Промышленное применение лазеров

скорость света. Послав на фотодиод первоначальный и отраженный лу­ чи, можно выделить и измерить обычным частотомером промежуточ­ ную частоту (v 4- Av) - v = Av, т.е. измерить скорость Кдвижения объек­ та. причем Av оказываются достаточно большими (при V » 50 км/ч, Av» 3106 Гц). На этом принципе основано лазерное измерение и управление скоростью потока жидкости и твердых предметов в раз­ личных технологических и химических процессах, в различных робо­ тотехнических устройствах, в системах фрезерной, токарной и других обработках металлов, в радиолокационных комплексах определения скорости летательных аппаратов, в системах самонаведения снарядов

иракет и др.

6.Используя дифракционную картину, образующуюся при д фракции лазерного пучка на объектах малого размера (например, про­ волоки) можно с высокой точностью измерять размеры этих объектов.

На практике измеряются диаметры проволок или волокон поряд­ ка 0,00025 см с погрешностью 5 ?/о. Этот метод обладает рядом пре­ имуществ. Прежде всего, отсутствие контакта измерительной аппара­ туры с проволокой. Кроме того, дифракционная картина не изменяется при перемещении проволоки в продольном направлении, что позволя­ ет измерять диаметр проволоки в процессе ее вытягивания.

Таким образом, метод позволяет осуществлять непрерывное измерение диаметра проволоки в реальном времени в процессе ее вытягивания. Перемещение проволоки в направлении, перпендику­ лярном ее длине, не вызывает изменения расстояния между световы­ ми пятнами, пока проволока не выходит за пределы сечения лазерно­ го пучка. Данный метод чрезвычайно удобен для измерения диамет­ ра тонких проволок.

Кчислу операций, которые могут быть выполнены дифракци­ онными измерительными приборами, относятся следующие: измере­ ния диаметра или ширины объектов, изготовляемых путем выдавли­ вания или вытягивания; измерения толщины предметов, выделывае­ мых из листов пластика, резины или бумаги; определение степени плоскостности или волнистости поверхностей деталей типа уплотни­

тельных или поршневых колец; контроль концентричности деталей; контроль точности изготовления лопаток турбины и деталей ком­ прессора и контроль точности угловой ориентации деталей. В на­ стоящее время серийно изготавливаются системы, предназначенные для решения повседневно встречающихся в промышленном произ­ водстве проблем измерения, калибровки и контроля продукции.

7. При исследовании профиля и положения поверхности обы но используется заостренный зонд, который находится в механиче­ ском контакте с исследуемой поверхностью. Изменения положения поверхности вызывают перемещение зонда, которое можно изме­ рить. Таким путем можно снять контуры профиля поверхности.

Указанные механические устройства широко используются в различных областях. В качестве примеров можно привести обсле­ дование деталей с целью контроля чистоты обработки поверхности и размерных допусков, непрерывную проверку толщины изделий или определение параметров их поверхности в процессе автоматического контроля (с использованием сервоконтроля с обратной связью при обработке деталей), а также точное измерение размеров шаблона. Для обеспечения точного воспроизведения размеров полномасштаб­ ных изделий в автомобильной промышленности используется метод профилометрии шаблонов.

Использование пучка света в качестве оптического зонда в про­ филометре дает ряд очевидных преимуществ. Прежде всего, не по­ вреждается отделка поверхности и не изнашивается измерительный инструмент. Кроме того, имеется возможность проводить измерения на мягких материалах (например, на глиняных шаблонах).

В настоящее время разработаны различные методы применения лазерных неконтактных профилометров и созданы прототипы соот­ ветствующих моделей. Указанные модели позволяют при условии использования сфокусированного лазерного пучка различать детали микроскопической текстуры поверхности и степень ее обработки. Разработанные устройства дают возможность проводить измерения на различных материалах с разной степенью обработки поверхности,

начиная от полированных металлов и кончая пластиками с матовой поверхностью. Утверждается, что такие устройства могут обеспечить более высокую точность измерений по сравнению с обычными про­ филометрами, снабженными измерительным штифтом. Кроме того, они существенно ускоряют процесс профилирования и съемки топо­ графической карты обследуемого участка.

Примером могут служить измерения профиля лопаток турбины, выполненные с помощью лазерного профилометра. Метод позволяет обследовать лопатки турбин любого размера со скоростью, обеспечи­ вающей полное обследование профиля лопатки с погрешностью до 2,5 мкм не более чем за 1 мин. Метод вполне допускает полную авто­ матизацию, за счет чего можно выполнить 100%-ное обследование.

Раньше профиль лопаток турбины измерялся с помощью кон­ трольно-измерительного прибора, который был снабжен двумя но­ жевидными пластинами, находящимися в контакте с краем лопатки турбины. Эти пластины перемещаются по контуру лопатки и приво­ дят в действие датчики положения, которые вычерчивают профиль лопатки турбины в заданном сечении. Измерения проводились в не­ скольких сечениях по высоте лопатки. Полученный профиль затем сравнивался с профилем шаблона.

