Рис. 4.7.17. Схема дифракционного метода измерений

Рис. 4.7.17. Схема дифракционного метода измерений

Первой из трех точек системы, определяющей створ, является однощелевая марка с вертикальной щелью. Второй точкой системы является точка пересечения плоскости двухщелевой марки с осью симметрии. Третья точка для створных измерений задается экраном с биссектором (приемник света с сеткой нитей).

Совместив центральную полосу картины интерференции с осью биссектора экрана путем перемещения двухщелевой марки в направлении, перпендикулярном заданному створу, располагают все три точки в одной вертикальной плоскости. Величина перемещения двухщелевой марки и определяет нестворность контролируемой точки.

В комплект дифракционного прибора, разработанного МИИГАиК, входят осветитель, марка с одиночной щелью, марка с двумя щелями и приемник дифракционного света в виде лупы с сеткой нитей.

Ширину щелей спектральной марки и расстояние между ними рассчитывают в зависимости от желаемой ширины интерференционных полос, их числа, дальности наблюдений.

Дифракционный метод измерений обеспечивает высокую точность контроля отклонений от прямолинейности (погрешность 20 – 30 мкм при длине створа до 100 м).

Для высокоточного контроля прямолинейности и плоскостности конструкций и изделий применяют интерферометры – приборы, основанные на принципе интерференции света. Из физики известно, что при освещении тонкой прозрачной пластины (пленки) параллельным пучком света вследствие разности оптического хода лучей наблюдается интерференционная картина в виде прямых или кольцевых полос, по искривлению которых можно оценивать величины непрямолинейности и неплоскостности выверяемой поверхности.

В простейших приборах на тщательно изготовленный эталонный образец накладывают выверяемую поверхность, получая между ними тонкую воздушную прослойку, дающую в отраженном свете четкую интерференционную картину (рис. 4.7.18, а). Измеряя микрометром величины наклона и прогиба или оценивая их на глаз в долях ширины, можно подсчитать в различных точках выверяемой поверхности ее отклонение от эталонной

где  – измеренное значение наклона интерференционных полос;

 – длина волны света.

В приборах, используемых для контроля прямолинейности и плоскостности конструкций, обычно интерференционная картина создается в результате наложения плоской волны, идущей от эталонного зеркала, на другую ее часть, отраженную от зеркала, передвигающегося по контролируемой поверхности.

На рис. 4.7.18, б показана схема отечественного лазерного интерферометра, в котором в качестве эталонного зеркала служит трипельпризма 4; в качестве контролируемого (референтного) – подвижная марка 7 в виде угловой призмы или трипельпризмы. От лазера 1 когерентный пучок лучей, отразившись от зеркала 2 и пройдя телескопическую трубу 3, полупрозрачной пластиной 6 разделяется на два пучка. Один пучок направляется через линзу 5 к эталонной призме 4; второй пучок идет к подвижной марке 7. После отражения от зеркальных граней призм 4 и 7 пучки возвращаются к пластине 6 и, интерферируя, собираются через объектив 8 в фокальной плоскости Ф, вблизи которой помещается глаз наблюдателя.

Р
ис. 4.7.18. Лазерный интерферометр:

а) интерференционная картина при контроле плоскостности; б) схема контроля прямолинейности; в) интерференционные полосы (< – при перпендикулярном расположении призмы к лазерному лучу; << – при смещении от центра лазерного луча)

Так как число отражений в двух пучках разное, то интерферометр реагирует на поперечное смещение подвижной марки в плоскости, перпендикулярной
к ребру призмы. За референтную линию принимают ось лазерного пучка. Если ребро призмы 7 располагается в створе этой оси, то наблюдаются интерференционные полосы постоянной ширины, расположенные перпендикулярно к ребру призмы (рис. 4.7.18, в<). Поперечное смещение марки от оси лазерного пучка приводит к наклонному положению полос (рис. 4.7.18, в<<), величина которого  измеряется микрометром. Вместо непосредственного измерения интерференционная картина в выверяемых частях может быть заснята фотокамерой с последующим измерением снимков на стереокомпараторе. Измерительный процесс можно также автоматизировать, фиксируя интерференционную картину при помощи системы фотоэлектрических преобразователей. Из опыта установлено, что при расстояниях до 100 м чувствительность интерферометра поперечным перемещениям зеркала составляет 0,05 – 0,1''.

