehoff R.T. Practical Stereology, 2nd ed. Kluwer Academic Publishers, 2000. 382p.

8. Strutt J. W. Scientific Papers, 1,215, 1899.

9. US Patent 4 657 394. Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours. 1987.

10. US Patent 4 709 156. Method and apparatus for inspecting a surface. 1987.

11. US Patent 5 003 187. Method and apparatus for surveying the surface of an object by projection of fringe patterns. 1991.

12. US Patent 5 067 817. Method and device for noncontacting self-referencing measurement of surface curvature and profile. 1991.

13. US Patent 5 570 186. Method for inspecting the curvature of a profile, such an edge of a turbine blade. 1996.

14. US Patent 6 509 973. Apparatus for measuring three-dimensional shape. 2003.

15. US Patent 6 574 050. 3D shape-measuring apparatus using biaxial anamorphic magnification. 2003.

16. US Patent 6 697 163. Shape measuring apparatus. 2004.

17. Абламейко C.B., Лагуновский Д.М. Выделение контуров объектов полутоновых изображений на основе локальной бинаризации.: Тез. докл. 2-й научи. техн. конф. «Распознавание образов и анализ изображений». - Минск, 1993. - с. 193-195.

18. Авторское свидетельство СССР № 1037070.

19. Алексеев В., Буковский В., Горшков В. Концепция единой системы управления техническим состоянием авиационных двигателей // Двигатель, 2,2002.

20. Ащеулов А. Т., Павличук Т.А, Хухрина М. Д. УНФ, 4, 88, 1965.

21. Бернштейи А. С., Джохадзе Ш. Р., Перова Н. И. Фотоэлектрические измерительные микроскопы. Б-ка приборостроителя. М., «Машиностроение», 1976. 128 с.

22. Быков И., Кресанов 10. Прогрессивные процессы металлургического производства основа обеспечения высокого качества продукции // Двигатель, 3,2001.

23. Быков Р.Е. Основы телевидения и видеотехники: Учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком. 2006.-399с.

24. Быков Р.Е., Манцветов А. А., Степанов Н. Н., Эйссенгардт Г. А. Преобразователи изображения на приборах с зарядовой связью. М., 1992. - 184 с.

25. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкип В. Методы сжатия данных. М.: Диалог-МИФИ, 2002.

26. Вуколов Э.А. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам. М.: Форум: Инфра-М, 2004.-464 с.

27. Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. М.: Физматлит, 2002.

28. Грузмаи И.С., Киричук B.C. и др. Цифровая обработка изображений в видеоинформациоиных системах. Учеб. пособие. Новосибирск, НГТУ, 2002.

29. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения. -СПб.: Политехника, 2000. 277с.

30. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы) СПб.: Эиергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983.

31. Данилов А. А. Сенсорные устройства автоматов контроля и сборки. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. 162 с.

32. Демкин В.Н., Венедиктов А.З., Доков Д.С. Лазерные методы и средства контроля геометрии деталей // В мире неразрушающего контроля 1, 2004, -с. 67-68.

33. Елисеев Ю.С. Авиационные технологии в производстве энергетических турбин // Аэрокосмический курьер 1,2000.

34. Елисеев Ю.С. Перспективные технологии производства лопаток ГТД //Двигатель, 5, 2001.

35. Елисеев 10., Беляев В., Косой А. Авиационные технологии в энергетике // Двигатель 6, 2001.

36. Елисеев Ю., Митрофанов А., Рогов В., Сычков Г. Электроэрозионная и электрохимическая обработка при производстве деталей ГТД // Двигатель, 2,2003.

37. Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Малиновский К.А., Попов В.Г. Теория эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей. -М.: Высш. шк., 2001. 355с.

38. Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Малиновский К.А., Попов В.Г., Ярославцев Н. Л. Испытание, обеспечение надежности и ремонт авиационных двигателей и энергетических установок. М. МАИ, 2005. - 537 с

39. Иванов А. П. Оптика рассеивающих сред. Минск.: Наука и техника, 1969. - 592 с.

40. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.-СПб.: Физматлит, 2001.

