Разработка системы непрерывного контроля шероховатости поверхности для повышения эффективности технологии лазерного полирования авиационных деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат наук Орешкин, Олег Михайлович

• Орешкин, Олег Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Орешкин, Олег Михайлович

Оглавление

Введение

Глава 1. Исследование технологического процесса лазерного

полирования для определения критериев выбора метода оценки шероховатости

1.1. Современные технологические процессы финишной обработки

1.2. Технологический процесс лазерного полирования

1.3. Требования, предъявляемые к методу оценки шероховатости

1.4. Микрогеометрия поверхности

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Анализ современного состояния развития методов оценки шероховатости на производстве. Выбор метода оценки шероховатости для разработки системы непрерывного контроля шероховатости

2.1. Классификация современных методов оценки шероховатости

2.2. Контактная профилометрия

2.3. Бесконтактные методы оценки шероховатости

2.4. Выбор метода оценки шероховатости

2.5. Патентный поиск

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Моделирование рассеяния лазерного излучения на шероховатых металлических поверхностях

3.1. Задача моделирования. Допущения модели

3.2. Описание параметров модели

3.3. Исследование параметров светорассеяния

3.4. Исследование зависимости полуширины светорассеяния от стандартизованных параметров шероховатости

3.5. Формирование ограничения по оценке шероховатости сложных поверхностей

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Проектирование опытного образца системы непрерывного контроля шероховатости

4.1. Структура системы непрерывного контроля шероховатости

4.2. Реализация блока измерения системы непрерывного контроля шероховатости

4.3. Реализация блока анализа системы непрерывного контроля шероховатости

4.4. Терминальный блок. Коммуникация с системой ЧПУ

4.5. Выводы по главе

Глава 5. Исследование работы системы непрерывного контроля шероховатости на установке «ТС-300 Лазер»

5.1. Описание модельных поверхностей, профилограмм и топограмм

5.2. Коррекция параметров съемки и анализа изображений

5.3. Описание процесса измерения

5.4. Проверка работы системы на модельных поверхностях

5.5. Анализ результатов работы системы непрерывного контроля шероховатости на модельных поверхностях

5.6. Контроль брака технологического процесса лазерного полирования с помощью системы непрерывного контроля шероховатости

5.7. Исследование ортотропии шероховатости с помощью системы непрерывного контроля шероховатости

5.8. Оценка шероховатости при обработке поверхности сложной формы

5.9. Повышение производительности лазерного полирования после внедрения системы непрерывного контроля шероховатости при многопроходной обработке

5.10. Оценка повышения эффективности технологического процесса лазерного полирования

5.11. Выводы по главе

Выводы по работе

Заключение

Список сокращений

Литература

Приложение А. Подбор компонентов системы анализа СНКШ

Приложение Б. Параметры шероховатости на модельных образцах

Приложение В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Лазер-Контроль

Приложение Г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Лазер-Синхрон

Приложение Д. Акт внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы непрерывного контроля шероховатости поверхности для повышения эффективности технологии лазерного полирования авиационных деталей»

Введение

Актуальность темы исследования

Авиационная промышленность - одна из самых наукоемких и ресурсоемких отраслей отечественного машиностроения [1]. Для обеспечения высокой надежности узлов и деталей летательных аппаратов (ЛА) к технологическим процессам (ТП) в авиационной промышленности предъявляются самые высокие требования. По мере усовершенствования и усложнения конструкции ЛА перед разработчиками постоянно ставится задача по повышению эффективности и производительности технологического оборудования. Появляются новые ТП, отвечающие современным требованиям по качеству обработки и производительности. Одним из таких процессов является лазерное полирование (ЛП) - перспективный процесс финишной обработки деталей сложных форм1 (рис. 1), таких как: лопатки газотурбинных двигателей (ГТД), корпусные детали сложной формы, и т. д. [2, 75]. Помимо этого, лазерное полирование находит своё применение в обработке металлических поверхностей, полученных с помощью быстро развивающейся аддитивной технологии селективного лазерного плавления (SLM-технологии). С помощью ЛП обрабатываются материалы, распространенные в авиастроении, в частности, титановые сплавы, а также металлические покрытия [76]. Подробнее о современном состоянии финишной обработки металлических поверхностей, а также особенностях и преимуществах ЛП см. п. 1.1 и 1.2.

1 Здесь и далее под деталью сложной формы понимается деталь, имеющая поверхность или поверхности сложной формы, т. е. поверхности, отличные от плоской, конической, цилиндрической либо сферической.

Можно выделить три основных направления, в которых ведутся работы по развитию ТП ЛП:

1. увеличение производительности ТП за счет разработки новых алгоритмов движения лазерного луча и создания новых профилей распределения интенсивности лазерного луча;

2. совершенствование алгоритмов по обработке поверхностей сложной формы;

3. повышение качества обработки поверхности, обеспечение стабильного качества по всей площади обрабатываемой поверхности.

-к

Рисунок 1 - Применение лазерного полирования для финишной обработки

авиационных деталей.

В процессе проведения работ по ЛП оказалось, что результат обработки может находиться за рамками заданного диапазона по ряду причин, а именно:

• в процессе работы может возникнуть кипение ванны расплава, вследствие этого необходимо иметь систему раннего предупреждения о возникающем браке (рис. 2а);

• в процессе работы шероховатость обработанной поверхности может меняться вследствие общего разогрева тела детали (рис. 2б);

• шероховатость после полирования зависит от начального состояния поверхности, которое, например, после механообработки далеко не всегда одинаково на разных участках [3, 4] (рис. 2в);

• при обработке деталей, полученных с помощью аддитивных технологий, шероховатость поверхности которых может уменьшаться после ЛП в 5^20 раз (рис. 2г) за несколько проходов [3]. Для принятия решения о количестве проходов необходим мониторинг шероховатости после каждого прохода.

(а)

(б)

(в) (г)

Рисунок 2 - Предпосылки для ввода непрерывного контроля шероховатости

(пояснения в тексте).

Из вышеуказанных причин следует, что для обеспечения стабильности ТП ЛП требуется непрерывный мониторинг шероховатости в процессе обработки. Для обеспечения мониторинга установка для ЛП должна быть оснащена специальной системой непрерывного контроля шероховатости (СНКШ).

Внедрение СНКШ позволяет своевременно оценить достигнутый уровень шероховатости и при необходимости изменить технологические параметры либо

заранее прекратить обработку, повышая производительность процесса обработки серии деталей за счет уменьшения времени обработки бракованной детали.

Современный этап развития технологий предполагает автоматизацию ТП, в том числе создание ТП с обратной связью по качеству обработки [5]. Особенно актуальна такая схема управления для ТП, для которых в силу большого количества управляющих параметров проблематично разработать адекватную математическую модель, а также там, где велико количество возмущающих факторов, влияющих на качество обработки. К таким процессам относится ЛП. Создание системы автоматического управления ТП ЛП - комплексная проблема, которая требует решения несколько научных задач, а именно:

• задачи по оценке качества поверхности в процессе обработки. То есть разработки системы непрерывного контроля шероховатости (СНКШ), позволяющей давать информацию о качестве ЛП в процессе обработки.

• задачи по разработке математической модели системы автоматического управления, соответствующей реальному ТП ЛП.

• задачи по проектированию системы автоматического управления и её внедрению в ТП ЛП.

В рамках данной работы решается задача по разработке СНКШ, обладающей достаточным быстродействием для её включения в контур обратной связи перспективной системы автоматического управления ТП.

При разработке СНКШ для ТП ЛП необходимо определить требования к ней по ряду критериев: быстродействие, точность, чувствительность к внешним воздействиям, воздействие на исследуемую поверхность, возможность оценивать шероховатость поверхности сложной формы, стоимость. На основании данных требований следует выбирать метод оценки шероховатости для реализации СНКШ.

