Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы контроля отклонений от плоскостности 10
1.1. Состояние проблемы контроля отклонений от плоскостности 10
1.1. Анализ методов измерения отклонений от плоскостности 13
1.1. Анализ методик определения отклонения от прилегающей плоскости 20
1.1. Основные задачи, возникающие при автоматизации контроля плоскостности поверхностей 25
1.1. Постановка задачи исследования 31
Глава 2. Теоретические исследования измерительной информационной системы для контроля отклонения от плоскостности на базе электронных уровней 33
2.1. Принцип построения ИИС для контроля отклонения от плоскостности на базе электронных уровней 33
2.1. Фильтрация измерительного сигнала, поступающего от электронных уровней, в условиях наличия высокого уровня шумов механического и электромагнитного происхождения 36
2.1. Способы задания прилегающей плоскости 56
2.1. Алгоритм определения прилегающей плоскости и отклонения от плоскостности 65
2.1. Основные выводы 74
Глава 3. Разработка робастной ИИС для контроля отклонений от плоскостности изделий машиностроения на базе электронных уровней и ее экспериментальные исследования . 75
3.1. Робастная ИИС для контроля отклонений от плоскостности изделий машиностроения на базе электронных уровней 75
3.2. Экспериментальные исследования алгоритмов фильтрации измерительного сигнала 81
3.3. Экспериментальные исследования алгоритмов обработки результатов измерений при определении отклонения от плоскостности 104
3.4. Экспериментальные исследования робастной ИИС для контроля отклонений от плоскостности изделий машиностроения на базе электронных уровней 106
Глава 4. Применение робастной ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений формы и расположения . 110
4.1. Применение ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений от прямолинейности 110
4.2. Применение ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений от параллельности 117
4.3. Применение ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений от перпендикулярности 121
Заключение 125
Литература
- Анализ методов измерения отклонений от плоскостности
- Фильтрация измерительного сигнала, поступающего от электронных уровней, в условиях наличия высокого уровня шумов механического и электромагнитного происхождения
- Экспериментальные исследования алгоритмов обработки результатов измерений при определении отклонения от плоскостности
- Применение ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений от параллельности
Введение к работе
Постоянное повышение требований к качеству изделий машиностроения приводит, с одной стороны, к необходимости повышения точности технологического оборудования и средств измерений, с другой -постоянного анализа их состояния во время всего жизненного цикла.
В машиностроении существует целый ряд габаритного высокоточного оборудования, такого как металлорежущие станки, координатно-измерительные машины, поверочные плиты, одним из основных параметров точности которых является отклонение от плоскостности рабочих и измерительных поверхностей. На нынешнем этапе точность средств измерений в этой области достигла такого уровня, что ее повышение практически не даст высокого эффекта, поскольку она обеспечивается только в лабораторных условиях. При работе в производственных условиях возникают различные внешние факторы, влияние которых во много раз превышает погрешность самого средства измерения.
Поэтому наиболее актуальной задачей является адаптация высокоточных средств измерений к производственным условиям для того, чтобы исключить, или заметно снизить влияние различных факторов на результаты измерений.
В то же время в нашей стране существует огромное количество измерительных приборов, которые содержат прекрасную механическую или оптико-механическую часть, но в тоже время морально устарели, так как не имеют средств автоматизации процесса измерений и обработки результатов измерений. Поэтому, часто происходит отказ от использования этих средств измерений.
В связи с этим одной из основных задач развития измерительной техники является компьютерный ретрофитинг (retrofitting) [67]. Он заключается в использовании существующего измерительного оборудования
и оснащения его системами автоматизации процесса измерений и компьютеризированной обработки результатов измерений.
Кроме того, пользователю необходимо получать не только числовую информацию о значении отклонения от плоскостности, но и полную топографию реальной поверхности. Это вызывает необходимость проведения большого количества измерений и, как следствие, значительные объемы математической обработки. При этом результаты измерений должны быть получены в максимально возможное короткое время для исключения простоя оборудования. Поэтому встает вопрос о необходимости автоматизации процесса измерения и обработки результатов измерений.