41. Карасик В. Е., Орлов В. М. Лазерные системы видения: Учебное пособие М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

42. Кеткович А.А., Чичигин Б.А. Лазерный профилометр изделий сложной формы // Литье и металлургия 2(34) 2005 Минск, Литье и металлургия, 2005г. - с. 141-142

43. Кеткович А.А., Яковлева Н.И., Чичигин Б.А. Лазерная компьютерная система контроля лопаток газотурбинных двигателей ПКПЛ-1 // Контроль. Диагностика № 3,2007. М., Машиностроение. с. 32-34.

44. Кириллов А. И., Морсков В. Ф., Устинов Н. Д. Дозиметрия лазерного излучения / Под ред. Н. Д. Устинова М.: Радио и связь, 1983.

45. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами М.:Сов.радио, 1978.

46. Креопалова Г. В., Пуряев Д. Т. Исследование и контроль оптических систем. М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.

47. Криксупов Л.З., Мехряков В.И., Найговзин О.И. Частотно временные и пространственно -частотные характеристики оптических модулирующих устройств М.: Машиностроение, 1972. -132с.

48. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудкин К.И. Производство газотурбинных двигателей/ Под. ред. В.В. Крымова. М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2002. 376 с.

49. Кучин А. А., Обрадович К. А. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. Л.: Машиностроение. Ленипгр. отд-пие, 1981. - 197 с.

50. Лазерные измерительные системы / А.С. Батраков, М. М. Бутусов, Г П. Гречка и др.; Под. ред. Д. П. Лукьянова. -М.: Радио и связь, 1981. 456 с.

51. Леховицер В., Липский Е., Балушок К. Новые технологии ускоренного получения заготовок лопаток авиадвигателей на базе систем быстрого прототипирования // Двигатель, 3,2001.

52. Лысенко Н.В. Анализ и синтез видеоинформационных систем. Учеб. пособие. СПб.: СПб ГЭТУ, 2002.-94 с.

53. Машиностроение. Справочник. Неразрушающий контроль:. Под ред. В.В.Клюева. Т. 6 Кн. 2: Оптический контроль./ В.Н. Филинов, А.А. Кеткович, М.В. Филиппов. М.:, 2004. - 832 с.

54. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. Сойфера. М.: Физматлит, 2003. -784с.

55. Миано Дж. Форматы и алгоритмы сжатия изображений в действии. Учеб. Пособ. М.: Изд-во Триумф, 2003.-336 с.

56. Мурашко Н.И., Авраменко И.Г., Кулешов А.Я. Технология дешифрирования изображений дистанционного наблюдения // Цифровая обработка изображений. Минск: Ин-т техн. Кибернетики НАН Беларуси, 1998. - с. 153 - 161.

57. Мусьяков М.П., Миценко И.Д., Ванеев Г.Г. Проблемы ближней лазерной локации: Учеб. пособие для втузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 295 с.

58. Недзьведь A.M., Абламейко С.В. Полутоновое утонынение цветного изображения // Цифровая обработка изображений. Минск: Ин-т техн. Кибернетики НАН Беларуси, 1998.-е. 41 -51.

59. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под. ред. В.В. Клюева. -М.Машиностроение, 1995.-488 с.

60. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. пособие / Б. Н. Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф. Р. Соснин; Под ред. В. В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1992.

61. Оценка качества оптического изображения. Под ред. О. А. Герасимовой. Геодезиздат, М., 1959.

62. Пантелеев В.Г., Егорова О.В., Клыкова Е.И. Компьютерная микроскопия. -М.: Техносфера, 2005.-304 с

63. Патент РФ № 1 582 796. Способ триангуляционных измерений. 1995.

64. Патент РФ № 2 065 570. Электронно-проекционный способ измерения формы и перемещений поверхности объекта. 1996.

65. Патент РФ № 2 105 265. Способ определения геометрических параметров детали и устройство для его осуществления. 1998.

66. Патент РФ № 2 176 071. Устройство для контроля геометрических параметров лопаток лопаточной решетки машины. 2001.

67. Патент РФ № 2 191 348. Бесконтактный трехкоординатный измеритель. 2002.

68. Патент РФ № 2 199 716. Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов. 2003.

