Содержание к диссертации
Введение
1 Рабочие поверхности деталей подшипников и методы контроля их формы . 19
1.1 Характеристики контролируемых объектов 19
1.2 Требования к системам измерения отклонений формы 29
1.3 Изучение проблем и актуальных направлений развития в области контроля отклонений формы рабочих поверхностей деталей подшипников 32
2 Способ контроля качества поверхности с помощью двумерной лазерной триангуляции 46
2.1 Трехмерная математическая модель контролируемой поверхности 46
2.2 Модель оптической схемы измерений и основанные на ней алгоритмы восстановления профилей и контурной картины поверхности 56
2.3 Численный анализ погрешностей метода двумерной лазерной триангуляции . 70
2.4 Оптическая часть измерительного преобразователя 80
3 Комплекс аппаратно-программных средств 95
3.1 Постановка задачи , 95
3.2 Структура и функционирование ИИ С 96
3.3 Специализированные технические средства 101
3.4 Структура программного обеспечения 106
3.5 Отличия ИИС в ее конфигурации с матричным фотоприемником 111
4 Экспериментальная оценка влияния характеристик измерительного преобразователя и контролируемого объекта на погрешность измерении . 114
4.1 Эксперименты по оценке качества входного сигнала 114
4.2 Влияние шумов на зависимость положения отраженного луча на фотоприемиике от перемещения зондирующего луча по объекту контроля 118
4.3 Влияние локальных дефектов контролируемого объекта на входной сигнал, эксперименты сматричным фотоприемником 124
5 Экспериментальная оценка погрешностей измерений информационно-измерительной системы 132
5.1 Контроль отклонений профиля поверхности вращения от номинальной формы 132
5.2 Контроль отклонений от круглости 140
Заключение 148
Список использованных источников 149
Приложение А
- Требования к системам измерения отклонений формы
- Модель оптической схемы измерений и основанные на ней алгоритмы восстановления профилей и контурной картины поверхности
- Специализированные технические средства
- Влияние локальных дефектов контролируемого объекта на входной сигнал, эксперименты сматричным фотоприемником
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Подшипники занимают важное место в развитии народного хозяйства страны. В различных его отраслях они находят широкое применение. Подшипники являются одним из основных элементов механизмов и машин, а также измерительных приборов и информационно-измерительных систем (ИИС). Технический прогресс предъявляет все более строгие требования к качеству подшипников, поскольку их совершенство во многом определяет уровень развития современной индустрии. Это особенно важно для передовых, наукоемких отраслей промышленности, таких, как аэрокосмическое машиностроение, производство средств автоматизации и вычислительной техники, оборонное производство.
Такие свойства механизмов и машин, как надежность, долговечность, экономичность, экологичность, их технические данные, например, у двигателей это мощность, КПД, приемистость, удельный расход топлива, у самолетов и вертолетов- дальность, скорость, потолок, грузоподъемность, скороподъемность, - все они сильно зависят от качества подшипников, используемых в этих механизмах и машинах. От качества приборных подшипников сильно зависит точность приборов. Основной вклад в названный фактор вносит качество рабочих поверхностей деталей подшипников. К ним относят дорожки качения или скольжения колец подшипников, а также поверхности качения шариков или роликов. Их дефекты вызывают при работе подшипника его повышенную вибрацию, шум, трение и нагрев [1]. Это негативно влияет на перечисленные свойства и показатели техники. Поэтому при изготовлении подшипников их рабочим поверхностям уделяют большое внимание. Они обрабатываются с высокой степенью чистоты на шлифовальных станках и подвергаются затем тщательному контролю.
Указанные поверхности могут иметь дефекты различных видов, сильно различающихся по своим физическим признакам. Одни из них представляют собой отклонения от номинальной формы. Они возникают при механической обработке детали. Другие относят к локальным дефектам. Большинство из них образованы пустотами. Это микроскопические пузыри воздуха, присутствующие в заготовке. При механической обработке некоторые из них вскрываются и образуют каверны на поверхности, а часть оказывается в приповерхностном слое. К локальным дефектам относят также царапины, трещины, риски, вмятины, задиры и другие следы механического воздействия на поверхность. И третьи - это участки пониженной твердости, возникающие на
поверхности при изменении структуры материала в процессе нагрева, вызываемого трением, или в результате химических реакций, в основном, окисления.
В данной работе автор ограничивается рассмотрением задачи контроля первого из названных видов дефектов. По ГОСТ 24642-81 [2] они классифицируются как отклонения от номинальной формы, в данном случае, от круглости или сферичности.
Рассмотрим характеристики названного вида дефектов. Характеристики формы методически разделяют на две группы. Одни определяют номинальную форму поверхности детали, а другие - допустимые отклонения от нее.
Измеренные отклонения формы представляют в виде отдельных профилей вдоль различных направлений на номинальной поверхности. Указанный подход определяется современным состоянием измерительной техники в машино- и приборостроении, при котором преобладают различные профильные методы [3]. Из них большинство составляют контактные методы, распространенны также оптические методы.
Рассматривая поверхность детали под микроскопом, или анализируя профиль, полученный с нее соответствующим средством измерений, можно заметить периодичность в отклонениях ее формы. Это особенно характерно для деталей, подвергшихся механической обработке, что служит предпосылкой для широкого использования гармонического анализа для их контроля [1, 4]. При этом измеренные профили поверхности разлагаются в спектр по количеству волн на длине профиля. Отклонения формы с разными длинами волн по-разному влияют на технические характеристики изделий [1]. По этому влиянию их условно разделяют на следующие составляющие, в порядке уменьшения длин волн: огранка, гранпость, волнистость. Неровности с меньшими длинами волн, чем волнистость, относят к шероховатости, которая в большинстве случаев не включается в отклонения формы. Гармонику с меньшим количеством волн, чем огранка, учитывают в интегральном показателе "отклонения формы".
В данной работе исследуется способ, которым можно контролировать все названные составляющие отклонений от номинальной формы. Укажем на некоторые характерные особенности этих составляющих, определяющих специфику их контроля.
Во-первых, в отличие от точечных и локальных дефектов, например, таких, как царапины, вмятины, задиры и т. п., они не видны глазом под микроскопом, и их выявление доступно только с помощью сложных технических средств контроля; во-вторых, процесс измерения отклонений формы с помощью известных средств более сложен, чем при визуальном контроле перечисленных локальных дефектов; в-третьих, отклонения формы, выходящие за допустимые пределы, встречаются гораздо реже дефектов, видимых под микроскопом; в-четвертых, их появление зависит почти исключительно от состояния
станков, обрабатывающих детали, и гораздо слабее - от исходных материалов, поэтому они имеют повторяемость для большой партии деталей, изготовленных на одних и тех же станках, тем же инструментом. Поэтому контроль отклонений формы деталей подшипников проводят выборочно, согласно ГОСТ 520-2002 [5]. Одна из актуальных задач в рассматриваемой предметной области состоит в реализации массового контроля отклонений формы в заводских условиях.
В настоящее время контроль разнообразных дефектов деталей подшипников осуществляется комплексным применением устройств и систем, различающихся своим функциональным назначением. Они разработаны на основе различных физических методов контроля, В разработке и совершенствовании технических средств для контроля параметров формы рабочих поверхностей деталей подшипников достигнуты определенные успехи. См., например, публикации А. В., Daudia D., Hall К.., Hopkins Г,, Li Z., Lu S., Morrison E., Smith T. [6 - 8], относящиеся к контактному методу.
Для выполнения названной функции контроля также могут быть пригодны некоторые ИИС, работа которых основана на комбинации бесконтактных методов. Так, в работе Королева В, С, [9] для контроля отклонения формы шариков служит гальванометрический датчик с элементом Холла, а шероховатость поверхности определяется по разности его сигнала с показанием лазерного датчика.
