Приборы для контроля формы и расположения поверхностей

Лазерные приборы и основанные на них лазерные технологии нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Сегодня является нормой применение лазерных приборов в строительстве при всевозможных измерениях и, в частности, при контроле отклонений формы и расположения монтируемых элементов машин и строительных конструкций. Точность лазеров и их функциональные свойства сильно облегчили весьма трудоемкие операции. Лазерные приборы составляют серьезную конкуренцию традиционным измерительным приборам и инструментам: нивелирам, теодолитам, рулеткам, уровням и отвесам.

Применение лазеров в строительстве в качестве измерительных и геодезических приборов обусловлено их высокими характеристиками. Световой луч лазера обладает уникальными характеристиками, которых не наблюдается ни у одного другого источника света. Световая точка, находящаяся на расстоянии нескольких десятков метров от лазера, имеет такой размер, что исходная точка или, по крайней мере, ее центр точно совпадает с центром самого лазерного луча. Это означает отсутствие кривизны, являющейся характерным недостатком многих оптических приборов. Благодаря оптической системе лазерный луч может быть уплотнен, расщеплен на несколько лучей; при этом каждый из них направлен в определенную, отличную от других, сторону. Таким образом, лазерный прибор может формировать одновременно несколько скоординированных точек, линий, а также пробегать все четыре стороны прямоугольника.

Среди существующих лазерных приборов могут быть выделены:

• измерительные системы для выверки узлов оборудования и конструкций, включающие в себя лазерные геодезические приборы и приборы для контроля отклонений от плоскостности, параллельности, перпендикулярности, соосности и расположения поверхностей;
• приборы для измерения линейных размеров;
• дальномеры;
• контурные измерительные системы;
• измерители перемещений.

Применяемые при монтаже машин и агрегатов конструкции лазерных геодезических приборов в зависимости от вида работ, выполняемых с их применением, делятся на четыре группы: визиры, нивелиры, теодолиты и дальномеры.

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

На рис. 21 изображен достаточно широко применяемый отечественный лазерный визир ЛВ05М (в настоящее время снят с производства). Конструкция прибора максимально приближена к конструкциям теодолитов.

Из современных лазерных визиров распространены визиры марки ЛИМКА производства ООО «Лазерные приборы» (Новосибирск).

Рис. 21. Лазерный визир ЛВ-5М: 1 — коллиматор; 2 — узел фокусировки; 3 — оптический визир; 4 — уровень; 5 — винт установки наклона; 6 — кабель; 7 — кожух коллиматора

Визир ЛИМКАЛВТ устанавливается сверху зрительной трубы на теодолит 4Т30П, а визир ЛИМКА0ЛВН – на оправу зрительной трубы нивелира 3Н05Л. Лазерные визиры излучают видимый луч и могут использоваться без приемника излучения. Их можно комплектовать поворотной пентапризмой, позволяющей строить вертикальные плоскости. Приборы выполнены в прочном металлическом корпусе, внутри которого размещены лазерный модуль с юстировочным устройством, переключатель питания и элементы питания. Благодаря юстировочному устройству лазерный луч отстраивается строго параллельно оптической оси зрительной трубы.

В последние годы в связи со стремительным развитием электронной и лазерной техники все больший спрос в строительстве находят лазерные нивелиры. Они позволяют обозначить плоскость горизонта или плоскость с заданным углом наклона на расстоянии до 600 м. Основой для создания этих небольших и относительно недорогих приборов послужили малогабаритные полупроводниковые лазеры.

Лазерные нивелиры — это оптикоэлектронные приборы. Принцип их действия простой: вращающийся со скоростью до 600 об/мин луч лазера задает плоскость, относительно которой можно осуществлять различные геометрические построения и определение места точек. Лазерное излучение обладает весьма важным свойством: малой расходимостью луча (узкая диаграмма направленности), в результате чего световое пятно на расстоянии нескольких десятков метров от прибора имеет практически такие же размеры, как и на выходе из него. Это и обеспечивает относительно высокую точность задания требуемой плоскости или направления.