Подробно сравнительный анализ методов определения шероховатости дан в главе 2. По результатам библиографического обзора:

• не найдено реализованной системы по определению качества поверхности в процессе обработки [84].

• выбран метод, который наилучшим образом отвечает требованиям, предъявляемым ТП ЛП, - скаттерометрический метод оценки шероховатости.

Степень проработки темы исследования

Для решения поставленных в работе задач проведен анализ работ ученых, внесших весомый вклад в изучение объекта исследования. Известны работы А. Григорьянца, А. Сафонова, В. Вейко, E. Willenborg, A. Temmler, E. Ukar, V. Bordachev, посвященные исследованию процесса ЛП. Вопрос оценки шероховатости поверхности в процессе финишной обработки рассмотрен в работах К. Кима, D. Whitehouse, J. Harwey, P. Lehmann, A. Schöne и др.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является обеспечение стабильности технологического процесса лазерного полирования авиационных деталей за счет введения в него непрерывного контроля шероховатости по поверхности.

В соответствии с поставленной целью на основе анализа ТП ЛП в работе решены следующие задачи:

1. выбор и обоснование метода оценки шероховатости;

2. проверка применимости выбранного метода оценки шероховатости с использованием математического моделирования;

3. проектирование опытного образца СНКШ на основе выбранного метода оценки шероховатости;

4. анализ работы опытного образца СНКШ на установке ЛП;

5. модернизация ТП при использовании СНКШ для обеспечения стабильности ЛП.

Научная новизна работы заключается в полученных в ходе её выполнения результатах:

• построена математическая модель процесса светорассеяния направленного оптического излучения на поверхностях, полученных с помощью ЛП;

• в рамках математического моделирования определен параметр полуширины светорассеяния; корреляция полуширины светорассеяния со стандартизованными параметрами шероховатости подтверждена как теоретически, так и экспериментально;

• экспериментально подтверждены следующие возможности СНКШ:

1. контроль технологии ЛП авиационных деталей в диапазоне значений шероховатости, характерных для ТП ЛП;

2. определение ортотропии шероховатости поверхности, полученной с помощью ЛП;

3. оценка шероховатости поверхности на детали сложной формы (лопатка) в процессе обработки.

Практическая значимость работы состоит в разработке бесконтактной СНКШ, как вспомогательного средства осуществления ТП ЛП авиационных деталей, и её внедрении на установку для ТП ЛП, что позволяет обеспечить стабильность качества обработки, а также является частью решения проблемы по созданию контура обратной связи по качеству обработки для ТП ЛП. Результаты, полученные в рамках работы, использованы при составлении технологических рекомендаций № 1.4.2390-2016.

Разработанная СНКШ позволяет оценить шероховатость по поверхности, а не по профилю, как ряд традиционных методов измерения. Измерение шероховатости по поверхности дает более полную информацию о качестве поверхности, поскольку не всегда можно правильно оценить направление

измерения шероховатости. Это особенно важно для экспресс-метода оценки, когда нужно принять решение о повторной обработке либо изменении параметров обработки. Разработанная СНКШ позволяет оценить шероховатость поверхности сложной формы.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы планирования эксперимента, корреляционного и статистического анализа, гармонического анализа. При экспериментальном исследовании применялись профилометрический и интерферометрический методы измерения шероховатости. Математическое моделирование проводилось с помощью пакета МА^АВ. Программное обеспечение написано с использованием ЦМЬ-моделей.

Положения, выносимые на защиту:

1. модель светорассеяния ЛИ на шероховатых металлических поверхностях;

2. разработанный опытный образец бесконтактной СНКШ на основе скаттерометрического метода для измерения в процессе ЛП;

3. результаты внедрения СНКШ на установку для ЛП.

Степень достоверности и апробация результатов

Обоснованность полученных в диссертационной работе закономерностей и характеристик, а также достоверность результатов исследований основана на использовании общепринятых методов и методик планирования и проведения экспериментальных исследований, применении сертифицированных средств измерений, современных методов и продуктов программного обеспечения. Полученные результаты согласованы с известными теоретическими положениями. Проведена статистическая обработка данных эксперимента. Достоверность разработанных способов контроля состояния поверхности подтверждена экспериментально.

Основные положения работы опубликованы в 17 научных работах, докладывались на 4 научно-технических конференциях.

Результаты работы используются в опытном производстве ОАО НИАТ.

Глава 1. Исследование технологического процесса лазерного полирования для определения критериев выбора метода оценки шероховатости

1.1. Современные технологические процессы финишной обработки

Для финишной обработки металлических поверхностей известен ряд ТП. Например, для плоских, цилиндрических и сферических поверхностей широко применяется механическое шлифование с помощью абразивных материалов [6]. Также известен ТП виброполирования, при котором поверхность детали подвергается вибрационному воздействию множества мелких абразивных элементов, имеющих различную форму. При воздействии элемента на поверхность происходит равномерный съем микронеровностей поверхностного слоя и уменьшается шероховатость [7]. В ряду альтернативных ТП также следует упомянуть электрохимическое полирование. При электрохимическом полировании деталь погружается в раствор электролита и поверхностный слой металла удаляется путем электролиза при пропускании через раствор электрического тока, при этом деталь является одним из электродов [8]. Химическое полирование является сходным ТП по отношению к электрохимическому полированию, однако в данном случае поверхностный слой удаляется химически без использования электрического тока [8]. Электроэрозионная обработка также используется для полирования металлических поверхностей. При электроэрозионной обработке используется катод-инструмент, анодом выступает обрабатываемая заготовка [9]. При возникновении импульсного электрического разряда между катодом и анодом поверхность заготовки эродируется (изнашивается), т. е. происходит съем поверхностного слоя под действием электрического разряда. Для традиционных методов финишной обработки характерна низкая производительность, особенно при полировании деталей сложной формы [3, 10], которые во многих случаях могут быть обработаны только вручную. Кроме того, большинство существующих методов улучшают качество поверхности за счет съема поверхностного слоя

детали [3, 11], что не всегда приемлемо, особенно для прецизионной обработки и обработки деталей с острыми кромками.

1.2. Технологический процесс лазерного полирования

ЛП стало активно развиваться в качестве самостоятельного ТП отдельно от других процессов лазерной обработки: очистки, упрочнения, маркировки и др. -в 80-х годах XX в. [12]. Однако, невысокая производительность наряду с дороговизной промышленных лазеров затормозили развитие технологии вплоть до начала 2000-х годов. Появление сравнительно дешевых волоконных лазеров, развитие сканаторов - низкоинерционных систем отклонения лазерного луча -, развитие систем ЧПУ позволило ТП ЛП конкурировать с альтернативными процессами финишной обработки.

К преимуществам ЛП относится:

• возможность обработки поверхностей сложной формы. Развитие современных систем ЧПУ позволяет обрабатывать поверхности сложных форм аналогично многокоординатной механообработке [2, 73];

• автоматизация обработки. Процесс создания управляющей программы обработки может быть построен на тех же принципах САМ/САЕ-программирования, что и в современной механообработке, а значит, может быть легко встроен в существующую технологическую цепочку предприятия [2, 74];

• отсутствие съема материала в процессе обработки. Вес и форма детали остаются без изменений [13, 75]. При прецизионной обработке не нужно давать допуск на финишный съем поверхностного слоя;

• возможность обработки всей поверхности детали, в т. ч. тех карманов и поднутрений, к которым может быть обеспечен доступ лазерного луча (вплоть до внутренней поверхности труб). Кроме того, в отличие от других ТП, ЛП позволяет

обрабатывать не всю деталь, а только выбранные зоны на поверхности (т. н. селективное полирование) [13].