Третьей основной проблемой, возникающей при измерении отклонений от плоскостности, является само содержание методик проведения измерений и обработки результатов измерений. Отклонение от плоскостности практически никогда не измеряется в полном соответствии с нормативным определением. В больптинстве случаев приходится использовать упрощенные методики измерений и получать данные, не характеризующие в полной мере измеряемый параметр. Дополнительная погрешность может вноситься при обработке результатов измерений, когда в качестве базы для отсчета отклонения от плоскостности выбирается плоскость, отличная от прилегающей. В связи с этим, встает необходимость более четкого определения понятия прилегающей плоскости, и разработка новых алгоритмов ее определения, ориентированных на компьютерную обработку результатов измерения, и снижающих методическую составляющую погрешности измерения.
В силу указанных причин, актуальной является задача повышения эффективности контроля отклонения от плоскостности рабочих и измерительных поверхностей оборудования за счет повышения производительности измерительных операций и обработки результатов
7 измерений, а также снижения методической составляющей погрешности измерения.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных задач:
Анализ существующих методов и средств измерения отклонения от плоскостности и методик обработки результатов измерений.
Разработка принципов построения информационно-измерительной системы для контроля отклонения от плоскостности на базе электронных уровней.
Разработка алгоритмов фильтрации измерительного сигнала, поступающего от электронного уровня.
Исследование возможности робастного оценивания измерительного сигнала, поступающего от электронного уровня.
Математическое моделирование системы робастной фильтрации измерительного сигнала.
Исследование относительной эффективности робастных и классических оценок при фильтрации сигналов.
Исследование способов задания прилегающей поверхности при определении отклонения от плоскостности.
Разработка поискового алгоритма определения прилегающей плоскости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Определен принцип построения ИИС для контроля отклонения от плоскостности, основанный на цифровой фильтрации и компьютерной обработке измерительных сигналов электронных уровней.
Определен способ робастной программной фильтрации измерительных сигналов электронных уровней и выявлен алгоритм ее реализации.
Выявлены взаимосвязи между относительным расположением реальной и прилегающей поверхностью, определены возможные способы задания прилегающей плоскости.
8 4. На основе выявленных взаимосвязей найден новый поисковый алгоритм определения прилегающей плоскости, ориентированный на компьютерную обработку результатов измерений.
Практическая ценность работы обусловлена следующим:
Разработанная ИИС для контроля отклонения от плоскостности на базе электронных уровней, позволила повысить производительность измерительных операций и обработки результатов измерений не менее чем в 2 раза.
Разработанный алгоритм определения прилегающей плоскости позволил снизить методическую составляющую погрешности обработки результатов измерения отклонения от плоскостности.
На защиту диссертации выносятся следующие положения:
Замена встроенной аналоговой системы фильтрации приборов на компьютеризированную систему фильтрации позволяет повысить производительность и помехоустойчивость всей измерительной системы.
Предложенные робастные оценки параметров статистической модели измерительного сигнала обладают большей устойчивостью при наличии внешних воздействий на объект и средство измерения по сравнению с классическими оценками.
Алгоритмы определения прилегающей плоскости, ориентированные на ручную обработку результатов измерений, обладают существенной методической составляющей погрешности.
Задание прилегающей плоскости для изделий с различной топографией поверхности осуществляется тремя предложенными способами.
Наиболее достоверное определение прилегающей плоскости достигается посредством предложенного поискового алгоритма.
Созданная в работе компьютеризированная ИИС для контроля отклонений от плоскостности на базе электронных уровней обеспечивает построение ЗО-топографии поверхности в реальных производственных
9 условиях при снижении методической погрешности измерения и повышении производительности контроля.
Анализ методов измерения отклонений от плоскостности
Для выбора средств измерений отклонений формы не существует разработанных материалов, аналогичных выбору универсальных средств измерений. Это связано с тем, что номенклатура средств измерений ограничена.
Методы измерения отклонений от плоскостности протяженных поверхностей наиболее полно изложены в двух нормативных документах [22, 49]. При измерении поверхностей высокой точности в качестве средств измерений применимы: автоколлиматор, лазерный интерферометр и электронные уровни.