Лазерные измерительные системы и приборы [134, 176, 192, 243]. Для контроля прямолинейности, отклонения формы и расположения элементов машин и агрегатов с помощью лазерных измерительных систем в качестве измерительной базы или опорного направления (реперной оси) используют пучок излучения оптического квантового генератора (лазера).

Луч лазера несет определенную световую энергию относительно высокой интенсивности в заданном направлении и сконцентрирован в малом телесном углу. Обычно луч, генерируемый лазером, реально наблюдаем, в отличие от визирной оси оптических приборов, благодаря чему можно применять простые технологические приемы при выверке оборудования. При этом появляются широкие перспективы автоматизации измерений, особенно при монтаже длинномерного оборудования и технологических линий.

Практически все отечественные серийно выпускаемые промышленностью и опытные образцы лазерных измерительных систем построены на основе стандартных оптических квантовых генераторов (газовых ОКГ). Преимущества газовых лазеров обусловлены высокой монохроматичностью излучения, простотой накачки активной среды, малым углом расхождения луча, одночастотным и непрерывным режимом работы, наиболее стабильными энергетическими и геометрическими параметрами луча.

Среди существующих измерительных лазерных систем могут быть выделены следующие:

1) лазерные системы для выверки узлов оборудования и конструкций, включающие лазерные геодезические приборы и приборы для контроля плоскостности, параллельности, перпендикулярности, соосности и взаимного расположения поверхностей;

2) лазерные системы измерений линейных размеров;

3) лазерные дальномерные системы;

4) лазерные контурные системы, включающие голографические установки;

5) лазерные измерители перемещений.

Первые системы являются универсальными и представляют наибольший интерес для широкого круга строителей и монтажников. Лазерные системы измерений линейных размеров наиболее широко применяют в машиностроении

Лазерные дальномерные системы широко применяют в геодезии. Кроме того, эти системы позволяют контролировать размеры крупногабаритных узлов и агрегатов, координировать положение базовых поверхностей и осей при монтаже оборудования.

Лазерные измерители перемещений (интерферометры) – наиболее точные измерительные средства, предназначенные для измерений методом перемещений.

По способам приема информации о положении контролируемого объекта лазерные измерительные системы для выверки оборудования могут быть разделены на визуальные, фотоэлектрические, фотоэлектронные.

С помощью пассивных измерительных систем лишь регистрируют результаты измерений. В активных системах путем автоматической передачи команд на исполнительные органы обеспечивается перемещение позиционно-чувствительных датчиков и выверяемого элемента. Среди лазерных средств контроля различают системы задания направления, створных измерений, нивелирования, контроля отклонений от прямолинейности, соосности, плоскостности и перпендикулярности, измерения углов, а также универсальные системы.

Большинство простейших лазерных измерительных систем создано на базе традиционных оптических приборов, в основном, геодезических. Число лазерных геодезических приборов, применяемых при контроле монтажа технологического оборудования, трубопроводов и конструкций, непрерывно возрастает во всех странах.

Современные специализированные лазерные измерительные системы для контроля геометрических параметров представляют собой оптико-электронные устройства, состоящие из ряда типовых блоков и специальной установочной оснастки для базирования приборов.

Лазерные геодезические приборы, применяемые при монтаже и контроле строительных конструкций, машин и агрегатов в зависимости от вида геодезических работ, выполняемых с их применением, делят нa четыре группы: визиры, приборы вертикального проектирования, нивелиры и теодолиты.

Лазерными визирами называют приборы, позволяющие задавать оптическим лучом определенное направление в пространстве – опорную линию (реперную ось), относительно которой производят необходимые измерения.

Лазерные нивелиры и лазерные теодолиты получили большое распространение для контроля прямолинейности и плоскостности строительных конструкций и некоторых видов технологического оборудования.