Также и некоторые координатно-измерительные машины (КИМ), реализующие бесконтактные методы или их комбинацию, по уровню точности достигают указанную выше разновидность контактных ИИС и, таким образом, могут применяться вместо них, хотя это и невыгодно экономически. Для примера отметим работу Кожеватова И. Е., Куликова Е. X., Черагина Н. П., Шемагина В. А„ Кретинина О. В. [10], в которой сообщается о точности определения высотных неоднородностей профиля поверхности 5'Ю"4 мкмна размерах деталей до ЮОдш, или публикацию Леуна Е. В. [11]о системе на
основе волоконно-оптической измерительной головки субмикронной точности.
Вместе с тем, информационно-измерительная техника постоянно развивается, с одной стороны, исходя из потребностей практики, и, с другой стороны, по мере научно-технического прогресса, создающего необходимые предпосылки. Это делает актуальным как совершенствование существующих, так и разработку новых, более эффективных приборов и ИИС, в частности, на основе новых или нетрадиционных для данной области способов измерений, которые могут способствовать повышению качества продукции, или даже обеспечить переход на качественно более высокий уровень развития техники,
В задаче, рассматриваемой автором в диссертации, наиболее полно, в сравнении с другими подходами, дефекты выявляются путем координатных, или, иначе называя,
линейно-угловых измерений. Вместе с тем этот процесс требует обработки большого объема данных в течение времени, приемлемого для пользователя.
Как было указано выше, наряду со строгими требованиями к качеству, для рабочих поверхностей подшипников определен целый ряд признаков брака, определяемого по наличию различного вида дефектов, зачастую трудно обнаружимых. Это типично для технического прогресса, при котором средства контроля опережают в развитии станочный парк. Эффективный контроль качества в таких случаях требует применения сложных технических средств контроля и практически невозможен без автоматизированных измерительных операций. Они выполняются с помощью ИИС.
Для более полной характеристики ИИС приведем набор требований к ним [12]: возможность быстрого осуществления измерений; малые потери времени на подготовку контроля при смене вида контролируемого изделия; гибкость к номенклатуре, т. е. максимально возможная универсальность; возможность прерывать и потом продолжать измерения на любом месте; возможность получения наглядного и хорошо читаемого протокола измерений; возможность автоматического контроля допусков с графическим представлением степени их использования; возможность автоматического сопоставления чертежа контролируемой детали и протокола измерений; возможность архивирования результатов измерений; возможность связи с САПР; возможность связи с системами ЧПУ станков, ГАП, ГПС; возможность самодиагностики и при возникновении отказов возможность продолжения начатого цикла измерений после устранения причины отказа. Перечисленные требования могут служить ориентиром также и для исследователей перспективных методов контроля, и для разработчиков новых ИИС на основе этих методов. Они отражают современный взгляд на процесс управления качеством продукции. Основные требования к этому процессу изложены в ИСО 9001:2000 [13].
Перечисленным требованиям удовлетворяют применяемые сейчас контактные кругломеры и профилометры. Однако, несмотря на достоинства существующих систем, основанных на контактном методе, необходимость в новой технике ощущается все больше. Контактные методы, традиционно применяемые в кругломерах, профилометрах, все менее удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, которые, как и во многих других задачах, характеризуются тенденцией к росту количества и скорости сбора данных при одновременном уменьшении затрат на их получение [12].
Следует назвать недостатки контактных методов, такие как царапанье контролируемой поверхности, ограничение максимальной скорости перемещения иглы по контролируемой поверхности, что ограничивает скорость измерений, износ иглы контактного щупа, необходимость в высокой точности механических узлов, необходимость
индивидуальной юстировки для каждого контролируемого образца, невозможность объединения измеренных профилей поверхности в ее топограмму, то есть, по ГОСТ 28187-89 [14], в контурную картину фильтрованной поверхности.
От указанных недостатков свободны оптические методы, в связи с чем в данной задаче их применение нередко оказывается более выгодным. Помимо уже названных выше разработок, отметим, например, публикацию Sato Atsushi [15] о высокоточном, с разрешающей способностью 0,2 А по высоте профиля, профилометре Maxim 3D-5700, разработанном совместно фирмами "Zygo" (США) и "Канон ханбай" (Япония) на основе поляризационного интерферометра и успешно применяемого в разных задачах, в том числе для контроля состояния поверхности шариковых подшипников. Или же статью Осиповича И. Р. и Пуряева Д. Т. [16] о лазерном интерферометре для контроля формы конических, цилиндрических и торических поверхностей качения деталей прецизионных подшипников с точностью контроля формы от 0,05 до 0,1 мкм, в зависимости от их параметров.
Расширение применения оптических методов в данной области в настоящее время является актуальной задачей. Разработки на их основе должны быть адаптируемыми к контролируемым объектам с различной номинальной формой, например, к объектам, имеющим поверхности большой и сложной кривизны или внутренние поверхности. Они должны быть более устойчивыми к внешним условиям измерений, таким как освещенность и наличие пыли на контролируемой поверхности; а также к локальным дефектам и нарушениям микроструктуры контролируемой поверхности, вызывающим изменение ее отражающей способности.
В различных отраслях промышленности и в информатике растет доля ИИС с использованием оптических методов [17, 18]. К таким системам можно отнести координатно-измерительные машины, измерительные роботы, трехмерные сканеры. Для многих из них, особенно для тех, которые предназначены для работы с объектами сложной формы, характерно применение различных разновидностей метода триангуляции, см. работы Бакирова И. М., Богданова Д. Р., Быковской И, В,, Воронцова А. В., Галиулина Рав. М., Галиулина Риш. М., Гришапова В. Н., Мордасова В. И., Петрова С. В., Плотникова С. В., Подчернина В. М, Тумашинова А. В., Dickmarm К.., Gronewaller L„ Lotze W., Lu-Rong Guo, Xiao-Xue Cheng, Xian-Yu Su, [18- 23]. В рассматриваемой задаче этот метод мог бы быть более предпочтительным перед другими, так как применению других оптических методов для ее решения мешают либо сложность формы контролируемых объектов, либо большая стоимость ИИС.
Вместе с тем, на пути применения триангуляционных методов в рассматриваемом случае имеется ряд трудностей. Одна из них связана с тем, что контролируемая поверхность практически представляет собой зеркало. Диффузная составляющая отраженного света, с которой работают обычные триангуляторы, у нее много меньше, чем у матовой поверхности. Она сравнима с типичными шумами в оптическом сигнале. Ктому же ее индикатриса рассеяния сильно неоднородна, и она сильно зависит от шероховатости поверхности, в частности, от ее преобладающего направления по отношению к зондирующему лучу. Это особенно характерно для контролируемых поверхностей со следами машинной обработки - точения, шлифования, полирования. Но гораздо большая принципиальная трудность в данной задаче состоит в том, что чувствительность триангуляторов мала для характерных дефектов. Применение полос или растра для освещения контролируемых объектов пока не решило этой проблемы. Работы в этой области находятся в стадии экспериментов, см., например, статью Hassebrook L. С, Subramanian A., Pai Р. [24].
В этой связи представляется предпочтительным применение разновидности способов триангуляции, для которой характерно измерение локальных наклонов поверхности по координатам зеркально отраженного от нее луча, см. работы Berg R., Breuckmann В., Inomata Masaichi, Kawamura Tatsuji, Kitou Masaaki, Koga Kazutoshi, Mike Hidetoshi, Takikawa Naohtsa, Thieme W., Uesugi Mitsuaki, Yamada Takehito [25- 28]. Применяемые для контроля зеркально отражающих поверхностей, эти способы позволяют достичь гораздо более высокой чувствительности, по сравнению с обычной триангуляцией, и при этом сохранить приемлемое отношение сигнал/шум.