Производительность ТП ЛП сложных форм выше, чем аналогичный процесс ручного механического полирования и составляет 1^60 см2/мин [4]. Шероховатость после ЛП по параметру Ra находится на уровне 0,05^0,5 мкм в зависимости от исходного уровня шероховатости и материала [4].

1.2.1. Основы технологического процесса лазерного полирования

Процесс ЛП заключается в воздействии на поверхность детали ЛИ высокой мощности с длиной волны в ближнем ИК-диапазоне (1050^1070 нм). Под действием ЛИ на поверхности детали образуется ванна расплава диаметром, соответствующим диаметру лазерного луча, и глубиной до 100 мкм.

Обработка происходит следующим образом. На поверхности детали за счет поглощения энергии ЛИ формируется ванна расплава [4, 7, 13]. Лазерный луч диаметром dL и мощностью Рм сканирует поверхность с установленной подачей Узст и шагом сканирования dy (рис. 3).

Лазерный

Рисунок 3 - Схематичное представление ТП ЛП.

Шероховатость уменьшается под влиянием сил поверхностного натяжения при застывании ванны расплава. В результате переплавленный поверхностный слой имеет меньшую шероховатость, чем исходная поверхность [77] (рис. 4). Кроме того, при амплитудной модуляции мощности лазерного излучения, можно уменьшать не только шероховатость, но и волнистость поверхности [78, 79, 80]. В

общем случае в процессе обработки происходит модификация целого комплекса физико-механических характеристик поверхностного слоя детали, который включает в себя шероховатость, фазовый состав, микротвердость, остаточные напряжения. В данном исследовании для оценки качества обработки используются параметры шероховатости, поскольку именно она является важным критерием качества обработки и может меняться в широком диапазоне в зависимости от режима обработки. Шероховатость поверхности после обработки контролируется с помощью лабораторного оборудования: контактного профилометра либо интерферометра белого света по стандартизованным параметрам шероховатости, описанным в п. 1.4.2.

Рисунок 4 - Схематичное изображение уменьшения шероховатости в процессе ЛП.

Все исследования проведены на установке для ЛП «ТС-300 Лазер». Установка разработана и изготовлена в ОАО НИАТ (рис. 5) [14, 81]. Она представляет собой модифицированный обрабатывающий центр «МС-300-5» [15] с кинематической схемой XYZBC. В качестве рабочего органа на установке используется сканатор - устройство для отклонения лазерного луча, имеющее дополнительные координаты Х1, Y1 и Z1. Всего установка

«ТС-300 Лазер» обладает восемью координатами (пять в станочном комплексе и три в сканаторе) [82, 83].

Рисунок 5 - Установка для ЛП металлических поверхностей «ТС-300 Лазер».

Для защиты поверхностного слоя от воздействия атмосферы лазерная обработка (ЛО) проводится в специальной газозащитной камере, где защитной средой выступает инертный газ (аргон). Стенки камеры, через которые проходит лазерный луч, сделаны из боросиликатного стекла с просветляющим покрытием на длине волны 1070 нм, соответствующей длине волны рабочего лазера.

1.2.2. Система управления технологическим процессом лазерного полирования

Рассматривая любой ТП как объект управления [16] (рис. 6), необходимо принимать во внимание возмущение f вектора входных параметров процесса g, влияющих на вектор выходных переменных (выходной вектор) у. Для ТП выходной вектор у определяет качество обработки (рис. 6). Степень влияния возмущений на выходной вектор может оказаться непредсказуемой. Система с обратной связью позволяет варьировать параметры обработки автоматически, основываясь на оценке качества обработки в рамках ТП, что позволяет минимизировать влияние возмущающих факторов.

Рисунок 6 - Общая блок-схема системы автоматического управления [16]. g - вектор входных параметров, и - вектор управляющих параметров, у - вектор выходных параметров, f - возмущающие факторы, ОУ - объект управления ТП,

УУ - устройство управления.

Схемы системы управления установки «ТС300-Лазер» показаны на рис. 7а. Особенностью данной системы управления является наличие геометрических и физических осей [17, 88]. С помощью геометрических осей происходит управление движением лазерного луча относительно обрабатываемой детали, с помощью физических - управление параметрами ЛИ. Поскольку в системе отсутствует обратная связь, система управления не имеет никакой информации о качестве обработки.

ПЛК

Генератор управляющего сигнала

Система оценки шероховатости

ОС

I

УУ

Ядро системы ЧПУ

Исполнительные органы физических осей г Исполнительные органы геометрических осей

Обрабатываемая поверхность (ОУ) ^-

(а) ................................................................................................(б)......................................................................

Рисунок 7 - Блок-схема системы управления установкой «ТС300-Лазер» без контура обратной связи (а) и с контуром обратной связи (б).

g

f

у

и

и

На рис. 7б представлена блок-схема перспективной системы управления с контуром обратной связи. В данной структуре система управления получает от СНКШ информацию о качестве обработки, т. е. вектор у, который можно использовать для генерации сигнала обратной связи.

1.3. Требования, предъявляемые к методу оценки шероховатости

При разработке СНКШ необходимо определить метод оценки шероховатости, который может быть применен для внедрения на установку для ЛП. В соответствии с особенностями ТП ЛП при анализе методов к ним должны быть предъявлены следующие требования:

• требования к шероховатости измеряемых поверхностей: СНКШ должна быть способна различать качество металлических поверхностей, обработанных с помощью ЛП. Шероховатость таких поверхностей в соответствии с [18] находится в пределах по параметру Ra = 0,1-2 мкм, по параметру Sm = 50-500 мкм.

• требования по быстродействию СНКШ: в рамках поставленной задачи СНКШ должна обеспечивать такое быстродействие, которое позволит оператору установки оценить состояние поверхности детали в процессе обработки и принять соответствующее решение (прекратить обработку, изменить параметры обработки). Помимо этого, СНКШ должна отвечать критерию быстродействия, предъявляемого каналом передачи контура обратной связи.

Контур обратной связи предполагает использование программируемого логического контроллера (ПЛК) в составе системы ЧПУ (рис. 7б). Рассчитать максимальную частоту передачи данных о состоянии поверхности можно, отталкиваясь от значения минимального времени выполнения основного цикла микропрограммы ПЛК, через который замыкается контур обратной связи. Для контроллеров Siemens SIMATIC это время составляет tOB1 = 30 мс, поэтому максимальная частота сигнала для контура обратной связи составляет:

/ = = 33Гц. (1)

£ов1

Минимальное быстродействие должно определяться при решении проблемы создания контура обратной связи, учитывая требования к скорости изменения параметров обработки. Поэтому в данной работе выбор метода оценки шероховатости подбирался, исходя из критерия быстродействия, близкого к максимальному (33 Гц).

• требования к форме определяемых деталей: ТП ЛП занимает свою нишу в финишной обработке металлических деталей благодаря возможности обработки деталей сложной формы. Соответственно, СНКШ также должна иметь возможность оценивать шероховатость деталей на поверхностях, форма которой отлична от плоской;

• требования к условиям работы СНКШ: При оценке шероховатости с целью разработки контура обратной связи необходимо, чтобы СНКШ производила измерение шероховатости уже обработанной поверхности как можно ближе к текущему положению ванны расплава. Это означает, что движение системы измерения должно быть синхронизировано с движением лазерного луча. Стандартные значения скорости У^ш при обработке составляют 500-2000 мм/мин [13]. Ванна расплава движется вслед за движением луча, последовательно покрывая всю поверхность детали. Следовательно, СНКШ также должна иметь возможность измерять шероховатость всей поверхности детали. Помимо светового воздействия обработка ЛИ обеспечивает локальный нагрев детали до температуры плавления металла, что может повлиять на систему измерения, располагающуюся в непосредственной близости от ванны расплава. Кроме того, СНКШ (в первую очередь, блок измерения) должна помещаться в пределы рабочей зоны установки и не препятствовать обработке детали; необходимо учитывать, что измерения должны проводиться при закрытой газозащитной камере.