Автоколлимационную трубу 1 устанавливают рядом с последней точкой проверяемого сечения на жесткую опору, обеспечивающую стабильность углового положения его оптической оси. В фокальной плоскости объектива трубы помещена стеклянная пластина с перекрестием (рис. 1.1).
Оптическая схема автоколлиматора рассчитана таким образом, чтобы лучи, освещающие марку коллиматора, выходили из его объектива параллельным пучком. Попадая на плоское зеркало 2, лучи отражаются в обратном направлении и дают изображение светящейся марки на отсчетной шкале, расположенной в фокальной плоскости окуляра автоколлиматора. Вследствие непрямолинейности поверхности при перемещении зеркала изменяется его наклон к оси автоколлиматора. Наклон определяют по смещению изображения светящейся марки относительно делений шкалы.
В нашей стране серийно выпускаются автоколлиматоры АК-0,25; АК-0,5; АК-1 и другие, характеристики которых приведены в таблице 1.1 [4, 8,
Процесс формирования сигнала измерительной информации в нем осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 делится полупрозрачной пластиной 2 на два пучка, каждый из которых направляется к соответствующему отражателю 3 и 4. Возвратившись к полупрозрачной пластине, оба пучка совмещаются в ней, образуя поле интерференции. На экране, помещенном в эту часть оптической схемы, возникает интерференционная картина - чередование темных и светлых полос в пределах сечения совмещенных световых пучков.
Интенсивность излучения, прошедшего сквозь точечную диафрагму 5 на фотоприемник 6, при перемещении одного из отражателей будет изменяться по определенному закону. Фотоприемником 6 интерференционный сигнал преобразуется из светового в электрический, который поступает далее на электронно-вычислительное устройство обработки и индикации результатов измерения 7.
В современной промышленности используются интерферометры с переносом спектра сигнала. В этих интерферометрах для фильтрации шумов интерференционного фона спектр информационного сигнала смещают в сторону высоких частот, что дает много преимуществ, главные из которых следующие: - улучшается отношение сигнал/шум за счет дискриминации низкочастотных помех, вызванных колебаниями мощности лазера и турбулентностью воздуха; - увеличивается точность отсчета дробной доли полосы; - расширяются измерительные функции интерферометра.
Сместить спектр сигнала можно несколькими способами. Наибольшее распространение получили: - акусто- и электрооптические модуляторы; - вращающиеся поляризационные пластины; - двухчастотные лазеры.
Фильтрация измерительного сигнала, поступающего от электронных уровней, в условиях наличия высокого уровня шумов механического и электромагнитного происхождения
Многообразие процессов в системах автоматизированного производства затрудняет выбор какой-то одной модели, одинаково применимой во всех возможных ситуациях. Тем не менее, в ряде случаев наблюдения вполне могут быть описаны линейной статистической моделью.
Для использования уровней при абсолютном и относительном методах измерений характерны три составляющие погрешности измерительного сигнала, поступающего от датчика: 1) детерминированная систематическая составляющая в виде прямолинейного тренда; 2) регулярная, медленно изменяющаяся (низкочастотная) случайная составляющая; 3) нер егулярная, быстро изменяющаяся (высокочастотная) составляющая. Наблюдаемые величины представляются в виде -e0+o,i + 2] y +, 1 = 1,2,... (2.1) где а0 - показание датчика, характеризующее наклон измеряемой поверхности, а} - показание датчика, характеризующее изменение наклона за время проведения измерения, й2, ..., ар - коэффициенты полинома, ,.,1 = 1,2,... - последовательность независимых случайных величин с распределением, одинаковым с точностью до переменного масштаба. Распределение случайных величин ,,1 = 1,2,..., мы полагаем одинаковыми с точностью до параметров масштаба. Представим их в виде = 7 ,/ = 1,2,... (2.2) с одинаково распределенными величинами е„ а параметры масштаба т, будем считать одинаковыми. Очевидно, что (2.1) можно обобщить в виде линейной статистической модели = 0 + ,/ = 1,2,...,/7 (2.3) где х( - некоторая вектор-функция точки наблюдения, в - вектор параметров модели, содержащий коэффициенты а0, ..., ар.