Для фиксации плоскости или обеспечения точности задания направления можно использовать и обычные нивелирные рейки, и рейки, оснащенные специальным приемником лазерного излучения – фотоэлектрическим датчиком, который при попадании на него лазерного луча сигнализирует об этом. Такие устройства позволяют значительно повысить дальность действия прибора (до 150 м в зависимости от модели), поэтому их применение желательно в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность или увеличить расстояние нивелирования. Некоторые приемники лазерного излучения совмещены с пультом дистанционного управления лазерным нивелиром.

Выпускаемые сегодня лазерные нивелиры в зависимости от области применения можно подразделить на два класса, отличающихся мощностью лазерного излучателя, точностью и набором функциональных возможностей:

— нивелиры, предназначенные для внутренних работ, в которых обычно заложена функция задания горизонтальной и вертикальной плоскостей;

— приборы для наружных работ, когда, как правило, требуется лазер высокой мощности (следовательно, и с большей дальностью), что обеспечивает работу нескольких человек на всем участке без дополнительной перестановки прибора. В нивелирах этого типа предусмотрена возможность установки лазерной плоскости под небольшим уклоном, например для выноса в натуру плоскости полотна дороги.

По принципу действия все лазерные нивелиры классифицируют на построители плоскостей и построители направлений.

С помощью лазерных нивелиров — построителей плоскостей — можно получить горизонтальную, вертикальную или наклонную плоскость либо комбинацию из нескольких плоскостей. При пересечении с интересующей вас поверхностью образуется видимая (или невидимая — в зависимости от длины волны лазера) горизонтальная или вертикальная линия, относительно которой и проводят измерения или осуществляют разметку.

Построители плоскостей просто незаменимы при отделочных работах. Кстати, они практически исключают применение традиционного уровня (отвеса), так как его роль может выполнять получаемая вертикальная (горизонтальная) линия. В зависимости от конструкции построители плоскостей подразделяют на два типа: ротационные (лазерный луч работает в режиме вращения или сканирования) и статические (неподвижные) приборы. Их сравнительные характеристики приведены в табл. 40.

Ротационные построители плоскостей. Приборы этого класса задают плоскость с помощью вращающегося горизонтального луча. С целью облегчения вертикального проектирования и разбивки перпендикуляров в некоторых моделях установлена призма, расщепляющая основной луч на два перпендикулярных друг к другу. Для внутренних работ обычно применяют приборы, позволяющие на сравнительно небольшом расстоянии создать визуальное положение рабочей плоскости, от которой будут проведены измерения при разметке или установке в проектное положение монтируемых элементов.

Ротационные построители плоскостей с видимым лазерным лучом, образуя лазерную плоскость, обеспечивают исходный горизонт, который могут использовать одновременно все работающие в помещении. Приборы, у которых точность построения горизонтальной или вертикальной плоскости составляет ±3 мм на 10 м, дальность действия с приемником — до 100 м, приводят в рабочее положение с помощью цилиндрических уровней. Более точными являются нивелиры, оснащенные компенсатором, автоматически устанавливающим плоскость в рабочее положение. Их характеризует точность установки плоскости горизонта в пределах ±(5…15) мм на 100 м и радиус действия 100…300 м.

Самые распространенные представители этого семейства построителей плоскостей — приборы LP30 и LP31 от Sokkia (Япония), обладающие высокоточным компенсатором с воздушным демпфированием, который обеспечивает стабильность лазерного луча в местах с повышенной вибрацией. Ротационный лазерный нивелир RUGBY 100 LR — высокоточный прибор от известного швейцарского производителя геодезической техники Leica Geosystems. Его отличие от других представителей этого класса — «дальнобойность», до 770 м. Из отечественных приборов — лазерный нивелир0автомат НЛ020 и лазерный нивелир НЛ030 (ПО «УОМЗ»).

Лазерный нивелир0автомат НЛ020К предназначен для определения разности высот точек способом геометрического нивелирования с помощью видимого лазерного луча, развертываемого в плоскость. Прибор также рекомендуется для определения отвесных линий посредством лазерного центрира. Наличие компенсатора в сочетании с видимой лазерной линией позволяет работать с прибором одному человеку. Нивелир можно использовать при строительстве зданий, промышленных сооружений, разбивке площадок, монтаже промышленного оборудования.