Условия производства предполагают наличие различных источников помех, которые могут влиять на процесс измерения шероховатости: механических (СНКШ должна быть устойчива к вибрациям, возникающим при работе установки для ЛП во время перемещения детали и от других установок, работающих рядом), электромагнитных (засветка от внешнего освещения, возможные электромагнитные наводки), акустических (уровень шума в условиях производства может достигать 80^100 дБ [19]). Кроме того, возможность работать в условиях производства подразумевает относительную простоту измерения и настройки СНКШ;

• требования к стоимости СНКШ: стоимость изготовления СНКШ без учёта затрат на разработку опытного образца должна соответствовать стоимости современных контактных профилометров.

1.4. Микрогеометрия поверхности

1.4.1. Терминология. Классификация поверхностей

При изучении методов оценки шероховатости металлических поверхностей, в первую очередь, следует определить терминологию касательно предмета измерения, то есть микрогеометрии поверхности (текстуры).

Текстурой поверхности называется совокупность всех неровностей поверхности, размер которых в заданной точке определяется отклонением фактической границы реальной поверхности в данной точке от номинальной [20]. Профилем поверхности называется линия пересечения поверхности с плоскостью. Профиль, равно как и сама текстура, с помощью преобразования Фурье может быть преобразован в спектр - распределение профиля по гармоническим компонентам. На спектре профиля можно выделить следующие компоненты текстуры (рис. 8) [21]:

• шероховатость - микронеровности в коротковолновом участке спектра текстуры, которые обычно вызваны зернистостью материала, высокочастотными

флуктуациями параметров обработки. При ЛП на шероховатость влияет нестабильность ванны расплава, шаг сканирования;

• волнистость - микронеровности большей длины волны, чем шероховатость. Например, в металлообработке волнистость может возникать из-за слишком большого шага фрезерования либо вибраций режущего инструмента;

• погрешность формы - самая длинноволновая часть в спектре профиля, которая может быть обусловлена погрешностью станочного комплекса либо технологическими ошибками.

Щ 5

(В

31

-е- >•

»! £ &

0,5

г~] /—Л / Погрешность / формы

V У V .

Длина волны

Рисунок 8 - Характеристики передаточных функций фильтров, вычленяющих профили шероховатости и волнистости согласно [22]. Более длинноволновая часть относится к погрешностям формы. Хс, ^ - граничные частоты фильтров

шероховатости и волнистости.

При ЛП используется луч диаметром 0,2-1 мм, поэтому такая обработка влияет только на шероховатость поверхности, слабо влияя на волнистость и не влияя на погрешность формы [7]. СНКШ необходимо разрабатывать, исходя из возможности контроля именно шероховатости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Орешкин, Олег Михайлович, 2017 год

Литература

1. Б.С. Денисов, А.И. Мейлах. Сварка в самолетостроении. Сварные конструкции МИГов. - М.: Русавиа, 2007. - 360 с.

2. R. Ostholt. Laserpolieren metallischer Freiformflachen // Dissertation. - RWTH. -Aachen. - 2011. - 167 S.

3. E. Willenborg. Polieren von Werkzeugstahlen mit Laserstrahlung // Dissertation. -RWTH. -Aachen. - 2005.

4. C. Nusser, J. Kumstel, A. Diatlov. Process- and Material-Induced Surfaces Structures during Laser Polishing // 1st Conference on Laser Polishing LaP -2014.

5. М.В. Жиров, В.В. Макаров, В.В. Солдатов. Идентификация и адаптивное управление технологическими процессами с нестационарными параметрами // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2011. - 203 с.

6. В.В. Лоскутов. Шлифование металлов // М.: МАШГИЗ. - 1962. - 280с.

7. A. Yabuki, M.R. Baghbanan, J.K. Spelt. Contact forces and mechanisms in a vibratory finisher // Wear. - no. 252. - 2002. - p. 635-643.

8. С.Я. Грилихес. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Изд-е 5-е, перераб. и доп // Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. - 1983 г. - 101 с.

9. В.А. Валетов, В.В. Медунецкий. Характерные особенности формирования функциональных поверхностей пресс-форм на электроэрозионном оборудовании для изготовления конструкционных элементов приборов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - № 4(97) - 2012 г. - с. 342-346.

10.Ji Zhao et al. An oblique ultrasonic polishing method by robot for free-form surfaces // International Journal of Machine Tools & Manufacture - no. 40. - 2000. - p. 795808.

11.A. Kuhm. The electropolishing of titanium and its alloys // Metal Finishing. - Vol. 102. - Iss. 6. - 2004. - p. 80-86.

12.А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. Методы поверхностной лазерной обработки. Книга 3 // Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1987. - 191с.: ил. - Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.3.

13.A. Temmler, E. Willenborg, K. Wissenbach. Design Surfaces by Laser Remelting // Physics Procedia. - 2011.

14.В.В. Плихунов и др. Установка для получения наноструктурированных слоев на поверхности сложнопрофильных деталей методом лазерно-плазменной обработки. - Патент РФ №2463246. - 2012.

15.В.В. Плихунов, И.С. Шлесберг, А.В. Коваленко. Функциональные возможности систем ЧПУ и перспективы их применения на современном машиностроительном производстве // Авиационная промышленность. - 2007. - №1. - С. 42-46.

16.Т.П. Ким. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. - М.: ФИЗМАТЛИТ - 2003г. - 288с.

17.А.В. Коваленко. Концепция универсальной системы ЧПУ для современного технологического оборудования // Авиационная промышленность. - 2011.- № 4.-с. 36-41.

18.ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

19.СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы.

20.ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Термины и определения.

21.J.B. Taylor, A.L. Carrano, S.G. Kandlikar. Characterization of the effect of surface roughness and texture on fluid flow—past, present, and future // International Journal of Thermal Sciences. - 2006. - no. 45. - pp. 962-968.

22.ГОСТ Р ИСО 4287-2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Профильный метод. Термины, определения и параметры структуры поверхности. 23.S. Patzelt, F. Horn, G. Goch. Fast Optical Roughness Measurement of Specular Reflecting Surfaces in the Nanometric Range // XVIII IMEKO World Congress. Metrology for Sustainable Development. - 2006

24.ГОСТ Р ИСО 25178-2-2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Ареал. Часть 2. Термины, определения и параметры структуры поверхности.

25.VDA 2009. Angle-resolved light scattering measurement. VDA-Recommendations - 2010.

26.R. Leach. Optical Measurement of Surface Topography // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2011. - 333 p.

27.D.J. Whitehouse. Handbook of Surface and Nanometrology // IOP Publishing Ltd. - 2003.

28.Электронный ресурс. MiniProfiler. Breitmeier Messtechnik GmbH. Brochure. http://www.ats-

global.com/storage/downloads/BMT%20MiniProfiler%20Brochure.pdf 29.Электронный ресурс. Online roughness measurement SORM 3plus. http://www.emg-automation.com/en/automation/qs-systems/online-roughness-measurement-sorm-3plus. 30.H. Hartman, A. Casajus and U. Richter. On-line measurement of mechanical, optical properties and roughnessparameters // Revista de Metalurgia. Madrid - Vol Extr -2005 - pp. 74-82.

