Введение к работе
'*' | I.
л"гзіЛ« Актуальность проблемы. Радикальное улучшение качества ^^^остроительной продукции в условиях современного поточного ЇЇрои'збодства, освоение новых технологий в значительной степени зависят от оснащения промышленности высокоэффективными средствами размерного контроля. Такие средства должны обеспечивать бесконтактность одномерных и двумерных измерений, высокие разрешение (ОЛ * I мкм) и быстродействие (от десятков до сотен измерений в секунду), широкий динамический диапазон измерений (от 10 до 50 ъш и более), допускать контроль в большой измерительной зоне (0.5 мм), определяемой неточность положения контролируемого объекта в пространстве. В ряде ответственных производств (например, в атомной промышленности) на измерительные системы возлагается задача 100% контроля комплектующих изделий* Эти средства должны быть перененастраиваемыми на контроль изделий различной конфигурации и, по возможности, допускать измерения не только поперечных, но и продольных (по глубине) размеров.
Существующий контрольно-измерительный парк, базирующийся в основном на контактных средствах и ручном труде, не отвечает указанный требованиям,Кроме того, в этом случае возникает нема-ло проблем, связанных с необходимостью содержания на крупных предприятиях специальных инструментальных цехов,а такяе большого штата контролеров.
Удовлетворить одновременно приведенным требованиям по диапазону и быстродействию не удается и при использовании бесконтактных индуктивных и пневматических датчиков, а такпе тради -ционньпс оптических систем проекционного типа.
В последнее время за рубеаом получили распространение лазерные измерительные системы на базе зеркальных сканеров,выпуска еіше фирмами Oriel (ФРГ), Beta (Великобритания), Anritsu (Япония). Одномерный характер измерений и невысокое пространственное разрешение вдоль направления,ортогонального сканируемому, суъают класс задач, решаемых этими средствами,а повышенная чувствительность к вибрациям препятствует их более широкому использовании в промышленных условиях отечественного производства. От этих недостатков частично свободны теневые одномерные измерители на основе многоэлементных интегральных линеек, однако обеспечивавши ими квгний предел измерений не превосходит 0.05 мм. Что касается коммерческих двумерных измерителей, то поскольку они в
основном базируются на применении ПХ-ыатриц, достичь с их помощью на практике погрешности измерений менее 0.1% затруднительно,
Появление лазеров стицулировало интерес к применению для измерительных целей когерентно-оптических методов обработки информации (фурье-оптики) благодаря достигаемым ими огромной скорости вычислений, большим функциональным ВОЗМОЖНОСТЯМ. В отличие от классической фурье-оптика оперирует с пространственно-частотными спектрами входных оптических распределений, в качестве которых выступают изображения контролируемых объектов,имеющих четкие теневые проекции* Переход средствами фурье-оптик-: от обычных изображений к их интегральным образам создает предпосылки ряя появления нового поколения бесконтактных средств размерного контроля - фурье-оптических измерительных систем дифракционного и корреляционного типов. Они базируются, с одной стороны* на уникальных свойствах спектров мощностей - дифракционных картин Фраунго-фера, связанных с их потенциальной инвариантностью к смещениям объекта в измерительной зоне и отсутствием ограничений на нижний предел измерений (в силу соотношения неопределенностей)^ с другой, - на способности фурье-оптики с высокой производительностью осуществлять над теневыми изображениями объектов. путем пространственно-частотной фильтрации их спектров линейные двумерные интегральные преобразования типа свертки и корреляции.
Исследования и разработки советских и зарубежных ученых в области размерного контроля на основе фурье-оптики в основном были посвящены изучению предельных возможностей классических дифракционных и корреляционных систем на базе согласованных голографичес-ких фильтров Вандер-Люгта в предположении справедливости теневой модели контролируемых протяженных объектов без учета специфики дифракционных явлений на объемных телах* Петрологические характеристики таких систем не отвечали предъявляемым к измерителям требованиям и исключали их надеяяое функционирование в промышленных условиях. При этом многие вопросы создания оптических измерительных систем остались нерешенными: не разработаны теоретические и практические основы создания систем; не исследованы способы повышения точности и расширения диапазона измерений размеров дифракционными и корреляционными методами, их предельные метрологические характеристики; не рассмотрены особенности дифракции света на объемных телах постоянной толщины и возможности одновременного определения по спектрам поперечных и продольных размеров; не изучены вопросы оконтуривания плоских и протяженных объектов.
