Содержание к диссертации
Введение
1. Факторы, влияющие на погрешность измерения бесконтактными триангуляционными системами 12
1.1. Вводные замечания 12
1.2. Конструктивные параметры триангуляционных измерителей, влияющие на погрешность измерения 14
1.2.1. Структурная схема триангуляционного измерителя 14
1.2.2. Обоснование величины угла триангуляции 15
1.2.3. Значение рабочего расстояния и диапазона измерения 17
1.2.4. Влияние плоскости и базиса триангуляции 17
1.2.5. Ошибки оптико - электронной приемной системы 19
1.3. Влияние параметров источников и структуры излучения 20
1.3.1. Типы источников излучения 20
1.3.2. Влияние размера и структуры зондирующего лазерного пятна 21
1.3.3. Принципиальные факторы, ограничивающие предельно достижимую точность триангуляционных систем 24
1.4. Параметры оптической системы переноса изображения пятна в активную область фотоприемника 31
1.4.1. Параметры оптической системы 31
1.4.2. Типы и параметры приемников 32
1.5. Влияние формы, геометрии, микротопологии поверхностей измеряемых деталей 35
1.6. Влияние шумов при считывании сигналов 37
1.7. Выводы 39
2. Оценка влияния на погрешность измерения параметров и характеристик триангуляторов 41
2.1. Вводные замечания 41
2.2. Исследование характеристик диффузного отражения лазерного луча от стальных эталонных образцов шероховатостей типовых поверхностей при различных видах механической обработки 42
1. Цель экспериментальных исследований 42
2. Объект, оборудование и приборы для проведения исследований... 43
3. Исследование диффузного отражения зондирующего пятна различных размеров 44
Оценка геометрического смещения энергетического центра пятна изображении 51
Точность оценки энергетического центра пятна в зависимости от порогаи времени экспозиции 56
Снижение уровня помех при оптическом переносе зондирующего пятна в плоскость активной области фотоприемника 64
Методические положения по обеспечению соответствия структур изображения и объекта 70
Математическая модель триангуляционного измерителя, позволяющая определить его конструктивные параметры,
соответствующие минимальной погрешности измерения 72
Выводы 79
Принципы проектирования бесконтактных триангуляционных измерительных систем 82
Вводные замечания 82
Организационная структура измерительной системы для типовых деталей машиностроения 83
О влиянии степени точности изготовления конструкции триангуляционных измерителей на погрешность измерения 90
Обоснование выбора параметров приемной оптической системы 92 Общая методика обработки сигналов при считывании информации с ПЗС приемника 100
1. Структурная схема обработки сигнала 100
2. Повышение точности измерений путем ограничения помех 103
3 Влияние фильтрации сигнала на точность измерений 107
Программное и математическое обеспечение работы триангуляционных измерительных систем 113
1. Программный комплекс лазерной электронной триангуляционной измерительной системы 113
2. Математическое обеспечение обработки результатов измерения поверхностей деталей 115
Метод обеспечения параметров точности измерения различных деталей 119
Методика проектирования триангуляционных измерительных систем 122
Выводы 128
Практические аспекты использования результатов исследований при внедрении разработок в производство 130
Вводные замечания 130
Общие характерные признаки лазерных триангуляционных измерительных систем и особенности конструктивных решений
основных подсистем их составляющих 132
Триангуляционная система измерения параметров колесных пар «Профиль» 137
Триангуляционная система измерения параметров колесных пар на ходу поезда «Экспресс-Колесо» 140
Триангуляционная система измерения параметров пружин 143
Триангуляционная система измерения геометрических параметров тележек грузовых вагонов «Спрут-М» 146
Триангуляционная система измерения параметров автосцепок «Кит» 149
Триангуляционная система измерения геометрических параметров тормозного башмака «Скан-1» 150
4.9. Триангуляционная система измерения геометрических параметров фрикционных клиньев «Клин-М» 152
4.10. Выводы
- Структурная схема триангуляционного измерителя
- Параметры оптической системы переноса изображения пятна в активную область фотоприемника
- Исследование диффузного отражения зондирующего пятна различных размеров
- Методика проектирования триангуляционных измерительных систем
Введение к работе
Актуальность темы. Показатели качества изделий в машиностроении и машиноремонтировании тесно связаны с применяемыми методами и средствами размерного контроля. Используемые в настоящее время на большинстве предприятий ручные контактные средства измерения геометрических размеров деталей не обеспечивают требуемую точность и оперативность измерений, повышают удельный вес ручного труда. Как следствие, возникает необходимость перехода на более эффективные и точные бесконтактные средства измерений.