Если точно известны вид распределения и корреляционная структура данных, задача оценивания параметров может быть строго решена в рамках классической статистики. Главная проблема заключается в том, что ни то, ни другое на практике, как правило, достоверно не известно. В условиях автоматизированного сбора и обработки данных неизбежны большие ошибки, причиной которых являются шумы электромагнитной и механической природы, всегда присутствующие в производственных системах. В этом случае предположение о нормальности данных, используемое в методах классической гауссовой статистики, оказывает существенное влияние на свойства оценок [53]. Поэтому необходимы такие процедуры оценивания, которые не требовали бы детальной модели данных.
Существует несколько подходов для решения этой проблемы.
Логически стройной теорией помехоустойчивого оценивания параметров распределений и проверки статистических гипотез служит так называемая робастная статистика [69, 72]. Суть робастной статистики состоит в сохранении параметрической модели, но изменении критериев оптимальности оценок по сравнению с классическим методом. Основная цель - достижение как можно меньшей дисперсии при условии ограниченности чувствительности к отклонениям от принятой модели. Таким образом, отвечающие этому требованию оценки будут гарантировано менее эффективными, чем соответствующие классические, когда отклонения от строгой параметрической модели отсутствуют, но зато сохранят работоспособность в целой группе моделей, где классические оценки становятся просто неприменимыми.
Экспериментальные исследования алгоритмов обработки результатов измерений при определении отклонения от плоскостности
Для испытания компьютеризированной измерительной системы на базе электронных уровней для контроля отклонений формы и расположения рабочих поверхностей технологического оборудования ММПП "Салют" производились измерения поверочной плиты с помощью ИИС на базе электронных уровней и с помощью лазерного интерферометра.
Объектом измерения является Поверочная плита (гранитная), размеры 1000x630, класс точности 00. Допуск плоскостности - 5 мкм.
Первоначально осуществляется настройка лазерного интерферометра. После этого производится измерение отклонения от плоскостности с помощью ИИС на базе электронных уровней и лазерного интерферометра.
При измерении отклонения от плоскостности с помощью компьютеризированной ИИС на базе электронных уровней сначала вводятся исходные данные, содержащие справочную информацию об объекте измерения, о поверителе и используемом средстве измерения (рис. 3.19). Далее вводятся показания датчиков в поверяемых точках (рис. 3.20). После завершения ввода производится автоматический расчет отклонения от плоскостности и строится графическое изображение (рис. 3.21). В тестовом случае расчетное отклонение от плоскостности равно 2 мкм.
При использовании лазерного интерферометра снимаются показания во всех поверяемых точках, производится ручной пересчет показаний к электронному уровню и расчет отклонения от плоскостности с помощью программного обеспечения ИИС на базе электронных уровней. На рис. 3.22 приведены результаты измерения с помощью лазерного интерферометра.
Отклонение от плоскостности составляет 2 мкм.
Полученные результаты измерений отклонений от плоскостности, проведенные с использованием уровней и лазерного интерферометра практически совпадают, что позволяют сделать вывод о достоверности результатов, полученных при использовании ИИС на базе электронных уровней.
При выполнении работы создан образец ИИС для контроля отклонения от плоскостности на базе электронных уровней, который внедрен в метрологическую практику ФГУП ММПП "Салют" (Акт о внедрении - см. приложение 3).
Электронные уровни, а также измерительные информационные системы, построенные на электронных уровнях, являются универсальными средствами измерений. Они могут использоваться не только для контроля отклонений от плоскостности, но и для контроля других отклонений формы и расположения. В данной главе будут рассмотрены вопросы использования электронных уровней для контроля отклонений от прямолинейности, параллельности (извернутости) и от перпендикулярности.
Измерение отклонения от прямолинейности можно рассматривать как частный случай измерения отклонения от плоскостности. Поэтому, ИИС на базе электронных уровней можно применять для контроля отклонения от прямолинейности. Единственным вопросом, который необходимо решить, является выбор методики обработки результатов измерений.
Вопросы обработки результатов измерений при определении отклонения от прямолинейности хорошо изучены. Можно выделить три основных способа определения отклонения от прямолинейности, наиболее часто применяемых на практике. Они отличаются выбором базы для отсчета отклонения от прямолинейности. В качестве базы используются: 1) прямая, соединяющая первую и последнюю точки профиля; 2) прямая, полученная методом наименьших квадратов; 3) пр илегающая прямая, определенная с помощью поискового алгоритма. Наиболее предпочтительным является третий вариант, так как в этом случае отклонение от прямолинейности определяется в полном соответствии со стандартизованным определением.