31.Электронный ресурс. Novacam Technologies. Surface Characterization and Roughness Measurement with Low-Coherence Interferometry. Application Note

for Industry. 2011.

http://www.novacam.com/pdf/app-note_Novacam_roughness_rev_1-2.pdf

32.Электронный ресурс. Alicona Imaging. IFSensor-R25. Datasheet. http://www.alicona.com/home/fileadmin/alicona/pdfs/Alicona_IF-SensorR25_Stable_3D_measurement_sensor_for_production_EN.pdf.

33.E. G. Thwaite. Surface Topography. Measurement and Analysis // Aust. J. Phys. -1982 - 35 - p.777-84

34.D.J. Whitehouse. Surface metrology: revue article // Meas. Sci. Technol. 8 -1997 -p. 955-972.

35.J. C. Stover. Optical scattering: measurement and analysis //SPIE Optical Engineering Press - 1995 - p. 24

36.J.E. Harvey, A. Krywonos, C.L. Vernold. Modified Beckmann-Kirchhoff Scattering Theory for Rough Surfaces with Large Scattering and Incident Angles // Optical Engineering. - 2007.

37.J H Rakels. The use of Bessel functions to extend the range of optical diffraction techniques for in-process surface finish measurements of high precision turned parts // J. Phys. E: Sci. Instrum. - 1986

38.J.C. Le Bosse, G. Hansali, J. Lopez, T. Mathia. Characterisation of surface roughness by laser light scattering: specularly scattered intensity measurement // Elsevier Science S.A - 1997.

39.S.H. Wang, C. Quan, C.J. Tay, H.M. Shang. Surface roughness measurement in the submicrometer range using laser scattering // Optical Engineering. - Vol.39. - No. 6. - 2000.

40.G. Gobi, A.B. Ganesh. An Optical Approach to Estimate the Surface Roughness of Metals // Journal of American Science, - Vol.3(3) - 2007.

41.H.Y. Kim, Y.F. Shen, J.H. Ahn. Development of a surface roughness measurement system using reflected laser beam // Journal of Materials Processing Technology. -Vol.130-131. - 2002. - pp. 662-667.

42.K.A. O'Donnell, E.R. Mendez. Experimental study of scattering from characterized random surfaces // J. Opt. Soc. Am. - Vol. 4(7) - 07.1987. - pp. 1194-1205.

43.К.Ю. Ким. Исследование и разработка оптического метода бесконтактного контроля шероховатости поверхностей: диссертация ... к. т. н. - Место защиты: МИЭТ, Москва. - 2009г.

44.В.П. Рябухо. Спекл-интерферометрия // Соросовский образовательный журнал. - том 7 - №5 - 2001 г.

45.J. W. Goodman. Statistical properties of laser speckle patterns. Laser speckle and related phenomena // Topics in Applied Physics - 1975 - Vol. 9.

46. В.А. Тарлыков, В.Г. Магурин. Основы когерентной и статистической оптики // СПбГИТМО(ТУ) Кафедра квантовой электроники и биомедицинской оптики. - 2002 г.

47.J. Seewig, G. Beichert, R. Brodman et al. Extraction of Shape and Roughness using Scattering Light // Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VI. -2009. - Vol. 7389.

48.Oberflachenmessung in der Fertigung. DatenBlatt // OptoSurf GmbH. - 2010.

49.L. Pilny, G. Bissacco, L. De Chiffre. Validation of in-line surface characterization by light scattering in Robot Assisted Polishing // Proceedings of the 3rd International Conference on Virtual Machining Process technology (VMPT). - 2014.

50.Электронный ресурс. Lasercheck® 6212B Portable Measurement System. Operations Manual Revision 1.60. http://www.surface-finish.net/pdf/Archive Discontinued/Lasercheck%206212B%20Manual%20Rev%201 60.pdf

51.Электронный ресурс. Windis Presentation. 2001.

www.ingrif. com/main/pushfile. asp?f=30.

52.H. Czichos, T. Saito, L. Smith. Handbook Springer of Metrology and Testing // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2011. - 1243 p.

53.B. Bhushan. MODERN TRIBOLOGY HANDBOOK: Volume One. Principles of Tribology // CRC Press. - 2001. - 1690 p.

54.Пат. 2380655 РФ, МПШ0Ш 11/00, Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности / Миронченко В. И. - Опубл. 27.01.2010 - Бюл. №3 - 8с.

55.Пат. 2375677 РФ, МПК G01B 11/30, Измеритель шероховатости / Копылов Г.А., Ковалев В.Д. и др. - Опубл. 10,12.2009 Бюл. №34 - 9с.

56.Пат. 2367904 РФ, МПК G01B 11/30, Способ бесконтактного определения параметров шероховатости поверхности и устройство для его осуществления / Пономарев Б.Б. Евдокимов А.С. - Опубл. 20.09.2009 Бюл. №26 - 28с.

57.Пат.94033271. МПК G01B 11/30. Устройство для измерения шероховатости поверхности / Емельянов П.Н. Опубл. 27.07.1996.

58.Пат. 3771880 США, МПК G01n 21/48. Roughness analyzer / H.E. Bennett -Опубл. 13.11.1973 - 5с.

59.Пат. США, МПК G01N 21/47. Fiberoptic scatterometer for measuring optical surface roughness / J. M. Geary et al. - Опубл. 13.02.1989. - 8с.

60.Пат. 7061627 США, МПК G01B 11/30, Optical scatterometry of asymmetric lines and structures / J. Opsal, A. Rosencwaig - Опубл. 13.06.2006 - 11с.

61.Пат. 2006/0268284, МПК G01B 11/30, Method and apparatus for surface roughness measurement / Z. Zhang, C.E. Wickershahn JR, L.E. Ellison. - Опубл. 30.11.2006. - 17с.

62.Пат. 5867276 США, МПК G01N 21/47. Method for broad wavelength scatterometry / J.R. McNeil; S.R. Wilson идр. - Опубл. 02.02.1999 - 19с.

63.Пат. 2010/0220338 США, МПК G01B 11/24. Measurement apparatus and method for measuring.

64.R. Poprawe., K. Boucke. Tailored light 1. High Power Lasers for Production // Springer. - 2013. - 350p.

65.ISO 16610-21:2011 Геометрические характеристики изделий (GPS). Фильтрация. Часть 21. Линейные профильные фильтры: Фильтры Гаусса.

66.P. Lehmann, A. Schöne, J. Peters. Simulation der Lichtstreuung an technischen rauen Oberflächen als Grundlage laseroptischer Rauheitsmeßverfahren // Engeneering Research Bd.59. - №4 - 1993. - S. 53-60.

67.Д.Ю. Иванов, Ф.А. Новиков. Унифицированный язык моделирования UML // СПб.: Издательство Политехнического университета. - 2010.

68.В. Л. Сосонкин, Г. М. Мартинов. Системы числового программного управления: Учеб. пособие // М.: Логос. - 2005. - 294 с.

69.ISO 25178-2:2012. Geometrical product specifications (GPS) -- Surface texture: Areal -- Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters.

70.E. Bordachev, A.M. Hafiz, O. Tutunea-Fatan. Performance of laser polishing in finishing of metallic surfaces // Advanced Manufactured Technology. - 2014. - V. 73, I. 1, pp. 35-52.

71.K. Leonhardt, K.-H. Rippert, H.J. Tiziani. Optische Mikroproillometrie und Rauheitsmessung // Technisches Messen. - №6. - 1987 - S. 243-252.

72.О.Л. Казаков, C.H. Миненко, Г.Б. Смирнов. Экономико-математическое моделирование: Учебно-методическое пособие. М.: МГИУ, 2006.

73.О.М. Орешкин, В.А. Хлопонин. Лазерное полирование как перспективный технологический процесс финишной обработки поверхности деталей сложной формы // Исследования и перспективные разработки в машиностроении: материалы IV науч.-практ. конференции молодых ученых и специалистов (Комсомольск-на-Амуре, 21-23 сентября 2016 г.) / под. общ. ред. Р. А. Физулакова. - Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2017. - с. 111118.