В пользу этого подхода к решению задачи говорят и результаты работы Белопухова В. Н., Волостникова В. Г., Подвигана В. Н. [29], выполненной с участием автора настоящей диссертации. В этой работе созданная автоматизированная система выполняла функцию контроля стабильности формы рабочей поверхности внутренних колец шарикоподшипников. При этом был использован способ, относящийся к указанной разновидности триангуляции. В работе экспериментально было показано, что качество оптического отклика приемлемо для измерительных операций.
Однако в этих способах недостаточно разработаны алгоритмы восстановления профилей поверхности. Решение этой проблемы представляло бы значительный шаг вперед в продвижении методов зондирования поверхности световым пучком, которые довольно долгое время считаются перспективными [1, 30]. Развитие средств автоматизации уже создало для этого необходимые предпосылки.
Примечательны, в этой связи, работы, в одной из которых авторы Андрейченко Ю. Я,, Волошинов В, А., Волошинов Д. В., Самсонов В. В. [31], используя названную разновидность триангуляции, проводят координатные измерения рабочих поверхностей турбинных лопаток, имеющих довольно сложную форму. В другой работе, выполненной Baba Mitsuru и Ohtani Kozo [32], "принцип триангуляции с использованием зеркального отражения" использован для определения 3-мерного профиля объектов сложной формы, содержащих участки различной отражающей способности - зеркальные и матовые.
В то же время укажем на сильное отличие задач, решаемых в этих двух работах, от задачи, решаемой автором настоящей диссертации. Так, допустимая погрешность и рабочий диапазон измерений в них больше, по крайней мере, на два порядка. Таким образом, среди ИИС, основанных на способе измерений указанного вида, не выявлено разработок, которые бы имели погрешность измерений, приемлемую для рассматриваемой задачи.
На основании вышеуказанного можно сделать вывод, что проблема создания ИИС для контроля отклонений формы рабочих поверхностей деталей подшипников, предназначенной повысить производительность операций контроля, является актуальной.
Цель диссертационной работы- создание лазерной информационно-измерительной системы, предназначенной для контроля отклонений от номинальной формы рабочих поверхностей деталей подшипников, имеющей более высокую производительность рассматриваемого вида контроля, по сравнению с аналогичными контактными приборами, и тем самым пригодную для массового контроля изделий по указанному параметру.
Постановка задачи. Отличительной чертой используемого физического метода измерений является вычисление локальных наклонов контролируемой поверхности с использованием тригонометрических формул по измеренным координатам сканирующего пучка света, зеркально отраженного от объекта контроля.
Создаваемая ИИС должна обеспечивать измерение, в соответствии с действующими стандартами, статистического параметра "отклонение от кругл ости", а также всех перечисленных его составляющих: огранка, гранность, волнистость.
Допускаемая погрешность измерений названных дефектов не должна превышать величину 15% во всем рабочем диапазоне до 0,1 мм, предел допускаемых радиальных погрешностей не должен быть более 0,12 мкм [4].
Входным сигналом в разрабатываемой ИИС является зависимость распределения интенсивности пучка света на фотоприемнике от времени. Служебные входные сигналы предназначены для того, чтобы соотнести это распределение интенсивности
в пространстве и времени с контролируемым объектом и измерительным преобразователем. Измерительная информация содержится в зависимостях координат у/{х) и в(х) центра энергии в указанном распределении интенсивности от перемещения х ощупывающего луча по контролируемому объекту.
Как и существующие аналоги - контактные кругломеры, разрабатываемая ИИС предназначается для работы в помещении , где, согласно стандартам, температура должна находиться в пределах от плюс 10 до плюс 35С, относительная влажность воздуха от 45 до 80% (ГОСТ 15150-69 [33]).
Функции, которые должна выполнять разрабатываемая ИИС, определены стандартами, соответствующими ее назначению (ГОСТ 17353-89 [34], ГОСТ 520-2002, РД 37.006.106,90), а также зависят от характера применяемого в ней метода измерений. Это следующие функции:
адаптивное управление процессом измерений для контроля деталей различных типоразмеров и для работы в различных режимах измерений;
восстановление усредненного профиля контролируемой поверхности вращения в ее осевой плоскости; восстановление ее топограммы; восстановление ее фильтрованных профилей в радиальных плоскостях, а также в нормальных сечениях; получение расчетной зависимости, аппроксимирующей усредненный профиль; расчет статистических характеристик восстановленных профилей и топограммы; все это нужно для контроля качества деталей подшипников по критерию допустимых отклонений от номинальной формы, в частности, это отклонение от круглости (под восстановлением понимается получение наглядного образа объекта с количественными показателями, см. [35, с. 27]; оно альтернативно понятию "измерение", употребляемому в отношении профилометрии и топометрии, например, в ГОСТ 28187-89);
получение частотного спектра зависимостей у/(х) и в(х), а также частотного спектра восстановленного профиля контролируемой поверхности, для исследования влияния технологического процесса на неровности контролируемой поверхности и повышения информативности контроля, в соответствии с принципом опережающего развития средств измерений.
В соответствии с поставленной целью задачами работы являются: 1. Разработка и обоснование алгоритмов автоматизированного восстановления профилей и контурных картин контролируемых поверхностей в ИИС контроля отклонений номинальной формы рабочих поверхностей деталей подшипников;
Определение функции преобразования этой ИИС и расчетная оценка погрешности метода измерений, положенного в основу ее работы;
Экспериментальное исследование разработанной ИИС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработаны и обоснованы алгоритмы получения усредненного профиля контролируемых поверхностей вращения, а также профилей и контурных картин отклонений этих поверхностей от своей номинальной формы; указанные алгоритмы получены на основе одной из разновидностей триангуляционных методов, которая отличается вычислением локальных наклонов контролируемой поверхности по координатам сканирующего луча, зеркально отраженного от объекта контроля.
Экспериментально исследована разработанная ИИС, функции которой основаны на полученных алгоритмах; указанная система предназначена для контроля отклонений от номинальной формы рабочих поверхностей деталей подшипников. Разработанная ИИС отличается от известных систем, предназначенных для рассматриваемого вида контроля, тем, что она способна выполнять следующие функции: автоматизированное восстановление по одним и тем же данным как усредненной формы, так и отклонений от нее; автоматизированная, в процессе измерений, адаптация к разным объектам, отличающимся профилем контролируемой поверхности; при этом для автоматизированного расчета функций преобразования, адаптируемых под условия измерений и объект контроля, использованы методы Фурье-анализа; автоматизированное объединение восстановленных профилей поверхности в контурную картину.
Практическая значимость работы.
Разработанная ИИС ориентирована на решение практически важной и актуальной задачи, которая состоит в реализации массового контроля отклонений от номинальной формы рабочих поверхностей деталей подшипников.
Указанная ИИС имеет более высокую производительность измерений при контроле партии деталей одного типоразмера, чем аналогичные контактные приборы. Это преимущество достигается за счет меньшего времени подготовительных операций перед контролем каждой детали. Время контроля одной детали составляет 5 минут при тактовой частоте процессора вычислительного модуля 33 МГц и 1 минута при частоте 300 МГц.
Разработанная ИИС, в отличие от известных контактных приборов, имеет более широкий диапазон допустимых внешних условий измерений. По своим возможностям она способна работать в условиях заводского цеха или участка шлифовальных станков.
Изобретенный соискателем способ координатных измерений может найти применение и для решения других задач, например, там, где необходимо иметь информацию об отклонениях формы на площади контролируемой поверхности. К числу этих задач относятся тестирование и настройка высокоточного шлифовального оборудования и контроль рабочих поверхностей после моторесурсных испытаний. Указанный способ измерений применим и в других отраслях машиностроения, где возникают подобные задачи, например, при производстве валов для устройств точной механики.
Полученные в работе результаты развивают практические аспекты создания ИИС, которые могут найти применение при анализе, проектировании и эксплуатации ИИС, предназначенных для оптических координатных измерений, а также при исследованиях в области когерентной оптики, оптоэлектроники.