Перспективными и получающими все большее распространение бесконтактными средствами размерного контроля являются лазерные триангуляционные измерители, обеспечивающие на расстоянии 30 - 600 мм погрешность измерения 10 - 500 мкм. Монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность лазерного излучения, делают указанные устройства идеальным инструментом размерного контроля. Основные преимущества лазерных триангуляционных измерителей -бесконтактность, высокая точность и быстродействие, возможность зондирования поверхности объекта лазерным излучением, структурированным как в пятно, так и в линию и получение информации о трехмерном профиле измеряемой детали в реальном масштабе времени, возможность контроля любых сред и измерения параметров объектов в динамике, простота реализации, компактность, невысокая стоимость.
Использование лазерных триангуляционных измерителей позволяет исключить из процесса измерения субъективный фактор, что важно при контроле ответственных деталей, рабочие параметры которых в большой мере влияют на безопасность работы различных машин и оборудования, в частности, железнодорожных вагонов, самолетов, автомобилей, тракторов и др.
Значительный вклад в разработку лазерных триангуляционных измерителей внесли К.И. Крылов, СВ. Плотников, G. Haussler, Е. Trucco, К. Harding, D. Svetkoff, М. Rioux и др. [1 ...20].
Однако темпы развития и внедрения лазерных триангуляционных измерителей в производство сдерживаются рядом причин, главной из которых является отсутствие научно - методической базы, обеспечивающей создание высокоточных измерителей. В настоящее время практически отсутствует как методология обоснования рабочих параметров лазерных триангуляционных систем, так и технологические рекомендации по их использованию применительно к измерениям различных типов деталей, а положения и рекомендации по обработке сигналов, настройке, тарировке и юстировке триангуляционных измерителей носят достаточно противоречивый и спорный характер. Фактическая погрешность измерений большинства лазерных триангуляционных измерителей существенно отличается от паспортных значений.
Детали машиностроения характеризуются большим разнообразием формы и топологии поверхностей. При создании бесконтактных лазерных измерительных систем важно обеспечить получение с требуемой точностью информации о поверхности, форме и размерах деталей, что представляет сложную научно - техническую задачу. В первую очередь, необходимо обосновать истинную картину диффузного отражения лазерного излучения от различных поверхностей деталей, разработать методологию приема отраженного излучения, обработки сигналов, считываемых с приемника, с обоснованием алгоритмов математического и программного обеспечения.
Замена ручных контактных средств размерного контроля автоматизированными бесконтактными триангуляционными измерителями позволит полностью исключить субъективный фактор. Поэтому научные исследования, целью которых является разработка методики проектирования и разработка лазерных электронных триангуляционных измерительных систем с высокой точностью измерения, являются в настоящее время актуальными.
Цель работы заключается в разработке методики проектирования высокоточных лазерных электронных триангуляционных измерительных систем для промышленного размерного контроля формы изношенных деталей на основе исследований основных факторов, влияющих на погрешность измерения.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить взаимосвязь конструктивных параметров триангуляционных
измерителей и их влияния на погрешность измерения;
- оценить влияние шероховатости поверхностей на параметры
диффузного отражения и связанные с ними оптические помехи, искажающие
сигнал на приемнике;
определить параметры оптической системы переноса изображения зондирующего пятна в активную область фотоприемника;
оценить влияние формы, размерных характеристик и микротопологии поверхностей измеряемых деталей;
оценить влияние шумов от оптических помех при считывании сигналов и разработка комплексного метода с целью их устранения для снижения погрешности измерения.
Методы исследований. В работе использовались методы теоретико -множественного и эвристического подходов, математической статистики, спектрального и функционального анализа. Данные теоретические методы сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования и физического эксперимента.
Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
1. Разработаны теоретические и практические основы проектирования триангуляционных измерительных систем при рабочих расстояниях 30-600 мм, в том числе метод обеспечения заданной точности измерения параметров различных деталей.