Указанные вопросы рассмотрены в представленной работе, в которой также обобщены результаты прикладных НИР и ОКР, выполненных в период с 1970 по 1991гг. под научным руководством и при личном участии автора в области создания оптико-электронных измерительных: систем нового поколения.
1.2. Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами НИР ИАиЭ СО АН СССР по темам: "Разработка и исследование методов и средств параллельных оптико-электронных вычислений"(197б-в0гг.) и " Разработка элементов оптических и оптико-электронных вычислительно-информационных систем" (І98І-90ГГ.), ГР 76050043 и ГР 81083906.-
Ряд исследований и разработок проводился б соответствии с решениями директивных органов и включался в координационные планы совместных работ СО АН СССР и министерств*
1.3* Цель исследований - разработка на базе методов фурье-оптики теоретических и практических основ построения нового класса бесконтактных высокопроизводительных систем размерного контро-ля изделий в условиях современного массового производства, создание и апробация опытных и промышленных образцов*
Достижение указанной цели требовало решения следующих задач:
разработка принципов построения бескснтіиіттз: дийраіщион-ных и корреляционных систем измерения с высокой точностью и производительностью геокетрических параметров изделий;
создание конструктивной теории расчета спектров протяженных изделий постоянной толцикы;
исследование особенностей оконтуривания в когерентном свете изображений плоских и протяженных объектов пространственно-частотными фильтрам* j
разработка и исследование новых дифракционных и корреляционных методов размерного контроля;
анализ метрологических характеристик систем, поиск способов их улучшения;
разработка, создание и апробация экспериментальных, опытных и промышленных образцов измерителей.
1.4. Методы исследдваний. Результаты исследований, изложенные в диссертации, базируется на системном подходе и получены путе?! теоретического анализа и численного моделирования на ЗЕМ натурных экспериментов. В работе использованы методы волновой оптики, спектрального и корреляционного анализа, современные метода измерительной и вычислительной техники.
1.5. Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые:
1.5Л. Разработаны основы построения нового класса средств измерений - фурье-оптических измерительных систем ((ЮИС)для автоматического бесконтактного размерного контроля, отличающихся от известных одновременно большим быстродействием ( до сотен изм./с), высоким разрешением (ОЛ т I мкм), широким динамическим диапазоном измерений (0,01 -г 50 мм) и возможностями одновременного измерения параметров по нескольким каналам и перенастройки систем на различные изделия и типоразмеры.
-
Создана и экспериментально подтверждена теория расчета спектров протяженных: объектов постоянной толщины на основе модели эквивалентных диафрагм,позволяющая с приемлемой для практики точностью оценить и учесть влияние объемности на основные метрологические характеристики ФОШ.
-
Исследованы в аналитическом виде спектры абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины - типичных элементов трехмерных тел и установлены зависимости между характерными параметрами спектров и геометрическими размерами объектов.
-
Предложены и исследованы дифракционные методы измерения поперечных и продольных размеров протяженных абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины, геометрических параметров изделий слоеной формы ~ винтоз, а также способы радикального расширения диапазона контролируемых размеров непрозрачных объектов на основе двойной фильтрации их спектров.
-
Аналитически исследованы геометрические и энергетические характеристики контурных изображений плоских и протяженных объектов постоянной толщины,даны рекомендации по выбору параметров оконтуривающих фильтров для целей размерного контроля,
-
Предложены и исследованы быстродействующие высокоточные корреляционные методы определения линейных и пространственных характеристик изделий широкой номенклатуры путем окон-туривания их теневых изображений и сравнения с образцовыми изображениями в пространственно-частотной и в пространственно-временной области.
1.6.Практическая ценность и реализация результатов работы.
1.6Л. Разработаны инженерные основы создания с высокими метрологическими характеристиками фурье-оптических систем бесконтактного контроля геометрических параметров изделий широкой номенклатуры в условиях массового производства.