Реализация и внедрение. Разработанная соискателем ИИС была использована в Самарском филиале Физического института РАН для исследований с целью совершенствования технологии производства шарикоподшипников, совместно с ЗАО "Самарский подшипниковый завод-4" (см. приложение Е). Созданная ИИС была также использована в Самарском филиале Физического института РАН в учебном процессе, в частности, в сотрудничестве со средней школой № 63 и физико-математическим лицеем г. Самары в рамках образовательных программ, поддерживаемых министерством образования РФ и Администрацией Самарской области, а также на кафедре "Информационно-измерительная техника" ГОУ ВПО "Самарский государственный технический университет". В качестве вспомогательного прибора для измерений отклонений формы и расположения поверхностей вращения разработка использована в ФГУ "Самарский центр стандартизации, метрологии и сертификации" в работе, связанной с метрологическим обеспечением измерительных систем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Объем диссертации составляет 178 страниц, включая 40 рисунков, 8 таблиц и списка использованных источников из 134 наименований.
На защиту выносятся следующие научные положения: - применение разработанных алгоритмов координатных измерений в ИИС контроля рабочих поверхностей деталей подшипников обеспечивает ей следующие преимущества перед существующими аналогичными приборами: реализуется одновременное измерение усредненного профиля тела вращения и отклонений от его номинальной формы, что расширяет функциональные возможности ИИС; система
становится адаптивной к изделиям с различными профилями контролируемой поверхности, что расширяет номенклатуру контролируемых изделий без перенастройки ИИС; существенно снижаются жесткие требования к точности механического сканирования; возникает возможность объединения полученных профилей поверхности в контурную картину;
разработанная ИИС дает возможность эффективного выявления такого дефекта формы рабочих поверхностей внутренних колец шарикоподшипников, как грашюсть;
использование метода оптической триангуляции с использованием зеркально отраженного света позволяет удовлетворять в разработанной ИИС требованиям, предъявляемым к точности координатных измерений в подшипниковой промышленности и обеспечивает более высокую производительность контроля по сравнению с существующими методами;
использование адаптивной пороговой цифровой фильтрации входного сигнала в разработанной ИИС позволяет достичь в производственных условиях точности измерений, требуемой в настоящее время в подшипниковой промышленности.
Структура и краткое содержание диссертации
Во введении дано обоснование актуальности темы, определены цель и задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены структура и краткий обзор содержания диссертации.
В первом , разделе проведен сравнительный анализ существующих методов контроля, с историческим экскурсом. Кроме этого рассмотрены и другие физические методы, которые могут быть адаптированы для контроля отклонений формы рабочих поверхностей деталей подшипников. Указаны характеристики контролируемых объектов. Приведена общепринятая классификация типичных дефектов. Рассмотрена одна из существующих стандартных методик их контроля. Приведены основные технические характеристики средств измерений, применяемых для указанного вида контроля. Приведены требования стандартов к этим средствам измерений.
Рассмотрены вопросы математического описания контролируемых поверхностей с учетом шероховатости и отклонений формы.
Во втором разделе оценены возможности математического моделирования для решения задач диссертации. Сделан выбор в пользу экспериментального определения погрешности метода измерений. Описаны предложенные алгоритмы восстановления формы поверхности по зависимостям у(х) и в{х). Эти зависимости должна рассчитывать создаваемая ИИС по данным, полученным из входного сигнала в результате его
предварительной обработки. Приведена модель триангуляционных измерений, лежащая в основе этих алгоритмов. В этой модели рассмотрены случаи, когда контролируемая поверхность имеет слабые отклонения от круглости, и когда эти отклонения значительные, сравнимые по величине с параметрами номинальной формы объекта. В модели также рассмотрены случаи измерений на плоскости и в трехмерном пространстве. Приведены расчетные оценки алгоритмической составляющей погрешности метода измерений.
Обоснован выбор оптической схемы источника излучения в измерительном преобразователе ИИС. Показано, что основным требованиям, предъявляемым к ИИС, предназначенным для оптических координатных измерений достаточно широкого класса зеркально отражающих поверхностей и обладающим в связи с этим адаптивными свойствами, удовлетворяет схема на основе полупроводникового лазера, формирующая узкий коллимированный пучок света, в сочетании с гибкой системой механического сканирования.
В третьем разделе приводится описание созданной ИИС, предназначенной для контроля отклонений от круглости, огранки, гранпости и волнистости рабочих поверхностей деталей подшипников. Отмечено, что устройство и способ, лежащий в его основе, могут найти более широкое применение. Приведено описание структуры, комплекса технических средств и программного обеспечения рассматриваемой ИИС.
В, четвертом разделе рассмотрена экспериментальная оценка влияния характеристик оптической схемы координатных измерений, реализованной в ИИС, на зависимости ys{x), в{х) и погрешности измерений ИИС. Рассмотрена экспериментальная оценка качества входного сигнала. Приведены результаты экспериментов с объектами, имеющими контролируемые поверхности разной шероховатости, а также поверхности без дефектов, и поверхности с типичными дефектами. Приведены результаты расчетного анализа и экспериментальных исследований влияния характеристик измерительного преобразователя ИИС на погрешность координатных измерений.
В пятом разделе рассмотрена экспериментальная оценка погрешностей измерений ИИС. Для этого измерялись параметры формы рабочих поверхностей деталей подшипников, а также некоторых других объектов с поверхностями разных форм, причем как с малыми, так и с большими отклонениями от круглости, сравнимыми по величине с параметрами номинальной формы. Полученные результаты сопоставлены с результатами численного моделирования, а также с профилями этих же объектов, измеренными с помощью контактных приборов. Проведена экспериментальная опенка динамических погрешностей ИИС. Даны рекомендации по юстировке, тарированию, калибровке,
тестированию ИИС. Названы значимые факторы основных и дополнительных погрешностей.
В заключении сформулированы основные результаты работы и возможные перспективы дальнейшего развития информационно-измерительных и управляющих систем, которые могут быть разработаны на основе предложенного способа координатных измерений для применения в подшипниковой промышленности и в других отраслях машино- и приборостроения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 5-й Международной конференции по технологическим лазерам и их применениям в промышленности (1995), Международной научно-технической конференции по аэрокосмическому двигателестроению (2001), Всероссийской конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании" (2003), Всероссийской научно-технической конференции, с международным участием, "Высокие технологии в машиностроении" (2004). По теме диссертации опубликованы работы [29, 36 - 48], получен патент России [49] на способ измерений, использованный в разработанной ИИС.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем
Выведено приближенное дифференциальное уравнение для решения задачи восстановления профиля и контурной картины контролируемой поверхности по координатам зеркально отраженного от нее зондирующего пучка света, при условии малых отклонений от круглости контролируемой поверхности, по сравнению с размерными параметрами ее номинальной формы. Показано, что погрешность восстановления профиля отклонений от круглости, вычисленная по данному дифференциальному уравнению, не превосходит 0,1% (приведенная к амплитуде отклонений от круглости).
Обосновано применение адаптивной пороговой цифровой фильтрации при обработке данных, содержащих распределение интенсивности пучка света на поверхности матричного фотоприемника и снимаемых разработанной информационно-измерительной системой. Применение разработанного автором алгоритма, реализующего указанную фильтрацию данных, позволило уменьшить погрешность измерения амплитуды отклонений от круглости в 1,5 раза и достичь величины ±0,2 мкм.
Личный научный вклад автора диссертации в совместные публикации состоит в следующем.
