Бороскоп или лазерный роторный зонд? Внутриканальная инспекция при диаметре 1,5 мм

Обзор

Контроль внутренних отверстий — это часть измерительного и дефектоскопического контроля, которая чаще всего остаётся ручной. Причина — доступ: отверстие представляет собой поверхность, обращённую внутрь, и единственные способы его визуализации — это либо наблюдение вдоль оси с помощью оптической системы, достаточно компактной для введения внутрь, либо вращение датчика внутри отверстия с последующим построением изображения постранично. Оба подхода применяются в производственных условиях, но каждый из них имеет свои ограничения.

Оптический зонд в виде бороскопа формирует реальное цветное изображение, что делает его интуитивно понятным для оператора и эффективным при визуальном выявлении дефектов, таких как царапины, вмятины и пористость литья. Лазерный поворотный зонд измеряет профиль, а не цвет, что делает его невосприимчивым к проблемам освещения, характерным для оптики малого диаметра, и наделяет его функцией обнаружения столкновений, отсутствующей у оптического зонда.

Big Bird Industrial (ранее Shimada Big Bird Industrial) производит системы очистки и заусенецеделения для автомобильных компонентов силовой передачи с 2001 года, а приведённые ниже показатели контроля получены на действующих производственных участках, а не в лабораторных установках.

1. Возможности и ограничения оптического зонда для контроля внутренних поверхностей

Оптический метод предполагает размещение небольшой камеры или линзово-релеевой системы внутри отверстия. Свет подводится к дальнему концу, а изображение возвращается на датчик либо напрямую, либо через световодный пучок. В результате получается цветное изображение, которое человек или обученная модель могут интерпретировать для выявления различных классов дефектов.

Три оптические конфигурации

Жёсткий бронированный объектив — наиболее распространённая конструкция для прямых отверстий: нержавеющая трубка с оптикой на конце, обеспечивающая прямой обзор или боковой обзор под фиксированным углом. Панорамный объектив на 360 градусов обеспечивает изображение полной окружности за один экспонировочный цикл, что эффективно при контроле крупных отверстий, однако разрешение на единицу площади при этом ограничено. Конфигурация «рыбий глаз» даёт широкий угол обзора на коротком рабочем расстоянии и подходит для контроля мелких карманов и фасок.

Эти три конфигурации не взаимозаменяемы. Панорамное изображение указывает лишь на наличие дефекта где-то по окружности, но не позволяет точно определить его местоположение; жёсткий боковой объектив обеспечивает точное азимутальное позиционирование, однако для охвата полной окружности его необходимо поворачивать, что увеличивает цикловое время.

Предел разрешения

Оптическое разрешение внутри отверстия ограничено диаметром апертуры, которую можно физически ввести, и рабочим расстоянием. Система, спроектированная для минимального диаметра отверстия 1,5 мм, способна различать детали размером 0,01 мм на поверхности при правильной фокусировке оптики, однако этот показатель достигается только при определённом рабочем расстоянии и ухудшается по мере извлечения зонда.

2. Что изменяет лазерный поворотный зонд

Лазерный поворотный зонд проецирует лазерную линию на стенку отверстия и вращается внутри него, фиксируя профиль при каждом угловом положении. В результате получается облако точек внутренней поверхности, а не её фотография.

Устойчивость к окружающему свету

Поскольку измерение основано на триангуляции лазерной линии, а не на регистрации отражённого белого света, зонд не чувствителен к окружающему освещению и к цвету поверхности. Это устраняет два основных источника ложных срабатываний при оптическом контроле отверстий: посторонний свет, проникающий в отверстие, и отражающие или тёмные поверхности, изменяющие видимый контраст дефекта.

Обнаружение столкновений и посторонних предметов

Вращающийся зонд может обнаружить препятствие до того, как столкнётся с ним, поскольку измеряемый профиль резко изменяется. На практике это позволяет зонду выявлять посторонние предметы внутри отверстия и останавливаться — требование, предъявляемое к деталям, где стружка или литейный выступ могут повредить последующую операцию механической обработки. В корпусах клапанов посторонний предмет с высотой профиля более 0,25 мм считается обнаруживаемым событием; при этом достигаются цикловые времена 14 секунд для цилиндрического отверстия и 18 секунд для отверстия усилителя.

3. Выбор по диаметру отверстия и глубине

Первый критерий выбора — диаметр отверстия, поскольку он исключает варианты до применения любых других критериев. Обычно проводят осмотр отверстий диаметром от 5 до 40 мм и от 40 до 120 мм при соотношении глубины к диаметру примерно 1:1. При превышении этого соотношения зонд должен быть длиннее относительно своего диаметра, что увеличивает прогиб и снижает точность позиционирования на его кончике.