Область применения нивелира НЛ030 (рис. 22) — строительные, монтажные и дорожные работы, прокладка коммуникаций. В комплект поставки может входить приемник, позволяющий моментально и точно определять положение лазерной плоскости, и специальная нивелирная рейка. Лазерный нивелир — это универсальная система для определения высот, построения горизонтальной и вертикальной плоскости, обслуживаемая одним человеком. Прибор излучает красный лазерный луч в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Один из лучей, вращаясь, образует видимую лазерную плоскость, другой проецирует видимую ортогональную линию.

Таблица 40. Лазерные нивелиры. Сравнительные характеристики построителей плоскостей

Рис. 22. Лазерный нивелир НЛ-30 Технические характеристики нивелира НЛ-30

Точность, ″ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 (2 мм на 15 м)

Источник излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Диодный лазер, 650 нм

Диаметр луча, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ∼5

Скорость вращения, мин–1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 0…350

Дальность излучения, м:

с детектором. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

без детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Мощность лазерного излучения, мВт . . . . . . . . . . . . 2

Класс лазерной опасности . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Продолжительность работы, ч . . . . . . . . . . . . . . . ∼20

Диапазон температур, °С . . . . . . . . . . . . . . . . . . –20…+50

Масса, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5

Напряжение питания (съемная аккумуляторная батарея), В . . . 4,8

Статические построители плоскостей с видимым лучом начали широко применять в строительстве сравнительно недавно. Лазерный луч в этих приборах неподвижен и развернут в плоскость с помощью цилиндрической линзы. При проецировании на препятствие образуется видимый крест от пересечения горизонтальной и вертикальной линий. Некоторые модели одновременно с горизонтальной строят две взаимно0перпендикулярные вертикальные плоскости. Практически все приборы снабжены компенсаторами с магнитным или воздушным демпфированием, автоматически устанавливающими лазерные плоскости в рабочее положение. Обычный диапазон работы компенсатора в таких моделях ±(5…8)°, причем при наклоне прибора свыше заданных пределов предусмотрена индикация (лазерный луч отключается или начинает мигать).

Лазерные нивелиры — построители направлений — строят горизонтальный, вертикальный или наклонный луч, либо комбинацию из нескольких лучей. При пересечении с поверхностью образуется видимая точка, относительно которой и выполняют разметку либо измерения. В зависимости от поставленных задач, а также от конструкции прибора эти нивелиры можно подразделить на лазерные приборы вертикального построения, трубные лазеры и лазерные указатели направлений ( табл. 41).

Так как лазерные приборы вертикального проектирования постоянно применяют на строительных площадках, где передача отметок ведется на значительные расстояния при ярком свете, луч прибора должен быть четко виден. Поэтому диаметр лазерного луча некоторых приборов этой группы может достигать 5 мм. В данном случае определение центра лазерной оси ведется по специальной палетке или же благодаря когерентности лазерного излучения – по видимой дифракционной картине.

На российском рынке наиболее распространены лазерные приборы вертикального проектирования LV1 фирмы Sokkia (Япония), прибор FG0L100, являющийся аналогом известного PZL0100 (выпускался в прошлом немецкой фирмой Carl Zeiss Jena), и прибор «ЛИМКАЗенит» производства ООО «Лазерные приборы» (г. Новосибирск).

Трубные лазеры также называют лазерными указателями уклона. В большинстве случаев лазерный луч (диаметр которого у многих моделей может быть до 50 мм) в этих приборах играет роль оси трубопровода. Совмещение лазерной оси и оси трубы при монтаже происходит с помощью специальных марок (мишеней), которые центрируются в трубе и позволяют более четко определить положение лазерного луча. Особенность таких приборов – возможность задания уклона опорной лазерной линии в продольном диапазоне до 15°.

Таблица 41. Лазерные нивелиры. Сравнительные характеристики построителей направлений

В группу лазерных указателей направлений входит большое количество лазерных строительных уровней и других приборов типа электронно0лазерного угломера LaserWinkeltronic фирмы Nedo (Германия). Их конструкция предусматривает задание как наклонного (под определенным углом), так и горизонтального направления лазерного луча. При использовании специальной насадки (пентапризмы) лазерный луч можно применить и для работы в вертикальной плоскости.