В статье: Belopukhov V. N., Volostnikov V. G., Podvigin V. N., ZayakinO. A. "Technological system for control of bearing ring runway surface" [29], в которой описан
прототип ИИС, рассмотренной в данной диссертации, автором были предложены и обоснованы изменения в оптической схеме источника излучения для ее оптимизации при замене гелий-неонового лазера на полупроводниковый - при максимальном использовании прежних составных элементов; автором было экспериментально доказано, что использование полупроводникового лазера в системе возможно и это не ухудшает технических характеристик системы, а ряд ее технико-экономических показателей даже улучшается.
В статье: Belopukhov V. N., NaumovA. F., PodviginV. N., ZayakinO. A. "Form measurement sensor for rotation reflecting surfaces" [36], в которой описана рассматриваемая в данной диссертации ИИС в своем первоначальном варианте, автором была предложена и обоснована оптическая схема источника излучения - на основе схемы, использованной в технологической системе [29]; автором была выведена формула для расчета среднего радиуса профиля в радиальной плоскости контролируемой поверхности, при этом им был рассмотрен "одномерный случай" - такой термин употребляют специалисты по оптике [50 - 52]; также автором была рассчитана функция преобразования ИИС при различных величинах параметров настройки системы.
В описании к патенту России №2109250 "Способ измерения геометрической формы тел вращения с отражающей поверхностью", авторы Белопухов В. Н., Бесталанный С. И., Заякин О. А. [49], приведена уже упоминаемая в [36] формула, полученная автором, для вычисления среднего радиуса контролируемой поверхности; также в описании к этому патенту содержится упоминание об аналогичной формуле, выведенной автором и для трехмерной оптической схемы, пригодной для поверхностей вращения произвольной формы- эта формула в полной мере, в рамках выбранного физического приближения, отвечает реальным условиям измерений.
В статье: Белопухов В. Н., Заякин О. А., Катулин В. А., Подвигин В. Н. "Задача контроля профиля тел вращения при угловом сканировании и одномерной регистрации" [37], в которой описан контроль формы поверхностей с помощью прототипа ИИС, рассматриваемой в данной диссертации, автором разработана численная модель оптической схемы; по этой модели автором выполнен расчет параметров функции преобразования ИИС.
В работах [38 - 43] автором был исследован более широкий круг вопросов, относящихся к области когерентной оптики; результаты, полученные автором, были использованы в настоящей диссертационной работе при проектировании источника излучения ИИС и анализе факторов погрешностей измерений, связанных с оптической схемой источника излучения и оптико-электронным преобразованием.
В статье: Letfullin R. R., Zayakin 0. A. "Bicomponent diffraction system for focussing of radiation. 3. Experiment. Experimental observation of the effect of diffractive multifocal focusing of radiation" [38] автором на примере оптико-электронной схемы экспериментально изучены погрешности, вносимые в измерительный сигнал линейным ПЗС-фотоприемником; автором показано, что величина погрешности оценки координаты центра энергии в профиле светового пучка допустима в достаточно широком круге задач, в которую входит и задача, рассматриваемая в данной диссертации.
В статье: Letfullin R. R., Zayakin О. A., George Т. F. "Theoretical and experimental investigations of the effect of diffractive multifocal focusing of radiation" [39], помимо результатов экспериментов, выполненных автором, описана предложенная им методика интегральной оценки случайной составляющей погрешности восстановления линейным ПЗС-фотоприемнком профиля распределения интенсивности светового пучка, с использованием многократно проведенных измерений; приведены результаты расчетов автора, сделанных по этой методике; аналогичные расчеты были сделаны автором и для других оптических схем - их результаты приведены в публикациях с участием автора [38-43].
В статье: Летфуллин Р. Р., Заякин О. А. "Наблюдение эффекта дифракционной многофокальной фокусировки излучения" [40] автором, в дополнение к результатам, изложенным в [39], был проведен факторный анализ погрешности; автором было экспериментально доказано, что вклад неоднородностей распределения интенсивности светового пучка много меньше, чем влияние интерференции на защитном стекле и поверхности ПЗС-фотоприемника.
В статьях: Letfullin R. R., Zayakin О. A. and George Т. F. "Diffractive Focusing of Wide-Aperture Beams: Theory and Experiment" [41], Letfullin R. R., Zayakin O. A. "Effect of diffractive focusing of Gaussian beam" [42], Letfullin R. R., Zayakin 0. A. "Diffractive focusing of a Gaussian Beams" [43] приведены результаты таких же экспериментов, как и описанные в [38 - 40] но уже с пучком света, который до фокусировки имел не прямоугольный, а гауссов профиль распределения интенсивности. Этот случай более близок к тому, который исследован в данной диссертационной работе. Вклад автора в эти работы соответствует тому, что было им проделано в [38 - 40].
Автор глубоко признателен В. Н. Белопухову, В. Г. Волостникову, Р. Р. Летфуллину, В, Н, Подвигану, а также всем сотрудникам СФ ФИАН, принимавшим участие в выполнении работ, составивших основу диссертации.
Требования к системам измерения отклонений формы
Рассмотрим требования, предъявляемые стандартами к разрабатываемой ИИС.По ГОСТ 17353-89 [34], она должна обеспечивать следующие функции: автоматическое управление процессом измерения; автоматический сбор и обработку измерительной информации; автоматическое исключение систематических погрешностей; визуальное отображение и регистрацию результатов измерения в цифровом и графическом виде. Система должна удовлетворять общим техническим требованиям ГОСТ 17353-89, предъявляемым к средствам измерений отклонений формы и расположения поверхностей. Это "требования назначения", объединяющие в себедопускаемые погрешности средства измерений и параметры его функции преобразования; а также требования надежности, стойкости к внешним воздействиям, транспортабельности, безопасности, конструктивные требования. Из них наиболее важный параметр - допускаемая погрешность при измерении отклонений от круглости. Для двух разных классов точности средств измерений, разделяемых этим стандартом, ее величина определена ±10% и ±15% от измеряемой величины. Заметим, что данный стандарт ориентирован на контактный метод измерений геометрических величин.
Согласно ГОСТ 8.009-84 [65], разрабатываемая ИИС должна иметь нормируемые метрологические характеристики, из них наиболее важные - пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей, которые должны определяться по стандартным методикам статистики. Для разработчиков новой техники важно, что ГОСТ 28187-89, определяющий общие требования к методам измерения отклонений формы и расположения поверхностей, допускает измерения любыми физическими методами, при соблюдении отраслевых требований.
Стандартная методика, по которой ИИС должна обрабатывать измерительную информацию для расчета требуемых статистических параметров контролируемых объектов, описана в предыдущем подразделе.
Рассмотрим числовые значения основных параметров номинальной формы и отклонений от нее, которые используют для оценки качества рабочих поверхностей деталей подшипников.Детали подшипников имеют стандартные номинальные размеры согласно ГОСТ 520-2002 [5] и ГОСТ 8338-75 [60]. Первый из них устанавливает классы точности подшипников, в зависимости от которого различаются допуски на параметры рабочих поверхностей.
Согласно стандартам, технологическими параметрами волнистости и гранности считаются амплитуда волнистости и их спектральный состав (номер гармоники определяется количеством волн по окружности), причем, в зависимости от числа биений допуски на амплитуду волнистости существенно отличаются. Так, по ГОСТ 24643-81, для колец с диаметром от 10 до 18 дім класса точности 5, применяемых в широко распространенных типоразмерах подшипников, допускается наличие отклонений формы геометрического профиля не более 2мкм. В России в отдельных отраслях промышленности для волнистости поверхности существуют свои нормативы. Например, в подшипниковой промышленности для шлифования колец на станках-автоматах установлены допуски на высоту волн [I]. Так для подшипниковых колец с диаметром до 18 ДІЛІ этот параметр составляет 0,4 мкм и 0,15 мкм для класса точности 0 и 5 соответственно. По оценкам специалистов ЗАО "Самарский подшипниковый завод-4" (г. Самара), допускается волнистость с отклонением от номинального профиля 1 мкм на базе 400 л«ш. В некоторых зарубежных фирмах считают, что для подшипников качения диаметром от 6 до 12 лш допустимая амплитуда периодических неровностей уменьшается с увеличением числа волн на окружности с 1 мкм при двух волнах до 0,3 мкм при восьми волнах [1].