Установлены взаимные связи основных параметров триангуляционных измерителей и определено их влияние на погрешность измерения.
Установлены закономерности влияния топологии и микротопологии типовых поверхностей различного класса чистоты механической обработки на их свойства диффузного отражения.
Разработана методика определения размеров зондирующего пятна и масштаба его переноса в активную область фотоприемника.
Предложен комплексный метод обработки сигналов и алгоритм его реализации, включающий ограничение помех, фильтрацию и определение центроиды пятна изображения.
На основе разработанных методических материалов созданы действующие лазерные электронные триангуляционные системы, проведена их апробация и осуществлено внедрение в производство.
Новизна технических решений по созданию триангуляционных измерительных систем подтверждается патентами № № 2262660 от 20.10.2005 г., 2270979 от 27.02.2006 г., 18850 от 20.07.2001 г., 18851 от 20.07.2001 г, 30970 от 10.07.2003 г., 32874 от 27.09.2003 г., 33814 от 10.11. 2003 г., 35435 от 10.01.2004 г., 36508 от 10.03.2004 г., 37550 от 27.04.2004 г., 37555 от 27.04.2004 г., 43357 от 10.01.2005 г., 43360 от 10.01.2005 г., 45520 от 10.05.2005 г, 50650 от 20.01.2006 г., 50651 от 20.01.2006 г.
Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили определить типовые схемы триангуляционных измерителей для различных групп деталей, объединенных по общим конструктивным признакам, и разработать методику проектирования триангуляционных измерительных систем. В настоящее время внедрены в производство ООО «АГРОЭЛ» следующие лазерные электронные триангуляционные измерительные системы для измерения различного типа деталей различной формы, составляющих ходовую тележку грузовых вагонов, что подтверждается соответствующими актами:
- триангуляционная система измерения параметров колесных пар «Профиль»; триангуляционная система измерения параметров колесных пар на ходу поезда «Экспресс-Колесо»; триангуляционные системы измерения параметров пружин «Лазер-М» и «Стрела-М»; триангуляционная система измерения геометрических параметров тележек грузовых вагонов «Спрут-М»; триангуляционная система измерения параметров автосцепок «Кит»; триангуляционная система измерения геометрических параметров тормозного башмака «Скан-1»; триангуляционная система измерения геометрических параметров фрикционных клиньев «Клин-М».
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика проектирования триангуляционных измерительных систем, обеспечивающая с точностью 50-500 мкм измерение параметров деталей сложной формы и движущихся объектов.
Математическая модель триангуляционного измерителя, позволяющая определить его конструктивные параметры, соответствующие минимальной погрешности измерения.
Комплексный метод обработки сигнала и алгоритм его реализации, включающий адаптивное ограничение помех, фильтрацию и определение центра пятна изображения, позволяющий повысить точность измерений на (25-40) %.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, среди которых: международная конференция «Неразрушающий контроль и компьютерное моделирование в науке и технике» (Санкт-Петербург, 1999 г.), отраслевая конференция «Лазеры, измерения, информация» Санкт-Петербург, 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г.), конференция «Лазеры для медицины, биологии и экологии « (Санкт - Петербург, 2001 г., 2002 г.), Первый международный Радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, 2002 г.), семинар «Неразрушающий контроль и безопасность на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2004 г.), Второй международный
Радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, 2005 г.), Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий» (Владимир, 2005 г.), 14-я международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, из них 33 статьи, 15 тезисов докладов на конференциях, 16 патентов, 3 свидетельства о регистрации программ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 147 наименований и 11 приложений. Диссертация содержит 172 стр., в том числе основного текста 137 стр., 8 таблиц и 69 рисунков.
Структурная схема триангуляционного измерителя
Параметры назначения вытекают из существа практических задач, определяющих необходимость создания той или иной измерительной системы. Определяющим фактором при этом является конфигурация детали или группы деталей, объединенных общими типовыми признаками. Параметры точности, макро - и микротопологии обрабатываемых поверхностей, подлежащих измерению, определяют выбор рабочего расстояния h и диапазона измерения Ah, задаваемого исходя из необходимости охвата всех поверхностей измеряемой детали, находящейся на определенном расстоянии.