Лазерные приборы вертикального проектирования и отвесы могут также использоваться для контроля прямолинейности вертикальных строительных конструкций, вертикальных направляющих путей, машин и агрегатов с продольной вертикальной осью. Большинство отечественных лазерных приборов вертикального проектирования создано на основе других лазерных приборов, снабженных призменными насадками или системой зеркал для изменения горизонтального направления лазерного пучка на вертикальное.

К специализированным лазерным системам и приборам для выверки строительных конструкций, машин и агрегатов относятся лазерные системы и приборы, созданные для контроля отклонений форм и расположения поверхностей оборудования и его элементов – взаимного положения отдельных агрегатов в технологических линиях, а также для задания базовых и координатных осей при разметке, выверке и сборке отдельных узлов в процессе монтажа и ремонта. Из геодезических приборов к специализированным относят лазерные приборы (створофиксаторы) для створных измерений, выполняемых при выверке технологического оборудования и конструкций, а также при производстве строительных работ.

Различают лучевые, дифракционные и интерференционные створофиксаторы. Лазерные створофиксаторы позволяют контролировать линейные отклонения объектов по одной, реже по двум координатам в вертикальной плоскости, перпендикулярной пучку излучения. С помощью створофиксаторов измеряют отклонения от исходной прямой (базовой или реперной оси), заданной лазерным излучателем и регистрирующим устройством, установленным на другом конце лазерного луча. Контроль нестворности производят промежуточным устройством.

Специализированные лазерные приборы для выверки оборудования обычно имеют более высокую точность, чем лазерные визиры, теодолиты и нивелиры, но меньшую дальность. Эти приборы отличаются также конструктивным оформлением и более компактны, чем геодезические приборы. Обслуживающий персонал может быть невысокой квалификации. Поэтому они более перспективны для применения при монтаже технологического оборудования промышленных объектов.

В комплект специализированных приборов для выверки оборудования и конструкции входят лазерный излучатель с установочными приспособлениями, приемные устройства и блоки питания. Они имеют внешнюю оптическую систему для согласования параметров излучения лазерного генератора и фотоприемных устройств. В качестве приемного устройства обычно применяют позиционно-чувствительные датчики на основе фотодетекторов различных типов.

Приборы для контроля отклонений от прямолинейности, соосности и плоскостности, а также угловых отклонений отличаются от створофиксаторов как схемой измерения, так и числом одновременно контролируемых координат выверяемого объекта, которое может достигать пяти. Базовое направление задают точной установкой излучателя, ось корпуса которого совпадает с осью лазерного пучка. Обычно отклонение оси лазерного пучка от оси корпуса не превышает 0,025 мм. Высокая точность установки излучателя и специальная конструкция приемников излучения обеспечивают необходимую точность измерений без применения контрольных базовых датчиков, используемых в створофиксаторах.

Из лазерных специализированных приборов с вспомогательными приспособлениями можно образовать лазерную измерительную систему, обеспечивающую контроль положения выверяемого объекта по всем шести координатам в трехмерном пространстве. Такие системы получают распространение в машиностроении, судостроении, при сборке корпусов и отдельных агрегатов в самолетостроении, а также при монтаже технологического и энергетического оборудования промышленных предприятий.

Система ЛЦИС-1 предназначена для контрольно-монтажных работ; ее приборы могут быть встроены в стандартную оптическую систему, состоящую из координатных линеек и приборов ППС-11. Система ЛЦИС-1 состоит из лазерного излучателя на базе гелий-неонового лазера (а = 0,63 мкм; N = 1 мВт), блока стабилизированного питания лазера, позиционно-чувствительного датчика

К приборам такого типа относятся разработанный в МИИГАиК лазерный измеритель поперечных смещений ЛИПС-1, позволяющий контролировать отклонения от прямолинейности и соосности в диапазоне ±3 мм на расстоянии до 100 м. Чувствительность фотоэлектрического регистрирующего устройства этого прибора 0,05 мм.