Относительная погрешность измерений на практике часто существенно превышает класс точности прибора. Это особенно характерно для рассматриваемого вида контроля. Так, при измерении гранности, согласно [4], количество отсчетов цены деления кругломера должно составлять не менее четырех - восьми, а при измерении волнистости -двух- трех, В [1] указано, что для наиболее качественных поверхностей, допустимые отклонения от круглости которых составляют от 0,1 до 0,3 мкм, погрешность их измерений на практике достигает величин от 40 до 50%.
Рассмотрим те особенности процедуры измерений отклонений от круглости контактным методом, описанные в [4], которые важны в рассматриваемой задаче. Так, измерение отклонений от круглости деталей подшипников следует производить "методом относительного прецизионного вращения" измерительного преобразователя или контролируемой детали. Измерение отклонений от круглости следует производить по нормали к контролируемой поверхности. Рекомендуемые в [4] схемы измерений колец шариковых радиальных подшипников - в середине дорожки качения. Измерения отклонений от круглости дорожки качения колец подшипников следует производить в одном сечении. Тем самым методика не противоречит ГОСТ 520-2002, согласно которому отклонения от круглости измеряются в радиальном направлении.Внешние условия измерений и условия эксплуатации разрабатываемой ИИС, а также требования к ней, связанные с этими условиями, приведены в приложении С.
Приведенные данные дают основной материал для определения требований к разрабатываемой ИИС. Однако не все требования удается получить из существующих стандартов, относящихся к контролю качества подшипников, поскольку в этих стандартах не рассмотрен метод зондирования поверхности световым лучом. Некоторые из этих требований определяют стандарты лазерной безопасности, но они не учитывают особенности задачи. Поэтому часть требований к разрабатываемой ИИС, определяемых спецификой применяемого в ней способа измерений, сформулирована автором самостоятельно. Они приведены в разделе 3.
В данном подразделе проведен анализ существующих методов контроля отклонений формы рабочих поверхностей деталей подшипников. Обращено внимание как на достоинства, так и на недостатки и ограничения этих методов. С помощью этого анализа автором изучены проблемы и актуальные направления развития в рассматриваемой предметной области. Полученные сведения об известных разработках сопоставлены с техническими решениями, предлагаемыми автором, с целью оценки научной новизны и практической значимости своей работы. Кроме того, рассмотрены и другие физические методы, которые могут быть адаптированы для указанного вида контроля. Рабочий диапазон и допускаемая погрешность измерений, достижимые с помощью этих методов, сравнивались с требованиями рассматриваемой задачи. Возможные альтернативные технические решения, основанные на этих методах, сопоставлены по сложности их реализации со способом, предлагаемым автором.
До настоящего времени основным методом измерения микронеровностей поверхности является контактный метод. Он состоит в зондировании поверхности остро заточенной иглой, приводимой в поступательное перемещение по определенной трассе вдоль поверхности. Радиус закругления иглы составляет от 1,5 до 10 мкм в зависимости от типа прибора, а также шероховатости и формы контролируемой поверхности. Усилие, с которым игла воздействует на поверхность, не превышает 0,001 Я. Механические колебания иглы преобразуются в электрические колебания. Наибольшее распространение получили индуктивные преобразователи.
С развитием средств вычислительной техники приборы, основанные на щуповом методе, стали одной из основных частей широкого класса автоматизированных координатно-измерительных машин и измерительных роботов [12, 19, 66, 67]. В настоящее время контактные методы развиваются в направлении повышения скорости сканирования контролируемой поверхности. Расширяются также функциональные возможности ИИС с их использованием. Того и другого достигают, комбинируя контактные методы с другими методами измерений или, соответственно, преобразований сигнала. Для этого часто используют оптические методы [6, 68,69].
В приложении В приведены некоторые параметры контактных профилометров и кругломеров, используемых в настоящее время для контроля отклонений формы рабочих поверхностей деталей подшипников.
Модель оптической схемы измерений и основанные на ней алгоритмы восстановления профилей и контурной картины поверхности
Ограничимся рассмотрением таких случаев, когда контролируемая поверхность имеет слабый рельеф, то есть, ее отклонения от круглости незначительны, по сравнению со средним радиусом номинального профиля.
Рассматриваемые в данной работе контролируемые изделия имеют вид одно-полостного тела вращения с криволинейной наружной поверхностью:
Типичным примером подобных тел вращения являются внутренние кольца шарикоподщипников. Для них функция профиля будет соответствовать тороидальной поверхности:где RT, г - радиусы тороидальной поверхности.В рассматриваемом виде контроля R{z)»H{p,z).
Двумерный лазерный триангулятор должен обладать возможностью воспроизведения на математическом уровне как функции номинального профиля R(z), так и случайной функции H( p,z), в используемой системе координат. Такие возможности могут быть реализованы в результате выбора схемы сканирования и условий регистрации входного сигнала.
Рассмотрим модель оптического сканирования в приближении геометрической оптики при названных в подразделе 2.1 допущениях.
На рисунке 2.2 изображена тестируемая поверхность в зоке оптического контроля. Параллельно оси OZ, со смещением величиной d в положительном направлении оси OY проведена прямая А В, В направлении данной прямой производится сканирование поверхности вдоль оси вращения источником излучения. Луч а, падающий на поверх Отраженный луч b регистрируется линейным фотоприемником, апертура которого совпадает с осью . Вместо линейного фотоприемника может быть использованматричный. Тогда его ориентируют так, чтобы столбцы матрицы были параллельны оси . С этой осью совмещается серединный столбец матрицы. Чтобы искать и регистрировать луч Ь, отраженный от поверхностей с различными наклонами, фотоприемник имеет возможность перемещаться по дуге радиуса L в диапазоне углов [у/, ,у/2] Величины d и L определяют конфигурацию схемы. Будем называть их "параметрами настройки" оптической схемы.
Информативными параметрами входного сигнала являются значение угла і//, который отсчитывается от положительного направления оси ОХ и который соответствует энергетическому центру отраженного пучка на матричном фото приемнике (или на фотоприемной поверхности, образуемой движением линейного ПЗС-фотоприемника), и координата этого энергетического центра на фотоприемнике.
При работе ИИС сканирование всей поверхности осуществляется дискретным перемещением источника света по прямой АВ в точках с координатами гк гк_ +Дг ишаговым разворотом контролируемого изделия вокруг оси ОТ..При помощи описанной модели получим формулы для определения координат освещенной точки контролируемой поверхности на каждом шаге сканирования.
В уравнении падающего луча а заданы две из трех координат - это х и у. Третью, неизвестную координату можно найти из условий зеркального отражения луча света. Как известно [111], они описываются векторными соотношениями: Эти соотношения определяют принадлежность входящих в них векторов одной плоскости и равенство углов падения и отражения. Записывая данные соотношения в развернутом виде и дополняя их уравнением падающего луча, получаем математическую модель измерительного преобразователя в следующем виде:где bx, byf Ьг - проекции луча Ъ на соответствующие координатные оси;Fx, Fy, Fs - частные производные функции поверхности в освещенной точке.
Для упрощения уравнений (2.12) переходим от декартовых координат { х, у, z }, к системе цилиндрических координат { ре, д с, г }. Располагаем ее так, чтобы направления осей г и 2С совпадали, а отсчет углов рс начинался от положительного направления оси ОХ в сторону положительного направления оси OY. Уравнения связи между обеими системами имеют вид:
В новом базисе теперь две координаты из трех оказываются неизвестными - это рс и q c. Однако в оптической схеме измерительного преобразователя они связаны между собой соотношением:Решая уравнение (2.12) в новом базисе, какую-нибудь одну из них можно выразить через другую. В результате опять остается только одна неизвестная переменная, в качестве которой естественно выбрать радиус рс.