1.6.2. На основе полученных.результатов совместно с отраслевыми организациями созданы промшленные образцы лазерных дифракционных и корреляционных измерителей ЛЦИ-І и ЛКА. На Новосибирском приборостроительном заводе им.В.И.Ленина в 1982г. и 1985г. выпущены юс первые промышленные серии. В сотрудничестве с СКВ НП СО АН СССР в 1984-85 гг. разработаны и созданы опытные образцы оптических корреляционных измерителей размеров тел вращения гКон-тур-2" и "Контур-З". На их базе созданы автоматы: для разбраковки концевых изделий твэлов по диаметрам (машзавод, г.Электросталь) и для контроля линейных и пространственных характеристик изолято-роз электролитических конденсаторов (ПО "Ииконд", г. Ташкент). Экономический эффект от внедрения разработок на этих заводах составил более 500 тыс.руб. Созданный в ИАиЭ СО АН СССР (1984 - 85гг.) лазерный измеритель диаметров ЛДК-ІМ сдан в промышленную эксплуатацию на Новосибирском заводе химконцентратов (участок контроля геометрических размеров длинномерных оболочек твэлов).
1.7. На защиту выносятся теоретические и практические основы построения и создания фурье-оптическюс измерительных систем, включая:
принципы построения бесконтактных дифракционных и корреляционных систем размерного контроля, обладающих одновременно больший быстродействием (от десятков до сотен изм./с), высоким разрешением (от 0.1 до I мкм),широким динамическим диапазоном (от 0.01 до 50 мм) и возможностями одновременного измерения параметров по нескольким каналам и перенастройки систем на различные изделия и типоразмеры;
конструктивный (простой и физически наглядный) метод расчета спектров протяженных объектов постоянной толщины на основе модели эквивалентных диафрагм;
результаты исследований спектров типичных элементов объемных абсолютно поглощающих тел и установленные при этом аналитические зависимости мезуїу характерными параметрами спектров и геометрическими размерами объектов;
дифракционные методы определения поперечных и продольных размеров протяженных абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины, измерения геометрических параметров изделий слокной формы - винтов, а также способ радикального расширения диапазонов контролируемых размеров непрозрачных объектов на основе двойной фильтрации их спектров;
результаты исследований геометрических и энергетических
характеристик контурных изображений плоских и протяженных объектов постоянной толщины, рекомендации по выбору параметров окон-туривающих фильтров для целей размерного контроля;
быстродействующие высокоточные корреляционные методы измерения линейных и пространственных характеристик изделий широкой номенклатуры на основе оконтуривания их теневых изображений и сравнения с образцовыми изображениями в пространственно-частотной и пространственно-временной области;
результаты исследований характеристик созданных экспериментальных, опытных И" промышленных образцов дифракционных и корреляционных измерителей»
1.8. Апробация работы. Результаты работы докладывались на
Всесоюзных школах-семинарах по оптическим методам обработки ин
формации (Горький, 1974,1976; Рига,1980; Киев, 1984; Фрунзе, 1986),
Всесоюзном научно-техническом симпозиуме (Львов, 1976), Междуна
родном симпозиуме по прикладной голографии (Прага, 1978), 1Д Все-
' соазной конференции по голографии (Ульяновск, 1978), Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе ЭВМ" (Новс/зибирск, 1979), Всесоюзном семинаре "Применение методов рп-тической обработки информации и голографии" (Ленинград, 1980), Международном симпозиуме по оптике и голографии (Страсбург, 1980), Всесоюзном семинаре по современной оптике (Краснодар,1981), Всесоюзном семинаре "Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля точных размеров и углов"(Ленинград, 1984), Всесоюзном семинаре по техническому зрению (Таллин, 1984), Международных советско-западногерманских семинарах по оптике ( Новосибирск, 1982; Фрайзинг, 1983; Новосибирск, 1985), Международном семинаре "Оптические вычисления-80" (Новосибирск, 1986).
Лазерный дифракционный измеритель ДДИ-І и оптический измеритель размеров "Контур-2" демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены Дипломов I степени, а автор награжден бронзовой медалью.
1.9. Личный вклад.Постановка, обоснование задач, способы их
решения и полученные при этом основные научные результаты прина
длежат автору,Разработки оптических измерительных систем на ста
диях ШЮКР и внедрения их в промышленность выполнены сотрудника
ми научного коллектива под руководством и при участии автора.
1.10. Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в
соавторстве опубликована 51 печатная работа, получено 10 авторс
ких свидетельств на изобретения* Результаты исследований и раз
работок изложены также в 5 отчетах по НИР и ОКР.