74.О.М. Орешкин, В.А. Хлопонин. Особенности технологической подготовки управляющих программ лазерной обработки поверхности // Исследования и перспективные разработки в машиностроении: материалы IV науч.-практ. конференции молодых ученых и специалистов (Комсомольск-на-Амуре, 21-23 сентября 2016 г.) / под. общ. ред. Р. А. Физулакова. - Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2017. - с. 243-249.

75.В.В. Плихунов, О.М. Орешкин. Применение технологии лазерного полирования для повышения качества вакуумных ионно-плазменных покрытий // Авиационная промышленность - №4 - 2014. с. - 2-8.

76.V. Plikhunov and O. Oreshkin. Implementation of laser polishing for improving the surface quality of vacuum ion-plasma coatings // Journal of Laser Applications -Vol. 29, №2 - 2017; http://dx.doi.org/10.2351/L4975783

77. О.М. Орешкин, В.А. Хлопонин. Лазерное полирование как перспективный технологический процесс финишной обработки поверхности деталей сложной формы // Исследования и перспективные разработки в машиностроении: материалы IV науч.-практ. конференции молодых ученых и специалистов (Комсомольск-на-Амуре, 21-23 сентября 2016 г.) / под. общ. ред. Р. А. Физулакова. - Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2017. - с. 111118.

78.О.М. Орешкин, M. Кюппер, A. Теммлер, E. Вилленборг. Уменьшение волнистости металлических поверхностей с помощью модулированного лазерного излучения // Научные труды III Международной научной конференции "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении". - М. Издательский дом "Спектр", 2014. - стр. 219-222.

79.O. Oreshkin, M. Küpper, A. Temmler, E. Willenborg. Active Reduction of Waviness through Processing with Modulated Laser Power // Journal of Laser Applications. - Vol. 27 - №2 - 2015; http://doi.org/10.2351/L4906622.

80.A. Temmler, M. Küpper, M. A. Walochnik, A. Lanfermann, T. Schmickler, A. Bach, T. Greifenberg, O. Oreshkin, et al. Surface structuring by laser remelting of metals // Journal of Laser Applications - Vol. 29, №2 - 2017; http://doi.org/10.2351/L4972414

81.В.В. Плихунов, А.В. Коваленко, И.С. Шлесберг, О.М. Орешкин. Исследование и обоснование выбора конфигурации системы управления для установки лазерно-плазменной обработки поверхности // Автоматизация в промышленности - 05.2011 - стр. 45-48.

82.А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Реализация системы управления технологическим процессом лазерного полирования на базе системы ЧПУ Siemens SINUMERIK 840D // Автоматизация в промышленности. - 2013. - №5. - стр. 41-43.

83.А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Особенности управления технологическими процессами электронно-лучевой и лазерной обработки от системы ЧПУ // Автоматизация в промышленности. - 2015. - №5. - стр. 42-46.

84.В.В. Плихунов, А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Использование способов оценки шероховатости в системе автоматического контроля параметров технологического процесса лазерного полирования. - Авиационная промышленность - 2012г. - №4.

85.В.В. Плихунов, А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Разработка бесконтактной системы оценки шероховатости для АСУ ТП лазерного полирования // Авиационная промышленность. - №1 - 2013.

86.А.В. Коваленко, О.М. Орешкин, В.С. Белолапотков. Алгоритмизация цифровой обработки данных в системе бесконтактной оценки шероховатости // Авиационная промышленность. - 2013. - №2. - С. 41-44.

87.А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Моделирование светорассеяния лазерного излучения на металлических поверхностях, обработанных с помощью лазерного полирования // Проблемы машиностроения и автоматизации. - №1. - 2016.

88. А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Конфигурации систем управления для установки лазерной обработки поверхности // Сборник докладов конференции BT/LA-12. - СПб. - 2012.

89. О.М. Орешкин, А.В. Коваленко. Разработка бесконтактной системы оценки шероховатости для установки лазерного полирования // XXVII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2015): материалы конференции (Москва, 2-4 декабря 2015 года) / М: Изд-во ИМАШ РАН, 2015 - С. 23-26.

90. А.В. Коваленко, О.М. Орешкин. Оценка ортотропии шероховатости поверхности в процессе лазерного полирования // Автоматизация в промышленности. - 2017. - №5. - стр. 9-12.

Приложение А. Подбор компонентов системы анализа СНКШ

При выборе источника ЛИ для блока измерения составлен ряд требований к его характеристикам. Диаметр лазерного луча dL в зоне перетяжки должен составлять не менее 0,8 мм, чтобы охватывать зону, соответствующую базовой длине при измерениях шероховатости в пределах Ra = 0,4^3,2 мкм2. Угловая расходимость лазерного луча 6л должна обеспечивать стабильность размера лазерного луча в пределах 10 % при изменении положения детали вдоль оптической оси луча на расстояние z до 10 мм. Таким образом, расходимость луча должна составлять:

/1 ^ d, _ _ 0,8 мм (31)

6L =0,1—=0,1—-= 8 мрад. (31)

л z 10 мм ^ ^

Для того, чтобы успешно зарегистрировать сигнал светорассеяния, лазерный луч должен обладать достаточной мощностью. Минимальную требуемую мощность источника излучения можно оценить, исходя из минимального количества фотонов, регистрируемых на ПЗС-матрице видеокамеры. Для расчетов возьмем матрицу ICX424AL фирмы SONY и излучение на длине волны к = 632 нм, стандартной для красных твердотельных рубиновых лазеров3. Допустим, что для разделения полезного сигнала от шума, мощность полезного сигнала на элементе светочувствительной матрицы должна в несколько раз превысить шум считывания. Для современных ПЗС-матриц шум считывания составляет около 50 электронов4.

2 ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

3 R. Poprawe., K. Boucke. Tailored light 1. High Power Lasers for Production // Springer. - 2013. - 350p.

4 Л. Лазовский. Приборы с зарядовой связью: Прецизионный взгляд на мир Электронный ресурс. / Л. Лазовский. — СПб: АВТЭКС. -http://www.autex.spb.su/download/sensors/ccd.pdf

Пусть минимальное отношение сигнал/шум, необходимое для определения полезного сигнала равно 2. Тогда минимальное количество фотонов полезного сигнала, регистрируемых отдельной ячейкой

ПЗС-матрицы (сенселем), равняется 100. Учитывая, что квантовый выход для ПЗС-матрицы 1СХ424АЬ на длине волны 632 нм составляет 0,755, для регистрации 100 электронов на одном сенселе количество фотонов должно быть равно Nф = 100/0,75 = 133 фотона. Энергия одного фотона Е\ с длиной волны 632 нм может быть вычислена, как:

Ег = Нс- = 6,62х10"34 Дж • с 3x108 м/с = 3,14х10~19 Дж, (32)

Я 6,32x10 ' м

где с - скорость света в вакууме, к - постоянная Планка.

Соответственно, энергия 133 фотонов Етт равна: ЕтЫ= 133 Ег = 4,18х10"17 Дж. (33)

Рассчитанное количество энергии должно поступать на сенсель за время, равное минимальному периоду считывания сигнала тп. Для матрицы 1СХ424АЬ это время равно 2,5 мкс. Соответственно, минимальная мощность полезного сигнала Р^т, воспринимаемая одним сенселем, составит:

Рж = — = 4Д8Х1°~_"ДЖ = 1,67x10"" Вт. (34)

^тт 2,5х10 с

Размер сенселя в матрице 1СХ424АЬ равен 7,4x7,4 мкм. Таким образом, площадь сенселя составляет Ssens= 5,48х10-11 м2 и минимальная плотность мощности излучения составит:

Ыт.п = = юхиг^ц = 0,31 Вт/м2. (35)

^зепБ 5,48 х 10-11 м2 ' '

5 Diagonal 6mm (Type 1/3) Progressive Scan CCD Solid-state Image Sensor with Square Pixel for B/W

Cameras ICX424AL // Datasheet. - Sony Corporation.