Следующие уравнения представляют собой связь между производными функции поверхности, записанными в двух выбранных нами системах координат измерительногопреобразователя;где f -.функция отклонения от номинальной формы. Тогда BF/dp = l.Подставив (2.15) в (2.12), можно видеть, что математическая модель приобретает вид системы нелинейных дифференциальных уравнений, содержащей кроме одной неизвестной координаты рс еще две неизвестные величины - производные функции поверхности dF(d pc и dF/dzc .Попытаемся найти неизвестную величину рс, рассматривая уравнения (2.12) как систему четырех алгебраических уравнений с тремя неизвестными.
Используя тот факт, что уравнения (2.12) в новом базисе являются линейными относительно неизвестных dFfd pc и dFjdzc, выразим из этой системы указанныепроизводные в явном виде. Для этого, оказывается, достаточно взять любые два уравнения из четырех, имеющихся в системе (2.12), так как, если рассматривать эту систему как линейную относительно dFjB и dF/8zc , то матрица ее коэффициентов имеет ранг, равный двум. Это означает, что два оставшихся уравнения, из которых путем подстановки исключены неизвестные dFjd pc и dF/dzc, представляют собой тождества.
Таким образом, решить эту систему относительно рс не удается. Но можно получить из нее дифференциальное уравнение, связывающее рс и его первую производную по какой-либо другой координате - рс или zc. Покажем это.
Выбрав, для определенности, первое и четвертое уравнения из системы (2.12), получаем выражения для производных следующего вида:где pR - угол поворота детали с измеряемой поверхностью;zR смещение источника излучения. Перечисленные переменные задаются независимо, известным способом, Назовем их "переменными сканирования", их отсчет ведем в той же выбранной нами системе цилиндрических координат измерительного преобразователя.
Специализированные технические средства
Регистрация пространственного распределения интенсивности требует применения координатно-чувствительного фотоприемника. В рассматриваемой ИИС использованы, в разных ее конфигурациях, как линейный, так и матричный фотоприемники. Особенности работы ИИС с матричным фото приемником рассмотрены в конце этого раздела. Рассмотрим конфигурацию ИИС с линейным позиционно-чувствительным фотоприемником. В качестве такового использован линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью типа К1200ЦЛ1, серийно выпускаемый в России [125, 126]. Он содержит 1024 ячейки фотосекции размером 15 на 15 мкм; динамический диапазон достигает 60 дБ по напряжению; скорость считывания строки достигает 3 кГц.
В силу недоступности серийных контроллеров этого прибора и устройств сопряжения с компьютером, в СФ ФИ АН была разработана соответствующая аппаратура. Контроллер ЛФПЗС выполнен в виде двух отдельных устройств, функционально представляющих собой единое целое. Одно из них непосредственно связано с ЛФПЗС, а другое выполнено в виде отдельного блока. В функции этих устройств входит генерирование управляющих сигналов и напряжений питания микросхемы ЛФПЗС, формирование аналогового сигнала, пропорционального распределению интенсивности в апертуре фотонриемника, одновременное его дублирование в цифровой форме, генерирование импульсов синхронизации, сопровождающих эти сигналы.
Аналоговый сигнал с напряжением от 0 до 2 В имеет ступенчатую форму, в зависимости от времени. По своей форме он напоминает телевизионный видеосигнал. Сигнал разворачивается во времени, ступенька за ступенькой, соответствующей последовательному опросу элементов фотосекции ЛФПЗС. Напряжение сигнала в пределах каждой ступени пропорционально освещенности соответствующей фотосекции, если не учитывать постоянную составляющую, величина которой может регулироваться вручную. Каждая ступень сопровождается синхроимпульсом. По завершении цикла опроса всех элементов фотосекции выдается кадровый синхроимпульс с отдельного выхода. Цифровой сигнал имеет 10 разрядов. Сигнал с каждого из них одновременно поступает на свой выход многоконтактного разъема. На одиннадцатый вывод этого разъема подается сигнал синхронизации, сопровождающий каждую ступень аналогового сигнала и соответствующего ему изменения цифрового сигнала.Синхроимпульсы имеют стандарт ТТЛ-логики. Кадровые синхроимпульсы имеют инверсную логику, а элементные — прямую.
Опишем компьютерные адаптеры внешних устройств, примененные в разрабатываемой ИИС. Все эти адаптеры были разработаны в СФ ФИАН. Их общей характерной чертой является то, что они подключаются к компьютерной шине расширения в стандарте ISA, точнее, ISA-8, то есть используют 8-разрядную шину данных. Если данные, которые считываются из адаптера, имеют большую разрядность, то их чтение выполняется по байтам за две последовательные команды компьютера. Для исполнения такой последовательности команд адаптеры спроектированы соответствующим образом.
Для сопряжения ЛФПЗС с компьютером в СФ ФИАН разработан адаптер в стандарте ЮМ PC. Он предназначен для ввода в цифровом виде одного кадра с ЛФПЗС, состоящего из 1024-х следующих друг за другом сигналов по 10-разрядноЙ шипе. Разряды 11-й и 12-й в этой шине служат для передачи синхронизирующих импульсов - кадрового (согласно термину разработчиков) и элементного, то есть, строчного. Считается, что каждая строка состоит из одного элемента, так как ПЗС-фотоприемник - линейный. В данной работе для простоты будем называть данные с ЛФПЗС строкой. Указанные синхроимпульсы циклически выдаются контроллером ЛФПЗС, независимо от адаптера.
Скорость поступления цифровых данных не синхронизирована с циклом команд процессора компьютера. Для сохранения данных в адаптере предусмотрено БЗУ - буферное запоминающее устройство. Процесс записи в БЗУ кадра с ЛФПЗС идет по инициативе внешнего устройства - контроллера ЛФПЗС.
Процессы записи кадра с ЛФПЗС и считывания данных в компьютер организованы в адаптере по принципу микропрограммного управления. Эта микропрограмма также выполняется асинхронно по отношению к компьютеру.
Команды на адаптер от компьютера поступают по системной шине ISA, к которой адаптер подключен непосредственно. Код команды передается по шине данных компьютера. При этом на шине адреса внешних устройств компьютера должен быть выставлен код адреса адаптера. Процесс считывания происходит по одному элементу за одну команду компьютера. Для указания порядкового номера считываемого элемента кадра в адаптере предусмотрен счетчик.
Так как все команды выполняются адаптером асинхронно, то в программе компьютера должны быть приняты меры к тому, чтобы синхронизировать работу компьютера и адаптера, так как сигналы готовности, а также подтверждения выполнения команды адаптер не выдает. Практически такая синхронизация осуществляется введением задержек времени перед выполнением следующей команды компьютера.
Для сопряжения датчика угла поворота с компьютером в СФ ФИАН разработан адаптер в стандарте IBM PC. Он предназначен для вводя в цифровом виде сигнала, пропорционального углу поворота каретки с фотоприемником в оптико-механическом блоке устройства. Кроме этого, на него поступают сигналы с концевых выключателей, ограничивающих диапазон этого перемещения, а также сигналы, управляющие двигателями оптико-механического блока в виде кодов команд, которые можно выдавать непосредственно с оптико-механичесокого блока. Эта дополнительная возможность предусмотрена для удобства пользователя. Адаптер также связывает датчик угла поворота с источниками питания компьютера, они выдают напряжения, необходимые для работы датчика. Это сделано для упрощения конструкции ИИС.