При создании ИИС на базе электронных уровней был использован алгоритм определения прилегающей прямой с помощью линии регрессии (рис. 4.1).
Уравнение прямой задается формулой: у а х + Ъ. Прилегающая прямая должна удовлетворять условию: mm Va,beTR max hja,bf\ (4.1) где a, b - параметры общего уравнения прямой; h (a,b) - расстояние от точки профиля до прямой; TR - область действительных чисел.
Это условие означает, что из всех действительных чисел, которые могут быть приняты в качестве значений параметров а и b общего уравнения прямой, касающейся профиля вне материала в пределах нормируемого участка, необходимо определить параметры а и b прилегающей прямой.
Применение ИИС на базе электронных уровней для контроля отклонений от параллельности
Измерение отклонения от параллельности с помощью ИИС на базе электронных уровней можно выполнять несколькими способами. Рассмотрим основные варианты, их преимущества и недостатки.
1. Измерение извернутости.
На производстве одним из основных объектов измерения отклонения от параллельности являются направляющие станков. В большинстве случаев контроль отклонения от параллельности заменяют измерением извернутости направляющих (рис. 4.6). Порядок проведения измерения и обработки результатов. 1) Получение профиля первой поверхности. Измерение отклонения от параллельности с использованием электронных уровней при абсолютном методе измерения. 2) Определение с помощью специального мостика наклона точек второй поверхности относительно первой. 3) Получение профиля второй поверхности. 4) Опре деление извернутости.
Основные достоинства данного метода: простота проведения измерений и обработки результатов. Недостатки метода: необходимость использования дополнительных приспособлений; извернутость характеризует свойства поверхностей аналогичные отклонению от параллельности, но в то же время не является им.
2. Измерение отклонения от параллельности с использованием электронных уровней при абсолютном методе измерения (рис. 4.7).
Электронные уровни фирмы Wyler, использованные при создании ИИС, обладают одним свойством, которое в некоторых случаях является достоинством, а в некоторых — недостатком. Это свойство - сейсмическая база, т.е. отсчет ведется относительно уровня Земли. Поэтому уровни невозможно использовать при наклоне измеряемой поверхности более 7 угловых минут.
Порядок проведения измерения и обработки результатов. 1) Измерение отклонения от прямолинейности первой поверхности. 2) Опре деление прилегающей прямой к первой поверхности. 3) Измерен ие отклонения от прямолинейности второй поверхности. 4) Опре деление прилегающей прямой ко второй поверхности. 5) Опре деление отклонения от параллельности двух прилегающих прямых.
Основные достоинства данного метода: простота проведения измерений, отсутствие дополнительных приспособлений. Недостаток метода: уровень при абсолютном методе измерения очень чувствителен к внешним воздействиям, которые не всегда удается отфильтровать.
Итоговая информация об отклонении от параллельности, выдаваемая ИИС на базе электронных уровней. Измерение отклонения от параллельности с использованием электронных уровней при относительном методе измерения (рис. 4.8).
Порядок проведения измерений аналогичен предыдущему, но отсчет снимается не относительно земли, а относительно базового уровня. Наличие базового уровня определяет достоинства и недостатки этого метода. Базовый уровень может располагаться либо на одной из измеряемых поверхностей, либо на отдельной поверхности. Если поверхности, на которых находятся базовый и измерительный уровни, не одинаково воспринимают внешние воздействия, то полученные результаты могут иметь достаточно большую погрешность.
В состав ИИС включен модуль для обработки результатов измерений отклонения от параллельности. Пользователю предоставляется возможность выбора одного из перечисленных выше способов измерения отклонения от параллельности. Итоговая информация об отклонении от параллельности выдается в числовом и графическом представлении (рис. 4.9).
В целом, измерение отклонения от параллельности с использованием ИИС на базе электронных уровней дает хорошие результаты. Но необходимы дополнительные исследования и испытания при различных методах измерения и методиках обработки результатов.