Указанный метод измерения получил широкое распростране­ ние, хотя он и обладает рядом недостатков, к числу которых относят­ ся низкая скорость обследования, трудность обследования лопаток различной формы и размеров, а также ограниченная точность. Пере­ численные недостатки в основном устраняются при использовании лазерных профилометрических систем.

8.Измерения уровня вибрации зданий. В одном из случаев строители получили временную диаграмму колебаний высотного здания в г. Сан-Франциско в направлении с севера на юг с помощью расположенного на земле лазерного интерферометра и уголкового отражателя, размещенного на 42-м этаже. Результаты таких измере­ ний позволяют определить энергетический спектр вибраций здания.

9.Измерение деформаций земной коры. Так, например, 25-метровые интерферометры, установленные вблизи от разлома

земной коры в окрестностях Бейкерсфилда (штат Калифорния), по­ зволяют измерить относительное перемещение коры, составляю­ щее 10'7 м/сут и возникающее в результате движения разлома. Про­ водятся также и другие геодезические измерения, к числу которых относятся измерения деформаций земной коры под действием при­ ливов, сейсмических волн и в результате континентального дрейфа.

10. Существует много способов применения лазеров для изме­ рения размеров обрабатываемых деталей и готовых изделий. Спосо­ бы применения лазерного излучения для измерения габаритов изде­ лий весьма разнообразны. В силу огромного разнообразия видов из­ готовляемой продукции и различия требований, предъявляемых при их контроле, невозможно дать описание какой-то обобщенной сис­ темы. Лазеры предполагается использовать для обследования самых разных видов продукции. Сюда относятся измерения толщины пла­ стика. резины и металла; контроль размеров поршневых колец, голо­ вок цилиндров двигателей, свеч зажигания, компонентов системы инжекции топлива и пружин дроссельной системы в автомобильной промышленности; измерения диаметра стеклянных трубопроводов, топливных элементов и боеприпасов; контроль формы роликовых подшипников и толкателей клапанов двигателей внутреннего сгора­ ния, а также обследование пищевых продуктов (например, печенья и мармелада). Приведенный список не исчерпывает всех областей применения, а лишь иллюстрирует широкие возможности лазерных измерительных систем. Естественно, что конкретный способ приме­ нения лазерной системы в производстве какого-либо продукта зави­ сит от характера производственного процесса и от требований, предъявляемых к этому продукту.

11. Модифицированная схема измерений позволяет осуществ­ лять сканирование поверхности с целью определения места распо­ ложения дефекта. В данном случае пучок гелий-неонового лазера сканируется при помощи осциллирующего зеркала вдоль прямой ли­ нии, проходящей по движущейся относительно пучка поверхности. Такую систему можно, например, использовать для обнаружения вкраплений золота на поверхности керамики. Напыленные золотые

зерна рассеивают под большими углами значительно больше света, чем остальные участки поверхности. С помощью фотоприемника, позволяющего регистрировать рассеянный под большими углами свет, можно эффективно определять концентрацию и место положе­ ния золотых зерен. Этот способ может быть применен также для контроля качества поверхности деталей массового производства в тех случаях, когда необходимо обеспечить быстрый контроль, а также для контроля листового материала и небольших точных из­ делий (например, деталей автомашин).

12. Лазеры с кольцевыми резонаторами, состоящими из трех о ражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и активного эле­ мента АЭ, широко используются в качестве гироскопов для определе­ ния угловой скорости вращения. Действительно, пусть такой лазер вращается вокруг' центра тяжести О. Тогда лучи, идущие в направле­ нии вращения, проходят больший путь и резонансная частота резона­ тора (а значит, и частота генерации лазера) при этом меньше, чем в случае неподвижного резонатора. А дгя лучей, идущих в обратную сторону, эти частогы будут больше. Выводя обе г енерируемые часто­ ты и направляя на фотодетектор, можно определить разностную час­ тоту и таким образом измерить частоту вращения или угол поворота лазера и связанного с ним объекта (корабля, самолета и т.д.).

Лазерная контрольно-измерительная аппаратура

В табл. 4.9 приведены паспортные данные промышленных ла­ зерных систем, предназначенных для контроля размеров. Несмотря на то, что конкретные условия применения методов измерения раз­ меров для контроля тех или иных деталей или изделий варьируются в зависимости от формы или размеров этих изделий, а также в соответствии с требованиями, которые предъявляются к той или иной операции, изложенные в данном разделе общие принципы мо­ гут быть применимы для широкого класса процессов автоматическо­ го контроля в промышленности. Преимущество описанных в данном разделе методов лазерных измерений заключается в том, что они яв­ ляются дистанционными и неконтактными и дают возможность про­ водить измерения быстро и с высокой точностью.

сылается модулированный световой пучок и затем принимается от­ раженный от объекта сигнал. Фаза модуляции отраженного сигнала сопоставляется с фазой излучаемого сигнала. Такой метод пригоден на расстояниях порядка нескольких сотен метров и применяется при топографической съемке.