В настоящее время в практике измерений наиболее широко используются триангуляторы с рабочим расстоянием 30 - 600 мм и с диапазоном измерения от + 1 до + 300 мм. Увеличение рабочего расстояния влечет за собой увеличение погрешности измерения [22,23].
Конструкция триангуляционного измерителя должна обеспечивать компоновку всех его сборочных единиц с точностью, обеспечивающей получение измеряемой величины с заданным значением погрешности. При этом основными параметрами конструкции являются плоскость триангуляции и базис.
Плоскость триангуляции должна обеспечиваться присоединительными элементами крепления лазерного источника и оптико - электронной системы. Несоответствие истинной плоскости триангуляции теоретической (расчетной ) может вызывать дополнительные погрешности.
В связи с этим к корпусной части конструкции триангуляционного измерителя предъявляются очень высокие требования с точки зрения точности изготовления.
Базис - это известная задаваемая сторона треугольника, которая соединяет центр главной линзы объектива ( в пересечении продольной и поперечной оси ) с оптической осью излучателя под прямым углом. Известное численное значение меры длины базиса В и принятый угол триангуляции а являются основой для исчисления расстояния от плоскости излучения до поверхности измеряемой детали.
Нетрудно видеть, что базис В, рабочее расстояние h и угол триангуляции а взаимно связаны между собой. Базис является неизменным параметром, а рабочее расстояние и угол триангуляции изменяются в пределах диапазона измерения.
Базис, в основном, конструктивно зависит от взаимного расположения излучателя и оптико - электронной системы приема на опорной базе измерителя, которая с высокой точностью должна быть обработана. Однако при рабочих расстояниях более 100 мм, как правило, вторая точка базисной линии выходит за пределы конструкции измерителя и является мнимой. Это обстоятельство необходимо учитывать при конструктивном оформлении опорной базы излучателя и оптико - электронной системы и в присоединительных элементах применять класс точности обработки, соответствующий заданной погрешности измерения.
Несущая корпусная часть триангуляционного измерителя должна быть достаточно жесткой с точки зрения классной механической обработки и при монтаже на нее излучателя и оптико - электронной системы обеспечивать заданные параметры измерителя: базис, рабочее расстояние и угол триангуляции.
Одним из факторов, влияющих на точность измерения, является характер распределения интенсивности отраженного светового сигнала, зависящий от состояния поверхностью измеряемой детали и геометрии оптико - электронной приемной системы.
Ошибки изображения, обусловленные геометрией триангуляционной измерительной системы, могут быть отнесены к трем группам: ошибки, связанные с расфокусировкой; аберрациями; ориентацией приемника.
Расфокусировка отраженного излучения возникает, главным образом, в триангуляционных измерителях с перпендикулярной ориентацией фотоприемника относительно оптической оси объектива. Степень расфокусировки изменяется в пределах диапазона измерения Ah, что делает измеритель чувствительным к асимметрии зондирующего пятна, возникающей вследствие вариаций отражения от объекта в пределах угла обзора объектива. Одним из путей сохранения зондирующего пятна в фокусе является использование фотоприемников с динамической юстировкой.
Аберрации и ориентация приемника влияют на точность измерений и ограничивают выбор конструкции триангуляционной системы. Дисторсия и кривизна поля влияют на линейность. Возможность их корректировки жестко связана с такими параметрами системы изображения ( приемного тракта ) как телецентричность и ориентация фотоприемника. Нелинейность основной функции передачи является одним из основных факторов, влияющих на погрешность измерения.
Одним из важнейших элементов триангуляционного измерителя является объектив, фокусирующий зондирующее пятно на приемник. С одной стороны, для повышения отношения сигнал - шум и уменьшения влияния спеклов надо иметь большую апертуру объектива, но с другой стороны при увеличении апертуры пропорционально растет расфокусировка пятна. Меньший размер апертуры обеспечивает «угловую фильтрацию», в результате чего приемник становится менее чувствительным к шумам, связанным с эффектами переотражения на объекте [18].
Параметры оптической системы переноса изображения пятна в активную область фотоприемника
Наиболее часто в качестве приемников в триангуляционных измерителях используются линейные ПЗС приемники или матрицы и координатно -чувствительные детекторы (КЧД). Достоинства КЧД, являющихся аналоговыми устройствами - простота обработки сигнала, высокое быстродействие - до 200 кГц, отсутствие зависимости выходного сигнала от распределения интенсивности света в пятне изображения. Недостатки КЧД связаны с высокой чувствительностью к интенсивности пятна, что приводит к изменению расчетного положения пятна при изменении его интенсивности, и с возможностью определения только центроиды пятна.