69. Патент РФ № 2 199 717. Устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов 2003.

70. Патент РФ № 2 199 718. Устройство для бесконтактного контроля и распознавания поверхностей трехмерных объектов. 2003.

71. Патент РФ № 2 211 440. Способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта.

72. Патент РФ № 2 247 319. Система контроля износа вагонных колесных пар.2005.

73. Патент РФ № 2 254 555. Оптоэлектронное устройство контроля геометрических параметров лопаток. 2005.

74. Патент РФ № 2 260 173. Способ определения параметров трехмерного объекта. 2005.

75. Перрен Ф. Методы оценки фотографических систем // Успехи Физических паук. 1962, Т. LXXVII. с. 307-344.

76. Пилипович В. А., Есман А. К., Поседько В. С. Многоэлементные фотоприемники в преобразователях перемещений Мн.: Наука и техника, 1991. - 182 с.

77. Прайор Т.Р., Эрф Р.К., Гара А.Д. Применение лазеров для метрологии, контроля и машинного зрения в промышленности // ТИИЭР, т. 70, № 6, июнь 1982.

78. Предко К. Г. Воспроизведение оптического изображения рассеивающими люминесцирующими слоями. Препринт.Минск, НИИПФ АН БССР, 1986. 61 с.

79. Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. 1072 с.

80. Рабинович А. Н. Приборы и системы автоматического контроля размеров деталей машин -Мн.: Техника, 1970.

81. Рис У.Г. Основы дистанционного зондирования.- М.: Техносфера, 2006. -336 с.

82. Рыбников А.И., Можайская Н.В., Крюков И.И., Круковский П.Г., Тадля К.А, Коларик В., Хуец-Лоренцо М. Определение ресурса металлических защитных покрытий для лопаток ГТУ // Тяжелое Машиностроение № 10,2002. с. 42-46.

83. Сергеенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2002. 608с.

84. Скибин В., Соловьев В. Перспективы и проблемы развития авиационного двигателестроепия в России // Двигатель 1, 1999.

85. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет, М. Гостехиздат, 1956. -350с.

86. Старовойтов В.В. Локальные геометрические методы цифровой обработки и анализа изображений. Минск: Ин-ттехн. Кибернетики НАН Беларуси, 1997.

87. Столниц Э., ДеРоуз Т., Салезип Д. Вейвлеты в компьютерной графике. Теория и приложения. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.

88. Тихонов А. Н., Арсении В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974.

89. Топорец А. С. Оптика шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение. Лепингр. отд-пие, 1988.-191 с.

90. Филинов М.В., Фурсов А.С. Цифровое восстановление изображений в оптической микроскопии // Контроль. Диагностика. 1,2004. с.44-49.

91. Форсайт Д.А., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. М.: Изд. Дом «Вильяме», 2004.

92. Фурман Я.А. Введение в контурный анализ и его приложения к обработке изображений и сигналов. М.: Физматлит, 2002.

93. Цеснек Л. С., Сорокин О. В., Золотухин А. А. Металлические зеркала. М.: машиностроение, 1983.-231 с.

94. Цифровое преобразование изображений: Учеб. пособие для вузов /. Быков Р.Е, Фрайер Р., Иванов К. В., Манцветов А. А.; Под. ред. профессора Быкова Р. Е. М.: Горячая линия -Телеком, 2003.-228 с.

95. Чичигин Б.А., Кеткович А.А. Лазерная установка контроля геометрии сложных форм // Тезисы докладов семнадцатой российской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика». Екатеринбург, ИМАШ, УрО РАН, 2005 с. 173

96. Чуйков В. Авиационное двигателестроение России опора развития экономики страны // Двигатель 1, 1999.

97. Шапиро Л., Стокмап Дж. Компьютерное зрение. М.:БИНОМ, 2006. - 752 с.

98. Шрёдер Г., Трайбер X. Техническая оптика. М.:Техносфера, 2006. 424с.

99. ШтаркГ.Г. Применение вейвлетов для ЦОС.-М.: Техносфера, 2007. 192 с.

100. Шульман М. Я. Измерение передаточных функций оптических систем, Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. 208 с.

101. Яне Б. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2007. - 584 с.154