Компромисс между глубиной и диаметром

Длинный тонкий зонд изгибается. Даже жёсткий бронированный объектив демонстрирует измеримый прогиб на дистанции свыше 300 мм, а этот прогиб изменяет расстояние до объекта и, следовательно, фокусировку. Системы, работающие на такой глубине, либо используют корпус большего диаметра, либо допускают снижение разрешения на дальнем конце; в технической спецификации следует указывать производительность именно на заданной глубине, а не оптимальные показатели.

4. Пределы обнаружения и то, что они скрывают

Заявленный предел обнаружения обычно представляет собой наилучший показатель для эталонного дефекта. В производственных условиях важен предел обнаружения в наиболее неблагоприятной позиции внутри отверстия — как правило, на дальнем конце и в зоне, где зонд движется с максимальной скоростью.

Освещение как доминирующий параметр

В оптических системах контрастность дефекта зависит от угла освещения относительно поверхности. Царапина на матовой поверхности отверстия видна под одним углом и невидима под другим; поэтому станции контроля отверстий часто используют более чем одно направление освещения и объединяют результаты. Станция, использующая только кольцевой источник света, даёт стабильную, но неполную картину.

Калибровка и дрейф

Оба метода требуют эталонного образца. Для оптического зонда — это мишень с известными размерами элементов на рабочем расстоянии; для лазерного зонда — калибровочный цилиндр с известным диаметром и ступенью. Проверка образца в начале каждой смены — самый экономичный способ выявить медленный дрейф, который иначе проявляется как изменение частоты ложных срабатываний, а не как сообщение об ошибке. Зонд, находящийся вне фокуса, по-прежнему возвращает изображение, а зонд с утраченной калибровкой по-прежнему возвращает профиль; ни один из них не сообщает об ошибке, пока кто-либо не сравнит полученный результат с известной деталью.

5. Интеграция в производственную линию

Зонд для контроля отверстий — это медленный датчик по сравнению с площадочной камерой, поэтому его обычно перемещают к контролируемым элементам, а не наоборот. Это означает использование робота или двухкоординатного механизма для перемещения зонда между отверстиями, а также требует, чтобы станция контроля знала точное расположение каждого отверстия на детали.

Практическое следствие заключается в том, что цикловое время масштабируется с количеством проверяемых отверстий, а не с размером детали. Деталь с четырьмя критическими отверстиями требует примерно в четыре раза больше времени на контроль, чем деталь с одним отверстием, и эту арифметику необходимо учитывать при расчёте такта до проектирования станции. При большом количестве отверстий единственный способ уместить операцию в линию — это выборочная проверка части отверстий на каждой детали вместо полного контроля всех отверстий.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать бороскоп для 100-процентного контроля?

Да, если механизм и цикловое время это позволяют. Типичный компромисс — полный контроль каждого изделия по двум–трём отверстиям с наибольшим риском, а остальные отверстия проверяются выборочно.

Каков минимальный диаметр отверстия, подлежащего контролю?

До 1,5 мм — при использовании специализированной оптики. При меньших диаметрах диаметр зонда ограничивает освещённость и разрешение; в таких случаях обычно более практичны альтернативные методы, например измерение пневмопробками.

Какой метод лучше справляется с тёмным или отражающим отверстием?

Лазерный вращающийся зонд, поскольку он не зависит от отражённого белого света. Оптический зонд на тёмной поверхности требует большего освещения и даёт меньший контраст, что повышает как частоту пропусков, так и частоту ложных срабатываний.

Как часто следует калибровать зонд?

Проверка по эталону в начале каждой смены и полная рекалибровка по графику, установленному производителем. Проверка в начале смены выявляет механические повреждения и дрейф фокусировки — именно эти виды отказов возникают между запланированными калибровками.

Заключение

Выбор между оптическим зондом для отверстий и лазерным вращающимся зондом определяется классом дефекта и характеристиками поверхности, а не значениями разрешения. Если критерием является визуальный дефект на доступном отверстии при контролируемом освещении, оптический зонд обеспечивает более насыщенное изображение. Если же критерием являются геометрия, положение или наличие посторонних частиц в отверстии, которое может быть тёмным или отражающим, лазерный профиль оказывается более надёжным.

Оба параметра ограничены диаметром отверстия и глубиной в первую очередь, поэтому спецификация должна начинаться именно с этих характеристик. Предел обнаружения, указанный без диаметра отверстия, глубины и состояния поверхности, на которой он был достигнут, не является спецификацией.