Учитывая, что диаметр пятна луча на поверхности должен быть равен 1 мм (площадь пятна = — = 0,78х10_6м2), минимальная мощность излучателя при условии отсутствия ослабления составит:

= ^ = 0.3! Вт/* до-в = 0,39 мкВт. (36)

ь Бь 0,78х10_6м2 '

Однако, при прохождении луча от источника ЛИ до видеокамеры мощность излучения ослабляется из-за ряда факторов.

Коэффициент пропускания защитного стекла на длине волны 660 нм составляет 0,85. С учетом двукратного прохождения через защитное стекло интенсивность ЛИ составляет ккам = 0,85x0,85 = 0,72 от исходной.

Коэффициент отражения металлических поверхностей после ЛП, можно приравнять к коэффициенту отражения поверхностей после шлифования, который составляет на длине волны 600^650 нм в зависимости от материала

^отр = 0,5 " 0,7е.

Ослабление луча при прохождении через экран измерено с помощью фотокамеры CanonEOS 1000D. Получено два снимка: один с изображением луча без ослабления экраном (рис. 65а), второй - с изображением луча непосредственно на экране (рис. 65б). Яркость оценивалась по средней яркости пикселей внутри изображения луча. Яркость изображения луча без ослабления составила 208 пикселей. Средняя яркость изображения луча на экране составила 28,5 пикселей. Таким образом, коэффициент ослабления луча на экране оценен, как кэ = 28,5/208 = 0,14.

6 Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976, 1009

с.

(а) (б)

Рисунок 65 - Изображение луча на снимке без ослабления экраном (а)

и с ослаблением (б).

Система измерения используется непосредственно в процессе ЛО. Во время полирования в рабочей зоне возникают мощные световые потоки, в частности, на длине волны 1070 нм, на которой излучает рабочий лазер. Кроме того, за счет нагрева ванна расплава также излучает в широком спектральном диапазоне. Для уменьшения фоновой засветки в блоке измерения используется интерференционный фильтр Аке^па с центральной длиной волны пропускания равной длине волны источника излучения (660 нм). Коэффициент пропускания на длине волне пропускания равен кф = 0,5, за пределами полосы, ограниченной 660±10 нм - 0,0001. Таким образом, полезный сигнал светорассеяния ослабляется на фильтре в 2 раза.

Итого, источники ослабления мощности выглядят следующим образом:

• Газозащитная камера (двойной проход через стекло):

^кам = 0,72;

• Коэффициент отражения: котр = 0,5 ^ 0,7;

• Коэффициент ослабления светофильтра: кф = 0,5;

• Ослабление на экране: кэ = 0,14.

Для нахождения общего коэффициента ослабления ^бщ необходимо перемножить коэффициенты от вышеуказанных источников ослабления:

^общ = ^кам^отр^ф^э = 0,025. (37)

Минимальная мощность источника ЛИ для различения полезного сигнала от шума должна быть увеличена в 1/0,025 = 40 раз и составит:

р-р = = —————— = 15,6 мкВт. (38)

шт кобщ о,025 ,

Чтобы получить максимальный динамический диапазон при разрядности АЦП камеры 10 бит, необходимо минимальное значение

мощности увеличить в 210 раз, что соответствует мощности источника ЛИ

= 210ЙР= 1024 х 15,6 мкВт = 16,0 мВт. (39)

Основываясь на приведенных расчетных данных, в качестве источника ЛИ выбран лазерный светодиодный модуль МЛ410-0660-040-Т^7. Мощность излучения модуля составляет 42 мВт. Длина волны излучения источника по паспорту равна 660±10 нм (красный). Диаметр луча по параметру ослабления интенсивности в е2 раз составляет 1,2 мм. Угловая расходимость по паспорту равна 6 мрад.

Угол падения лазерного луча в1 по отношению к поверхности (см. рис. 38) равен 15°. Угол выбран таким образом, чтобы, с одной стороны, элементы блока измерения не препятствовали ТП, а, с другой стороны, угол к нормали поверхности был минимальным8 [42].

7 Модуль лазерный MH410-0660-040-TTL. Паспорт технический. 2012.

8 K.A. O'Donnell, E.R. Mendez. Experimental study of scattering from characterized random surfaces // J. Opt. Soc. Am. - Vol.4(7) - 07.1987. - pp. 1194-1205.

Кроме источников ослабления мощности, рассмотрены также другие источники искажения параметров ЛИ.

Нестабильность мощности лазерного луча по паспорту составляет менее 1%, что является незначительной величиной для точности измерений. Время выхода источника на расчетную мощность меньше 5 минут. Данный факт необходимо принимать во внимание при работе СНКШ.

Отклонение оптической оси лазерного луча (рис. 66) при прохождении через защитное стекло толщиной d = 3,3 мм и оптическим индексом п = 1,47 (для длины волны 660 нм)9 в соответствии с законом преломления составляет:

Д= dsina (1 — , а = (40)

V псозр;'^ у п ^

где а - угол падения, в - угол преломления.

При указанных значениях толщины и индекса преломления, и угле падения а = 15° отклонение А = 0,3 мм, что сравнимо с диаметром лазерного луча. Поскольку луч два раза проходит через стекло газозащитной камеры, отклонение нивелируется вторым проходом через стекло рассеянного луча. Данное смещение оптической оси необходимо учитывать при позиционировании измерительного луча на детали внутри газозащитной камеры.

9 Scott. Оптическое стекло 2014. Описание свойств. Каталог. http://www.schott.com/advanced_optics/english/download/schott-optical-glass-pocket-catalog-march-2014-rus.pdf

а

с/

Рисунок 66 - Схема отклонения оптической оси лазерного луча при прохождении через стекло газозащитной камеры.

Помимо общего отклонения оси лазерного луча в результате преломления, также наблюдается неравномерность преломления со стеклом газозащитной камеры уже после взаимодействия с исследуемой поверхностью. При рассеянии от поверхности луч проходит защитное стекло под разными углами. При угле падения в1 = 15° и угле регистрации ф = 16° (см. рис. 38) минимальное и максимальное значение углов отражения составляет атп = в1 - ф/2 = 7° и атах = в1 + ф/2 = 23° соответственно (рис. 67). В соответствии с формулой (40) отклонение оптической оси А1 при угле 7° составляет 0,13 мм, при угле 23°А2= 0,45 мм. Таким образом, максимальное искажение скаттерограммы из-за прохождения рассеянного луча через стекло газозащитной камеры составляет:

Диаметр рассеянного луча в точке его прохождения через стекло газозащитной камеры dст при угле регистрации ф = 16° и расстоянии от поверхности до стекла L = 250 мм составляет:

Лтах = Л2 — Л± = 0,45 мм — 0,13 мм = 0,32 мм.

тах

(41)

Следовательно, относительное искажение скаттерограммы составит:

^тя* 0,32 мм (43)

= — = 0,0045 (43)

аст 70,6 мм

от размера скаттерограммы и им можно пренебречь.

Рисунок 67 - Различие в отклонении разных частей рассеянного луча в зависимости от угла падения на стекло газозащитной камеры.

Угол ф, определяющий угол, на котором регистрируется рассеянное ЛИ, должен быть достаточно велик для регистрации зеркальной и диффузной компонент10 и составляет ф = 16°. Расстояние от источника ЛИ до исследуемой поверхности и от поверхности до экрана определяется высотой газозащитной камеры, а также особенностями монтажа на установке «ТС-300 Лазер». Расстояние между экраном и объективом камеры определяется фокусным расстоянием объектива.