Существенное преимущество ПЗС приемника заключается в том, что он позволяет точно определить форму и интенсивность распределения светового пятна. В том случае, когда приемник расположен в соответствии с условиями Шеймпфлуга и оптическая система в приемном тракте не свободна от аберраций, для обеспечения требуемой точности измерений следует использовать ПЗС приемник. Кроме того, ПЗС приемник имеет по сравнению с КЧД лучший баланс чувствительности и быстродействия, может работать при достаточно низком уровне светового сигнала и позволяет производить последующую цифровую обработку сигнала.
В промышленно выпускаемых лазерных триангуляционных измерителях используются как КЧД, так и ПЗС приемники. Быстродействие большинства триангуляционных измерителей с ПЗС приемниками составляет 1 - 2 кГц; наиболее высокое быстродействие в этом классе приборов имеет модель ILD 2000-20, выпускаемая фирмой Micro Epsilon- 10 кГц [59].
При проектировании пятна изображения на поверхность ПЗС приемника важно получить пятно с малыми размерами по обеим осям. Чрезмерно большое пятно будет засвечивать слишком много пикселей. Размазывание света в активной области приемника приводит к потере мощности излучения и затрудняет определение положения пятна, кроме того, ограничивается разрешение системы. Интенсивность пятна изображения в активной области ПЗС приемника при перемещении по рабочему диапазону уменьшается и пиксели на краях активной области не будут участвовать в формировании сигнала. Меньший диаметр пятна изображения позволяет сместить изображение ближе к краям ПЗС приемника, «освобождая» пиксели, которые могут быть использованы для повышения общего разрешения системы. Также очень важно, чтобы пятно перемещалось вдоль центральной оси приемника при изменении высоты объекта. Перемещение изображения по диагонали приемника может сказаться на точности измерений [25].
В литературных источниках отсутствуют четкие критерии по выбору размера пятна изображения с точки зрения оптимального количества засвечиваемых пикселей на ПЗС приемнике. В [9] просто констатируется, что размер пятна изображения должен быть значительно больше размера пикселя.
В [12] установлен факт флуктуации центроиды пятна в присутствии лазерных спеклов. Смещение энергетического центра пятна в зависимости от времени экспозиции показано в [60] при измерении шероховатых поверхностей.
Принципиальным моментом является выбор параметра регистрируемого на приемнике пятна отражения, несущего информацию о геометрии объекта. Моделирование и экспериментальные результаты, полученные в [62], свидетельствуют, по мнению авторов, о том, что в качестве такого параметра может быть использовано положение максимума кривой распределения интенсивности пятна отражения точно соответствует смещению объекта. Однако величина максимума очень чувствительна к различным источникам ошибок. Поэтому вопрос о выборе размеров пятна отражения, наиболее адекватно отражающего реальную геометрию объекта, остается открытым и требует дополнительных исследований.
Эксперименты на диффузных поверхностях [61] показали, что форма кривой распределения интенсивности является асимметричной; при этом интенсивность и величина максимума кривой распределения изменяются в случае смещения объекта. Флуктуация интенсивности при несимметричном характере кривой распределения обуславливают изменение положения центроиды. Поэтому для снижения погрешности измерения следует определить особенности положения максимума кривой распределения интенсивности. При увеличении расстояния между источником излучения и объектом максимум на кривой распределения смещается и его величина растет. Если относительное смещение объекта фиксировано, положение максимума распределения остается постоянным, в то время как величина максимума изменяется при изменении наклона объекта. Зависимость между положением максимума распределения и смещением объекта является практически линейной, однако в том случае, когда расчет геометрических размеров параметров объекта осуществляется по центроиде распределения интенсивности, отношение между выходным сигналом ПЗС приемника и реальным смещением объекта будет изменяться ввиду асимметрии кривой распределения интенсивности.
В [18] также полагается, что на шероховатых поверхностях метод определения центроиды пятна не может служить хорошим индикатором положения зондирующего лазерного пятна на поверхности объекта. Наиболее важным фактором, влияющим на точность измерений при диффузном отражении зондирующего лазерного пучка от исследуемой поверхности, является распределение интенсивности в пятне изображения на поверхности приемника.