Приведенные выше примеры далеко не исчерпывают перечень возможных применений лазерной интерферометрии для измерения расстояний; они поясняют суть наиболее характерных ситуаций, в которых выгодно использовать лазерные интерферометры.

Необходимая мощность лазерного излучения определяется гео­ метрией и расстоянием, на котором должны проводиться измерения. Для измерений на расстоянии КН20 см обычно достаточно гелийнеонового лазера с выходной мощностью 5-5-15 мВт. Если же требу­ ется провести измерения на большом расстоянии (например, в дис­ танционном анемометре), то используют аргоновые лазеры мощно­ стью 1 Вт и более.

Методы измерения расстояний, основанные на лазерной интер­ ферометрии, пригодны для применения в различных областях про­ мышленности, поскольку размеры и требования к точности современ­ ных механизмов и станочного парка достигли такого уровня, который не может быть обеспечен обычными линейными механическими из­ мерительными устройствами. В обычных устройствах применяются линейные шкалы с выгравированными на них делениями, магнитные датчики и линейные кодирующие блоки. Для проверки регулировки механизма необходимы измерительные устройства, точность которых значительно выше точности исследуемого механизма. Обычные мето­ ды измерения не обладают такой степенью точности. Нередко возни­ кают сомнения в том, действительно ли применяемый метод контроля точнее проверяемого механизма. Требования, предъявляемые к точности современных механизмов дезалей, таковы, что точность проверочной аппаратуры должна составлять миллионные доли от из­ меряемой величины. Погрешность измерения возрастает, в частности, в тех случаях, когда детали механизмов перемещаются на большие расстояния. Лазерная интерферометрия позволяет повысить точность измерений во многих практически важных случаях.

Вдругих областях, где важно обеспечить высокую быстроту измерений (например, в дальнометрии) и допустима несколько меньшая точность, можно использовать методы, основанные на из­ мерении времени распространения мощного светового импульса ма­ лой длительности от излучателя к мишени и обратно.

Внастоящее время лазеры часто используются для того, что­ бы провести измерения, которые трудно выполнить существовав­ шими до сих пор методами. В основном они применяются для ис­ следования таких явлений, которые трудно исследовать другими методами. Примером может служить лазерный измеритель скоро­

сти, используемый для изучения растрескивания твердых тел. И лишь в относительно небольшом числе случаев сделан шаг в на­ правлении повседневного использования лазерных методов с при­ влечением необученного или прошедшего частичную предвари­ тельную подготовку персонала. Лазерные методы нашли примене­ ние в ряде областей, включающих контроль размеров изделий, но большинство применений продолжает относиться к области специ­ альных измерений, выполняемых под наблюдением квалифициро­ ванного персонала. Разумно ожидать, что по мере разработки се­ рийных приборов, предназначенных для выполнения конкретных измерений, лазеры найдут повседневное применение во многих об­ ластях промышленных измерений.

4.2.8. Л азерохимическое осаждение из газовой фазы

Одним из способов восстановления и повышения долговечности оснастки является лазерохимическое осаждение из газовой фазы.

Установка лазерохимического осаждения из газовой фазы (рис. 4.13) предназначена для низкотемпературного осаждения на по­ верхность пленки, образующейся из продуктов химического взаимо­ действия компонентов газовой смеси, стимулированного лазерным излучением. Возможно легирование растущей пленки ионами метал­ лов путем разложения летучих металлоорганических соединений.

Преимущества и уникальность установки лазерохимического осаждения из газовой фазы:

1. Низкая температура подложки дает возможность получать пленки из материалов, которые разлагаются или теряют полезные свойства при высоких температурах подложки.

2.Установка позволяет легировать пленку в процессе осажде­ ния практически любыми металлами путем разложения соответст­ вующих летучих металлоорганических соединений. Это позволяет изменять в широких пределах степень легирования и быстро пере­ страиваться с одного легирующего элемента на другой. Возможно легирование двумя и более элементами одновременно.

3.Установка также позволяет получать тонкие пленки чисто из металлоорганики.

4.2.9.Л азерная сварка моделей для литья по вы плавляемы м моделям

Восновном крупногабаритные модели для литья по выплав­ ляемым моделям выполняют из более мелких составных частей, при этом традиционным способом сварки этих частей является укладка их на фиксирующие или центрирующие приспособления и обработка мест соединения частей нагретым инструментом. Такие соединения обычно бывают некачественными и требуют дополнительных затрат времени и высокой квалификации рабочих для получения необходи­ мого качества поверхности.

Внастоящее время разработана механизированная технология сварки моделей на основе С02-лазера, которая обеспечивает проч­ ную, однородную по шву сварку с высоким качеством поверхности соединения. По этой технологии отдельные элементы модели также располагают в центрирующих приспособлениях и направляют луч лазера на место соединения поверхностей.

Важным фактором для сварки является определение необходи­ мой или оптимальной скорости сварки, т.к. максимальная скорость