Некоторые производители выпускают комбинированные модели, имеющие несколько лучей, идущих в различных направлениях. Например, у PLS 3 от американской компании Pacific Laser Systems их три: горизонтальный луч и два вертикальных, направленных вверх (зенит) и вниз (надир); PLS 5 создает пять лучей: три горизонтальных, расположенных под углом 90° относительно друг друга, и два вертикальных (в зенит и надир).

Из отечественных лазерных указателей направлений можно назвать приборы «ЛИМКА0Горизонт 2Л» (оснащен лимбом, служащим для разметки горизонтальных углов), «ЛИМКА0Горизонт КЛ» (с компенсатором и лимбом), а также лазерный уровень УЛ2 (ПО «УОМЗ»). Последний предназначен для проверки горизонтальных и вертикальных поверхностей монтируемых элементов строительных конструкций и оборудования, а также для переноса горизонтальных, вертикальных углов и углов наклона с одних монтируемых элементов на другие. При установке на штатив лазерный уровень УЛ2 может быть использован для создания лазерной плоскости. Лазерный уровень УЛ2, укомплектованный осью с лимбом, дает возможность определять направление с точностью до 1°. Температурный диапазон работы –20…+40 °С. По степени опасности генерируемого излучения уровень относится ко II классу по Сан ПиН 5804.

В табл. 42 даны сравнительные характеристики применяемых в строительстве зарубежных лазерных нивелиров.

Лазерные теодолиты, или теодолиты с лазерной системой наведения — разновидность электронных теодолитов с дополнительным оборудованием. Их применяют для задания и разбивки осей промышленных объектов, а также непосредственно при монтаже оборудования для контроля точности его установки и задания технологических монтажных осей.

На визирной трубе лазерного теодолита размещены излучатель и колесо фокусировки. Необходимо навести теодолит на цель приблизительно, потом включить излучатель и визуально навестись на точку. Такая система очень удобна при плохом освещении, в темных помещениях и тоннелях. Представлены на рынке лазерные теодолиты изделиями зарубежных фирм: Sokkia, Topсon и др.

Другой более экономичный вариант — использование выпускаемых отечественными предприятиями съемных лазерных насадок (ЛН2, ЛУН017, «ЛИМКА0ЛВТ» и т.п.) вместе с оптическими теодолитами. Лазерная насадка ЛН2 представляет собой съемное приспособление, закрепляемое на зрительной трубе оптического теодолита и служащее для генерирования узконаправленного лазерного пучка света с кольцевой структурой и перевода работы геодезического прибора в режим работы лазерного указателя. ЛН2 устанавливается на выходе из зрительной трубы прибора со стороны объектива и обеспечивает совмещение оси лазерного пучка света с визирной осью зрительной трубы геодезического прибора в направлении визирования.

Лазерные системы контроля отклонений от прямолинейности и соосности. Примером лазерной измерительной системы для контроля отклонений от прямолинейности и соосности является лазерная центрирующая измерительная система ЛЦИС01. Эта система предназначена для различных работ при монтаже оборудования и конструкций.

Таблица 42. Сравнительная таблица характеристик лазерных нивелиров

Система ЛЦИС01 снабжена позиционно0чувствительным датчиком с блоком индикации и установочной оснасткой. Система работает на дистанциях до 100 м и обеспечивает точность центрирования ±0,02 мм на 10 м.

К приборам этого же типа относится лазерный измеритель ЛИПС01 поперечных смещений, позволяющий контролировать отклонения от прямолинейности и соосности в диапазоне

±3 мм на расстоянии до 100 м. Фотоэлектрическое регистрирующее устройство у этого прибора имеет чувствительность 0,05 мм.

Дальномеры. При разбивке монтажных осей и выверке крупногабаритного оборудования и строительных конструкций для измерений линейных размеров с невысокой точностью иногда используют оптические геодезические инструменты, зрительные трубы которых имеют оптический дальномер или дальномерные насадки, а также специальные оптические дальномеры.