Исследование диффузного отражения зондирующего пятна различных размеров
В соответствии с методикой, изложенной в Приложении 2, были исследованы диффузные отражающие свойства эталонных образцов шероховатости различной механической обработки в пределах 4-ого - 14-ого класса чистоты обработки.
Исследования проводились на лабораторном приспособлении АЭК 50. Каждый эталонный образец шероховатости устанавливался на рабочую позицию и фиксировался зажимным винтом. Рабочая позиция, соединенная с гладкой подвижной частью микрометрического винта микрометра, по мере исследований перемещалась поворотом его рукоятки на величину 1 - 2 мм в зависимости от размера зондирующего пятна. Лазерный модуль излучал лазерное пятно различного размера на эталонный образец, а приемник воспринимал отраженный сигнал. Опыты проводились с зондирующими пятнами диаметром 0,1; 0,3; 1,0; 2,0 мм при углах триангуляции 45, 50, 55, 60, 65, 70 и 75.
Блок - схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.1. Результаты исследований заносились в память компьютера и обрабатывались по специальной программе Kalibrator [63...66].
Координаты центра пятна сх и су определялись по формулам сх = 2 А2У,Х / і А2У)Х; су = У А2У,Х / А2У,Х, (2Л) ху уу ух XX где - А2 -двумерный массив точек после пороговой обработки. Исследовалось влияние угла между излучателем и приемником на отражающие свойства шероховатых поверхностей при определенном положении образца. Схема эксперимента показана на рис. 2.1, нарис. 2.2 приведены зависимости коэффициента диффузного отраженного излучения р от угла ро для поверхностей 6, 7 и 9 классов чистоты обработки.
Зависимость коэффициента диффузно отраженного излучения р от угла ро для шероховатых поверхностей после шлифования при 6,7 и 9 классах чистоты обработки
В Приложении 3 приведены зависимости р, пропорционального сигналу, регистрируемому приемником, в функции угла ро для поверхностей с с различным классом чистоты обработки. Они свидетельствуют о превалирующей тенденции уменьшения р при увеличении класса чистоты обработки, и о том, что с увеличением угла (30 и отклонением угла падения зондирующего луча от нормали к поверхности образца составляющая зеркального отражения растет.
Требуется определить условие, которому должно удовлетворять расположение и ориентация триангуляционного измерителя для того, чтобы минимизировать долю зеркальной составляющей отраженного излучения (рис. 2.3), играющей существенную роль при небольших расстояниях до измеряемого объекта. Выражение, позволяющее добиться минимального динамического диапазона диффузно - отраженного сигнала от лазерного пятна с поверхности объекта, попадающего на фотоприемник, и, как следствие, получить наиболее равномерный сигнал от объекта со всей зоны сканирования, при условии, что образующая телесного угла U не пересекает границу критического угла зеркального отражения \/кр (рис. 2.3), можно записать в виде [67] где Dp - диаметр зрачка. Рис. 2.3. Минимизация доли зеркальной составляющей отраженного излучения: \/ - угол падения зондирующего луча относительно плоскости объекта G, \/кр - критический угол, равный углу зеркального отражения, у - угол расходимости зондирующего луча, 1Г - апертурный угол со стороны приемника
Выражение (2.2) используется для определения угла а при минимизации доли зеркальной составляющей.
Проводились исследования изменения диффузных отражательных свойств шероховатых поверхностей по мере их перемещения относительно зондирующего пятна лазера при различных размерах пятна и а = 35. Результаты исследований иллюстрируются в Приложении 4 ( табл. П4.1-4 ), в которых приведены значения коэффициента диффузного отраженного светового излучения, зарегистрированного фотоприемником. Значения среднеквадратичного отклонения ( СКО ) диаметра пятна на фотоприемнике от диаметра зондирующего пятна при различных видах механической обработки приведены в Таблице 2.1.