На базе лазерного визира ЛВ-5М разработан специализированный прибор для контроля створности, определения превышений, отклонений от соосности, перпендикулярности и параллельности базовых поверхностей технологического оборудования. При этом лазерный визир ЛВ-5М снабжен бинокулярным оптическим визиром для наблюдения за положением лазерного пятна на экранах марок или фотоэлементах. Для ориентирования прибора над точкой монтажного створа установлен оптический центрир. Предусмотрена возможность автоматического принудительного центрирования прибора над геодезическими знаками. На горизонтальную ось вращения излучателя установлен накладной цилиндрический уровень, позволяющий ориентировать лучи в вертикальной плоскости. Прибор оснащен аккумуляторной батареей и блоком питания с напряжением 36 В. Прибор укомплектован системой фотоэлектронных марок с фотоэлементами ФСК-7Г. Постоянная марка закрепляет монтажный створ, а передвижная марка, устанавливаемая на выверяемом оборудовании, позволяет производить необходимые измерения.

Фотоэлектронную передвижную марку используют как нуль-индикатор,

В современных лучевых лазерных створотофиксаторах для повышения точности контроля обычно применяют фотоэлектрические регистрирующие устройства. Для устранения влияния помех лазерный пучок модулируют, применяют фокусировку пучка, что обеспечивает повышение точности отсчета позиционно-чувствительным фотоэлектрическим устройством (датчиком). Примером такого створофиксатора является комплект элементов лазерной центрирующей измерительной системы ЛЦИС-2, предназначенной для монтажа агрегатов по опорным лазерным лучам. Система состоит из следующих элементов: лазерных излучателей, комплекта специальных целевых знаков с блоками световой индикации, установочных и крепежных устройств для выставления приборов и их ориентации относительно базовых осей. Лазерный излучатель размещен в специальном корпусе и закреплен на регулировочном кронштейне, обеспечивающем перемещение лазера по шести координатам. Стабильность положения лучей контролируют базовые фотоприемные устройства, размещенные в фиксированных точках. Расположение базовых позиционно-чувстви-тельных датчиков увязывают с осями машин и агрегатов. Погрешность измерений и контроля с помощью лазерной измерительной системы ЛЦИС-2 не превышает 0,2 мм на расстоянии 100 м.

Как видно из обзорного рассмотрения, контроль прямолинейности, соосности и взаимного расположения строительных конструкций и изделий машиностроения может осуществляться разнообразнейшими методами и средствами измерений. Однако при выборе конкретного, наиболее оптимального метода
и средства измерений следует руководствоваться правилами проектирования геодезического контроля и основными факторами, влияющими на выбор методов и средств измерений, изложенными в разделе 3.

4.7.4. Проектирование методов обработки
результатов измерений положения объектов
и форм отчетной документации

Документация, содержащая результаты геодезического контроля прямолинейности, соосности и расположения оборудования промышленных предприятий, как правило, отражает результаты контроля технического состояния объекта при выходе на ремонт или при проведении монтажно-сборочных операций во время ремонтов и сдаче объекта в дальнейшую эксплуатацию. Она является составной частью информации, характеризующей техническое состояние оборудования (или строительного объекта) до и после ремонта, модернизации, технического перевооружения или реконструкции.

Назначение вида отчетной документации по геодезическому контролю зависит от уровня ответственности контролируемого объекта, методов и средств контроля. Содержание и оформление геодезической документации, являющейся частью ремонтной документации на оборудование, аналогичны монтажной документации. Документация в виде акта и исполнительных чертежей проектируется при контроле по приведенным выше параметрам каждого единичного объекта наиболее часто. При проведении систематического геодезического контроля за большим комплексом видов оборудования цеха или предприятия в целом,
в качестве отчетной документации используют форму технического отчета. Такие отчеты, в зависимости от количества накопленных материалов, состояния объектов, стадии эксплуатации предприятия и сооружений, накопленного опыта эксплуатации подобных предприятий и объектов в отрасли, и, наконец, с учетом требований конструкторов и проектировщиков и контролирующих органов, проектируют в виде промежуточных и окончательных.