Особенность используемого датчика в том, что он не выдает значения угла поворота или величину, ему пропорциональную, а выдает сигналы при инкременте или декременте этого угла на один шаг дискретизации - 1024 за один оборот датчика, причем в кодовой форме. Поэтому в адаптере производится расшифровывание поступающих сигналов и определение по ним полного угла поворота, то есть от нулевого положения. Так как требуется достаточно высокое разрешение датчика по углу, то цифровое представление сигнала занимает более восьми разрядов. Поэтому чтение в компьютер показаний угла поворота, точнее, величины, пропорциональной ему, производится за две команды, по одному байту.
Влияние локальных дефектов контролируемого объекта на входной сигнал, эксперименты сматричным фотоприемником
Часть экспериментов, о которых было сказано в предыдущем подразделе, была повторно выполнена в другой конфигурации ИИС. Про отличия этой конфигурации от рассмотренной выше было сказано в начале данного раздела. Напомним, что основное отличие заключалось в применении матричного ПЗС-фотоприемника. Технические подробности изложены в предыдущем разделе.
Ориентация лазера в данных опытах была нами выбрана по следующим двум причинам. Первая из них заключается в том, что при таком положении лазера легче бороться с влиянием шероховатости контролируемой поверхности, используя поляризатор. Лазер при этом должен работать при величине силы тока накачки выше пороговой. Тогда, вращая поляризатор, можно установить любое требуемое положение плоскости поляризации зондирующего пучка света, при том что интенсивность света после поляризатора уменьшается не более чем в 2 раза, без учета потерь света в поляризаторе. И хотя в наших опытах лазер использовался в режиме суперлюминесцентного светодиода, а не в режиме лазерной генерации, опять же по причине борьбы со спеклами, все же проверка такой конфигурации оптической схемы была полезна.
Дело в том, что при такой ориентации лазера отчетливо видно влияние геометрии лазерного пучка на оптический сигнал. Это влияние сказывается в уширении пучка света на фотоприемнике, что приводит, как было нами выяснено, к существенному возрастанию погрешностей координатных измерений. Желание исследовать влияние этого фактора как раз и определило вторую причину нашего выбора. При этом плоскость главного оптического сечения (то есть плоскость, проходящая через главную оптическую ось - ту ось, от которой отсчитываются углы диаграммы направленности излучения) выходного пучка лазера, в которой наиболее сильно проявляется влияние астигматизма лазера и размеров его излучающей области (эта плоскость лежит в плоскости границы p-n-перехода лазера), не совпадает с главными сечениями астигматизма контролируемой поверхности (это плоскости, проходящие через нормаль к поверхности, в которых эта поверхность имеет наибольшую кривизну - одна плоскость - и наименьшую кривизну - другая плоскость, напомним также, что эти два сечения взаимно перпендикулярны).
Ранее нами были проведены эксперименты по измерению параметров усредненной геометрической формы контролируемых поверхностей. Использовалась эта же, вторая конфигурация оптико-механической схемы. В качестве излучателя был использован полупроводниковый лазер ИЛПН-102 (ПО "Север", г. Новосибирск), отличающийся много-модовой структурой генерируемого излучения, значительным астигматизмом и относительно широкой излучающей областью. Лазер излучал в непрерывном режиме. Фотографии пучка ПЗС-фотоприемником в этой схеме показали, что влияние указаЕшых особенностей излучателя сравнимо, и даже несколько превосходит влияние астигматизма контролируемой поверхности. Поэтому для данных экспериментов нами был использован другой лазерный диод, имеющий лучшее, по сравнению с первым, качество излучения. Более подробно о нем сказано в начале этого раздела.
Как уже отмечалось в начале данного раздела, в этой конфигурации ИИС нами было проведено восстановление эмулированных профилей контролируемой поверхности по зависимостям у/{ф) и 6{q ), полученным при застопоренном двигателе, предназначенном для поворота контролируемого объекта в процессе его сканирования. Была проведена серия из 50-ти измерений, в каждом из которых была определена высота эмулированной гранности. Была задана дискретизация информационного сигнала 60 и 600 отсчетов (в разных сериях опытов) на один радиальный профиль контролируемой поверхности. Измерения проводились по точно такой же методике, как и при работе с восстановленными профилями при координатных измерениях- ее результаты приведены в следующем разделе. А в данном случае измеренная высота эмулированной таким образом гранности (учитывая, что величина это по определению неотрицательна) не превосходила, с вероятносьтью 90%, величины 0Л2мкм. обозначения осей смотрите в подразделе 4.3, условия экспериментов - в таблице 4.1
Рисунок 4.4 - Цифровые фотографии отраженного пучка света на ПЗС-матрицеВ повторных экспериментах по исследованию качества входного сигнала (с учетом преобразования последнего в цифровой код в разрабатываемой ИИС) - рисунок 4.4, 4.5, и таблицу 4.1 - мы ограничились рассмотрением его зависимостей от параметров настройки оптико-механического блока ИИС. Как и в предыдущих аналогичных опытах, варьировался один параметр - смещение d осветителя. Это приводило к изменению угла падения света а . Но при этом, как оказалось, большее влияние на оптический сигнал имело изменение кривизны волнового фронта зондирующего пучка в месте его падения на контролируемую поверхность. Этот факт имел место и в опытах с предыдущей конфигурацией ИИС. Это происходило из-за изменения расстояния осветителя от освещаемого им участка контролируемой поверхности, которое было вызвано изменением смещения d. Названная причина удовлетворительно объясняется с привлечением теории как геометрической, так и волновой (гауссовой) оптики. Тем не менее, для идентификации результатов нами здесь, как и в предыдущем параграфе, использован параметр а . матрице. Значения угла цг (по возрастанию) отсчитываются по горизонтали слева направо, значения угла 9 (или координаты , как удобнее представлять данные) - снизу вверх.
Полученные результаты очень похожи на те, что были получены нами ранее, в первой конфигурации ИИС. В то же время они отличаются от тех картин, которые были получены в других наших опытах, проведенных в данной, второй конфигурации, но с использованием менее качественного излучателя ИЛПН-102. На рисунке 4.5 совершенно не видно никакого наклона пятна света под углом 45 к рамке картины, как на тех фотографиях (они здесь не приводятся). И это при том, что лазер в обоих случаях был ориентирован одинаково. Так что можно заключить, что в опытах, соответствующих рисунках 4.4 - 4.6, астигматизм отраженного пучка света имел место только благодаря астигматизму контролируемой поверхности.
Входной сигнал, получаемый в рассматриваемой конфигурации ИИС, можно оперативно и удобно наблюдать на экране телевизионного монитора, причем делать это можно непосредственно в процессе координатных измерений. Это позволило нам исследовать влияние локальных дефектов на оптический сигнал. Фотографии типичных локальных дефектов приведены на рисунке 1.4. Эксперименты были проведены с кольцом шарикоподшипника того же типа, что были использованы нам прежде в данной работе. Контролируемая поверхность не имела дефектов "гранность" и "волнистость". Параметры настройки оптико-механической схемы сохранялись неизменными, как и в предыдущих опытах, за исключением смещения осветителя d, которое, тем не менее, выбиралось из ряда использованных ранее значений. В данных опытах d=7 мм.
На рисунке 4.6 (а), (б) приведены цифровые фотографии отраженного пучка света, снятые с помощью ПЗС-матрицы. На рисунке 4.6 (а), (г) приведены профили этих распределений интенсивности, полученные из строки, или же столбца цифрового массива данных, соответствующего этим фотографиям. Выбиралась такая строка, или же столбец, который наиболее близок к энергетическому центру пучка света на фотоприемнике. Для получения этих данных, а также двумерных распределений интенсивности, нами была составлена специальная программа. Она была составлена на основе того же драйвера адаптера видеокамеры, который был использован в рассмотренной конфигурации ИИС.
На рисунке 4.5 по горизонтальной оси топограммы, а в аксонометрии - по нижней правой оси, отложены значения величины горизонтальной координаты отраженного пучка света на поверхности регистрации. Значения выражены в дискретных отсчетах цифрового