10 А.В. Коваленко, О.М. Орешкин, В.С. Белолапотков. Алгоритмизация цифровой обработки данных в системе бесконтактной оценки шероховатости // Авиационная промышленность. - 2013. - №2. - С. 41-44.

Выбор камеры для блока измерения определяется несколькими факторами. В первую очередь, необходимо определить минимальное время экспозиции. Съемка осуществляется в процессе обработки. Максимальная рабочая подача на установке для ЛП «ТС-300 Лазер» составляет Fmax = 2000 мм/мин. Соответственно, луч перемещается относительно измеряемой поверхности с такой же скоростью. Если задаться смещением луча во время экспозиции кадра в 5% от диаметра луча dL, то время экспозиции 1ехр должно составлять:

0,05йь 0,05 х 1,2 мм (44)

£рг-п =-=- = 1,8 мс.

Р ртах 2000 мм/мин

Поскольку принимаемый сигнал обладает узким спектральным диапазоном, камера может быть монохроматичной. Минимальная глубина цвета должна составлять 8 бит, что равносильно 256 градациям серого.

Кадровая частота определяется тем фактом, что разные кадры должны нести информацию от разных участков поверхности. В силу возможной потери кадра допустим наложение кадров в 50% от диаметра лазерного пятна. Расстояние между кадрами должно составлять 0,5^ = 1,2 мм х 0,5 = 0,6 мм.

При максимальной рабочей подаче 2000 мм/мин период времени между

кадрами должен составлять —0,6 мм— = 18 мс. Соответственно, частота

^ 2000 мм/мин '

кадров камеры f должна составлять не менее / = 1/18 мс = 56 Гц.

Коммуникационный интерфейс между камерой и рабочей станцией с установленной на ней ПО с системой анализа должен обеспечивать достаточную пропускную способность для передачи кадров размером от 640х480 пикселей с частотой / = 56 Гц. Размер монохромного изображения 640х480 пикселей с глубиной цвета 8 бит составляет 2400 кбит. Таким

образом, минимальная скорость передачи кадров с частотой 56 Гц равна 2400 кбит х 56 Гц = 131,3 Мбит/с.

Согласно вышеуказанным требованиям для регистрации сигнала светорассеяния выбрана промышленная видеокамера AVT Manta 032g11. Максимальная кадровая частота по паспорту составляет 80 кадров в секунду. Монохроматическая камера с глубиной цвета 12 бит имеет в качестве ПЗС матрицы сенсор SONY ICX 424 с разрешением матрицы 656x492 сенселей и размером сенсора 1/3 дюйма (8,47 мм). Квантовый выход на длине волны 660 нм составляет 35 %. Минимальное время выдержки составляет 150 мкс. Коммуникационный интерфейс GiGE Vision IEEE 802.3 1000BASE-T12 позволяет передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с.

Объектив выбран исходя из угла обзора видеокамеры и формата ПЗС-матрицы. Формат ПЗС-матрицы - 1/3 дюйма (8,47 мм). Угол обзора рассчитывается исходя из размера экрана (120 мм) и расстояния до экрана (250 мм): а = 2 х arctan((120 мм/2)/250 мм) = 27°. По таблице зависимостей угла обзоров от фокусного расстояния13 фокусное расстояние объектива должно быть не больше 7 мм. По указанным характеристикам выбран объектив Pentax C60636 с углом обзора 44,5°, фокусным расстоянием 6 мм.

11 AVT GigE Vision Cameras. Allied Vision Technologies. Technical Manual. Version 7.1.4. 2014.

12 GiGE Vision Standard. Version 2.0 Allied Vision Technologies.

13 МВД РФ. ЦОРДВО. Рекомендации. Выбор и применение систем охранных телевизионных. Р78.36.002-2010.

Приложение Б. Параметры шероховатости на модельных образцах

Ra, мкм Sa, мкм Sm, мкм Лр, мкм

ЛО14 1ЛО15 ЛО 1ЛО || ЛО 1ЛО

ВТ23(1)

1.1 0,71 0,73 0,93 248 177 107 85

1.2 0,75 0,68 0,96 253 223 96 85

1.3 0,79 0,90 0,97 185 168 98 87

1.4 0,79 0,84 1,05 198 187 95 83

1.5 0,71 0,82 1,03 214 190 93 82

1.6 0,89 0,97 1,21 277 233 93 80

1.7 0,91 0,93 1,27 270 239 86 81

1.8 1,03 1,19 1,38 227 214 82 84

1.9 1,28 1,16 1,66 264 225 81 83

ВТ23(2)

1.1 0,64 0,74 1,06 185 178 108 77

1.2 0,48 0,56 0,73 137 131 101 72

1.3 0,49 0,59 0,70 146 132 102 73

1.4 0,55 0,60 0,75 170 149 99 73

1.5 0,60 0,61 0,81 157 132 95 71

1.6 0,66 0,65 0,91 177 144 94 69

1.7 0,57 0,89 1,09 125 142 91 61

1.8 0,63 1,04 1,17 187 147 100 69

1.9 1,40 2,89 1,97 154 175 125 113

ЭИ787

1.1 0,43 0,42 0,56 179 183 117 91

1.2 0,47 0,54 0,52 157 192 103 90

1.3 0,39 0,40 0,51 179 147 98 90

1.4 0,42 0,46 0,53 112 103 96 77

1.5 0,53 0,47 0,49 171 158 130 101

1.6 0,76 0,67 0,76 141 142 73 113

14 || ЛО - параллельно линиям лазерной обработки

15 | ЛО - перпендикулярно линиям лазерной обработки

Приложение В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Лазер-Контроль

Приложение Г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Лазер-Синхрон

Приложение Д. Акт внедрения результатов диссертационной работы

подготовили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Орешкина Олега Михайловича «Разработка системы непрерывного контроля шероховатости поверхности для повышения эффективности технологии лазерного полирования авиационных деталей», представляемой на соискание ученой степени кандидата технических наук, внедрены в ОАО НИЛТ при модернизации установки для лазерной поверхностной обработки «ТСЗОО-Лазер».

Научные результаты Орешкина О.М. внедрены в виде новых решений при модернизации установок для лазерной поверхностной обработки, заключающейся в разработке и внедрении системы непрерывного контроля шероховатости для обеспечения текущего контроля микропрофиля поверхности детали в процессе лазерного полирования на установке для лазерной поверхностной обработки.

Использование результатов диссертационной работы позволило повысить эффективность установок для лазерной поверхностной обработки в условиях опытного и мелкосерийного производства ОАО НИАТ, сократить время на оценку качества обработки, снизить трудоёмкость работ по изготовлению деталей с помощью лазерной поверхностной обработки. Работы по модернизации установок «ТСЗОО-Лазер» проводились из собственных средств ОАО НИАТ по плану развития научно-технической базы института.

Результаты, полученные в диссертационной работе Орешкина О.М., обеспечили выполнение ОАО НИАТ работ по хозяйственным договорам № 10411.1003702.05.016 от 22.04.2010 г. («Разработка технологических процессов и опытного образца установки для получения наноструктурных поверхностей на сложнопрофильных деталях различного класса методами лазерно-плазменного полирования и структурирования поверхности», заказчик Минпромторг России), № 12411.1400099.18.029 от 17.12.2012 г. (НИР «Полоска», заказчик Минпромторг России).

Зам. генерального директора по науке ОАО НИАТ, д.т.н., профессор

Начальник НИЛ-1940 «Лаборатория лазерных технологий и оборудования» ОАО НИАТ

Финансовый директор ОАО НИАТ