Лазерные дальномеры — это профессиональные лазерные рулетки, служащие для определения минимальных и максимальных расстояний, а также измерения расстояний между объектами. Лазерный дальномер — это компактный прибор. Лазерная рулетка проста в использовании, приборы имеют противоударный, пыле0 и влагозащитный корпус для работы в любых условиях. Лазерная рулетка помогает вести измерения в неудобных местах и из углов помещений. Законодателем мод в этом сегменте много лет является швейцарская компания Leica Geosystems, которая выпускает дальномеры как под своим именем, так и для известнейших торговых марок.

В табл. 43 приведены характеристики наиболее распространенных лазерных дальномеров.

Лазерные системы «Квант» (ООО

«Балтех») предназначены для центрирования валов и шкивов оборудования, контроля отклонений расположения осей и плоскостей направляющих.

Зарубежные системы аналогичного назначения могут быть представлены системами фирмы Fixturlaser (Швеция).

Технические характеристики системы «Квант-Шкив-II»

Диаметр шкивов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Не ограничен

Мощность лазера, мВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . < 1

Класс лазера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Длина волны (красный цвет), нм . . . . . . . . . . . . . 650

Точность, мм/м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±0,5

Диапазон самовыравнивания, ° . . . . . . . . . . . . . . Больше +5°

Время выравнивания, с . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Питание, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 батареи АА (LR6) по 1,5

Температура, °С:

рабочая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . –10…+55

хранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . –20…+60

Масса, г . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

Таблица 43. Сравнительная таблица характеристик дальномеров

Технические характеристики системы Fixturlaser Colibri

Материал корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Пластик ABS

Тип лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Диодный класс 2

Максимальное расстояние между лазерными детекторами, м . . . 1

Размер детектора, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 × 10 Тип:

дисплея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LCD 55 × 77

батареи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 шт., 1,5 В (тип R14)

Время работы, ч (непрерывно) . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Разрешение на дисплее, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01

Температурный диапазон, °С. . . . . . . . . . . . . . . . . 0…40

Относительная влажность, % . . . . . . . . . . . . . . . . . 10…90

Диапазон диаметров валов, мм . . . . . . . . . . . . . . . . 30…500

Масса системы, кг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,2

Лазерно-оптические системы (измерительные машины) для контроля геометрических параметров (разработки и производства фирмы ООО «Запчастиинструменты0лазеры», г. Волжский). Эти системы применяются в судо0 и самолетостроении, на целлюлозно0бумажных комбинатах, в машиностроении, где нужно с высокой точностью контролировать вертикальность, горизонтальность, соосность, плоскостность, прямолинейность и т.п.

Система «Лазерный горизонт 3КС» (рис. 23) предназначена для контроля пространственных координат, горизонтальных и вертикальных плоскостей и линий, их параллельности, перпендикулярности, соосности. Система позволяет осуществлять контроль состояния в статике и динамике, а также управление режимом работы сложных современных изделий, конструкций, технологического оборудования, специальных систем, комплексов и т.д.

Рис. 23. Система «Лазерный горизонт 3 КС»: 1 — лазерные нивелиры «Горизонт»; 2 — оптико0механические модули пентапризм; 3 — приемник излучения (мишень); 4 — компарированные измерительные шкалы с делениями

Технические характеристики системы «Лазерный горизонт 3 КС»

Зона действия, м3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 × 30 × 20

Точность задания координатных плоскостей, ″, не более . . . . . . . . . 2

Цена деления визуального отсчета, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1

Погрешность измерительных шкал, мм/м, при 20 °С, не более . . . . . . 0,01

Температурный диапазон работы, °С . . . . . . . . . . . . . . . . . . –10…+50

Масса комплекта, кг, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Краткая сводка свойств лазерно-оптической измерительной системы

Сенсор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лазерный луч с жидкостным компенсатором

Время развертывания, мин . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Размер объекта, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . До 150

Скорость измерения одной точки, с. . . . . . . . . . . . 10

Точность измерения, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01…1/200 000

Отметка точек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Точка скрещивания лучей

Бесконтактность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Да

Сканирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Точка за точкой по лазерному лучу в плоскости

Слежение за целью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Нет