Методика проектирования триангуляционных измерительных систем
Общие принципы проектирования триангуляционных измерительных систем можно сформулировать на основе материалов, изложенных в гл. 1, 2, 3. Методика проектирования включает следующие этапы [102]: - Первый этап заключается в исследовании геометрических параметров детали или группы деталей, имеющих общие конструктивные признаки (раздел 3.2.), определении критерия точности измерения данного типа деталей ( раздел 3.7. ) и на его основе - значения проектной погрешности Ah\ создаваемой измерительной системой. - Второй этап состоит в определении рабочих параметров триангуляционного измерителя (h, Ah, В, а). Он заключается в: - определении исходных параметров h и Ah, исходя из конструктивных особенностей измеряемой детали; - определении граничных значений ( amax, атт ) угла триангуляции а по зависимости Ah = f (а) - рис. 2.25, и заданном значении Ah ; - определении граничных значений ( Втш, Втах ) согласно выражению В = h tga; - определение граничных значений ( ат1П, атах ) согласно выражению а = В / sina; - определение оптимальных значений h, В, а и а, обеспечивающих требуемое значение погрешности Ah при заданном диапазоне измерения Ah перебором решений уравнения (2.43) Масштаб изображения М определяется как М = а/а0, (3.41) числовая апертура Ач находятся по формуле Ач = if SinU\ (3.42) где п - показатель преломления пространства изображения, а диаметр зондирующего пятна d3n записывается согласно d3n=dnHM, (3.43) где dn„ = 1,22ХАЧ. После определения диаметра зондирующего пятна производится расчет его минимального значения с учетом разрешающей способности приемной оптической системы. Из (3.43) можно найти критическое значение пятна изображения 4и 4, (3.44) где dn - размер пиксела.
Пятно изображения, размер которого равен размеру пиксела, при попадании на границу между двумя пикселями, засвечивает оба этих пиксела. Это позволяет определить минимальное значение зондирующего пятна d3n мин с учетом разрешающей способности приемной оптической системы триангуляционного измерителя как d3nM = 2dnM\ где NT = 1/М.
При большом диапазоне измерения (h/ДЬ 2 ) определяются ближний и дальний масштаб изображения Мб и Мд согласно (3.12) и (3.13), соответственно.
Третий этап проектирования [22,23,63,64,103...109] заключается в расчете приемной оптической системы, которая должна обеспечивать соответствие изображения объекту и разрешающую способность, соответствующую разрешающей способности многоэлементного фотоприемника ( раздел 2.7 ). Расчет оптической системы производится таким образом, чтобы обеспечить минимальное изменение освещенности в плоскости изображения за счет потери света в объективе, что проверяется по выражению (ЗЛО). Угол изображения tg ав определяется по формуле tgaB= T/2f(M+l), (3.45) где f - фокусное расстояние, определяемое как f=Dp/2SinU\ (3.46) где сГ - диагональ изображения. Для учета возможных факторов, влияющих на качество изображения, определяют эффективное светопропускание оптической системы т, которое определяется как где тт- максимальное светопропускание, измеренное для точки, где Р(Рсф,Єсф)=1, (3.48) где Рсф, Эсф - сферические координаты, Р ( р, 0 ) - комплексная функция зрачка [72], а тр- светопропускание зрачка, определяемое выражением 2ти1 тр= 1/я/ J [Р ( рСф,0сф)]2 рсфСІрСфсШсф. (3.49) О Рсф
На четвертом этапе определяются параметры фотоприемников на основе приборов с зарядовой связью: для ПЗС линейки - длина активной области - Ьл по формуле Ьл = Ah /М, и размер ширины активной области - ал; для ПЗС матрицы - ширина - сш и длина сд и углы его наклона согласно (3.8) и (3.12).
На пятом этапе производится выбор коэффициента диффузного отражения р в соответствии с классами чистоты поверхностей измеряемых деталей.
На шестом этапе производится определение минимальной мощности лазера при заданной расходимости излучения. Конструкция лазера должна иметь минимальные габариты, обеспечивать установку и регулировку направления луча. Для обеспечения максимальной эффективности регистрации светового сигнала и с учетом спектральной характеристики большинства выпускаемых ПЗС сенсоров целесообразно применять лазеры, работающие в спектральном диапазоне 550 - 630 нм.
Форма лазерного излучения на измеряемой детали ( пятно, линия ) выбирается с учетом ее геометрии и требуемой скорости измерений.
Определение мощности лазерного излучения с учетом потерь световой энергии и чувствительности активной части ПЗС сенсора производится по следующей схеме.