Составление окончательных (заключительных) отчетов проектируют при выполнении ремонтного цикла предприятия (перед пуском в эксплуатацию из ремонта или модернизации оборудования), но не реже чем через 5 лет эксплуатации. Как правило, промежуточные отчеты и заключения несут краткую информацию о конкретно полученных результатах контроля параметров объектов и выводы по их техническому состоянию. Основная же полная информация по проектированию, проведению и анализу результатов контроля представляется

Окончательный отчет по контролю прямолинейности, соосности и расположения объектов должен включать краткую характеристику входной документации, сведения из программы контроля и документацию, отражающую результаты геодезического контроля.

В частности, характеристика входной документации должна включать:

- геологические и гидрологические данные о территории промплощадки
с результатами испытаний грунтов и анализа грунтовых вод;

- акты заложения фундаментов с разрезами шурфов;

- выписки из технологических паспортов технологических узлов и оборудования по принятым конструктивным решениям и условиям работы;

- сведения по исполнительным съемкам объектов и отступлениям от проекта;

- выписки из инструкций по обслуживанию оборудования, касающиеся контроля геометрических параметров;

- сведения об осадках (и, если необходимо, – горизонтальных смещениях) зданий, сооружений и оборудования;

- акты опробования и испытаний оборудования и технологических трубопроводов;

- результаты контроля параметров прежних лет эксплуатации объектов – акты, исполнительные схемы, таблицы и т. п.;

- сведения по геодезическому контролю параметров прежних лет – полученной точности, достоверности, полноте контроля.

Сведения из программы контроля должны включать данные о назначенных для каждого вида оборудования видах контролируемых параметров, технологических и эксплуатационных допусках на них, категорию, методы и режимы контроля; планируемые методы и средства измерений и отступления от них; схемы расположения, размеры и описание конструкций, установленных исходных осевых знаков или выбор базовых линий, плоскостей, узлов для контроля отклонений; рекомендуемые методы и средства измерений.

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, должна содержать материалы первичной и вторичной обработки информации по контролю параметров.

Методы первичной обработки информации по контролю прямолинейности, соосности и расположения по своим целям и задачам базируются на общепринятых в инженерной геодезии принципах и методах обработки инженерно-геодезических измерений [6, 7, 120, 122, 161, 176, 187, 188, 228 и др.]. В то же время специфика измерений, а следовательно, и обработки результатов измерений, при контроле указанных видов параметров, особенно для крупногабаритного технологического оборудования, сопровождается рядом отличий от широко распространенных геодезических работ. Это связано, прежде всего, с многообразием видов, конструктивных решений оборудования и точностных требований к его выверке в процессе ремонтов или модернизации; а, следовательно, и с большим разнообразием методов и средств измерений, обработки и представления результатов измерений и контроля по сравнению с методами и средствами измерений геометрических параметров зданий и сооружений. Эти факторы необходимо учитывать при составлении проекта обработки материалов измерений.

Типовой набор прилагаемых документов по обработке результатов измерения прямолинейности, соосности, расположения включает:

- оформленные и проверенные полевые журналы или электронные носители первичной информации;

- результаты исследований и поверок измерительных средств с актом метрологической аттестации;

- схемы размещения геодезической КИА, линий базирования, съемочных

- материалы предварительной обработки и уравнивания с оценкой точности результатов измерений и сравнительной характеристикой расчетной и фактически полученной точности;

- результаты отклонений контрольных точек от проектного положения, представляемые в виде таблиц, графиков, формуляров.

Практикой работ по геодезическому контролю установлено, что наилучшими техническими документами, отражающими техническое состояние оборудования, являются исполнительные схемы планового и высотного положения, на которых отображают фактическое положение объекта контроля, даются сведения об измеренных параметрах, даются линии рихтовок и проектные величины сдвижек.

Исполнительные схемы планового и высотного положения объекта составляют в масштабах, удобных для чтения и работы. На основании фактического планового положения и профиля, а также, имея значения допустимых отклонений контролируемых параметров, делают заключение о техническом состоянии объекта.

Некоторые важные образцы документации, отражающей результаты геодезического контроля, приведены в [2, 4, 116].