Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптические методы контроля геометрических параметров изделий массового производства 13
1.1. Краткая классификация известных оптических методов контроля 13
1.2. Принципиальные особенности наиболее распространенных оптических методов контроля геометрических параметров и их сравнительный анализ 15
1.2.1. Фотограмметрические методы 15
1.2.2. Дифракционные методы 16
1.2.3. Растровые (муаровые) методы 20
1.2.4. Триангуляционные методы 21
1.2.5. Проекционные (теневые) методы 25
1.2.6. Сравнение различных методов 30
1.3. Заключение по главе 1 32
Глава 2. Схемы построения лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства 34
2.1. Основные оптические характеристики лазерных сканирующих систем . 34
2.2. Способы формирования пучков в контрольно-измерительных оптических и оптико-электронных системах 40
2.2.1. Фокусирование излучения 40
2.2.2. Коллимирование лазерного излучения 42
2.2.3. Формирование пучка с заданным размером перетяжки в определенной плоскости 43
2.2.4. Комбинированное формирование лазерного излучения 44
2.3. Краткий обзор и сравнительный анализ различных типов сканирующих систем 47
2.4. Особенности оптической лазерной системы при использовании триангуляционного метода измерений 54
2.5. Триангуляционная схема сканирования лазерным пучком с синхронизацией 58
2.6. Краткий обзор систем контроля, использующих проекционный (теневой) метод 65
2.7. Специфика контроля объемных изделий, осуществляемого проекционным методом. Способы борьбы с непостоянством скорости перемещения лазерного пучка по измерительному пространству 75
2.8. К учету явления дифракции при анализе информационного сигнала 79
2.9. Заключение по главе 2 83
Глава 3. Основные источники погрешностей и пути повышения точности лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий 84
3.1. Информационный сигнал при контроле размеров плоского изделия 84
3.2. Влияние конфигурации и отражающих свойств объемного контролируемого изделия на погрешность измерений 87
3.3. Анализ влияния искажений энергетического профиля лазерного пучка на погрешность измерений 98
3.4. Оценка влияния непостоянства скорости перемещения лазерного пучка . 108
3.5. Анализ влияния остаточной сферической аберрации объектива 113
3.6. Анализ влияния дефокусировки, вносимой сканирующим элементом . 118
3.7. Анализ возможности рационального согласования параметров первичного измерительного преобразователя и устройства преобразования информации 121
3.8. Заключение по главе 3 125
Глава 4. Разработка методик расчета и проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий 127
4.1. Методика габаритного расчета од покомпонентных и двухкомпонентных оптических систем с использованием вариансов 127
4.2. Методика габаритного расчета трехкомпонентных оптических систем лазерных сканирующих систем с использованием конфокального параметра 137
4.3. Коррекция аберраций объективов устройств телецентрического сканирования 141
4.4. Расчет основных параметров вращающихся оптико-механических сканаторов 149
4.5. Метод динамической автокалибровки лазерных сканирующих систем контроля 154
4.6. Обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий 159
4.7. Заключение по главе 4 161
Глава 5. Экспериментальные исследования и результаты внедрения лазерных сканирующих систем контроля геометрическихтоъектов 162
5.1. Лазерная сканирующая система контроля изделий «СПАРК» 162
5.2. Одно- и двухкоординатные лазерные сканирующие системы контроля геометрии стеклянного волокна «Скан-1» и «Скан-2» 168
5.3. Лазерная сканирующая система записи / считывания результатов физического эксперимента «Сателлит» 179
5.4. Сканирующий лазерный измеритель геометрических параметров - СЛИГП 183
5.5. Заключение по главе 5 187
Общее заключение 188
Список литературы 190
- Краткий обзор и сравнительный анализ различных типов сканирующих систем
- К учету явления дифракции при анализе информационного сигнала
- Анализ влияния искажений энергетического профиля лазерного пучка на погрешность измерений
- Коррекция аберраций объективов устройств телецентрического сканирования
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Основными преимуществами оптических методов и средств являются, как известно, высокая скорость измерений, бесконтактность (дистанционность), высокое пространственное разрешение, разнообразие форм взаимодействия оптического излучения с изделиями (поглошение, отражение, дифракция, преломление, поляризация и др.), возможность вести многомерные измерения в реальном масштабе времени. Эти методы и средства обеспечивают большую достоверность информации о размерах и форме контролируемого изделия и взаимном расположении отдельных его элементов, нежели широко распространенные сегодня в робототехнике телевизионные датчики.
Дальнейшее распространение оптических методов, а также средств контроля и измерений сталкивается с рядом трудностей общего и частного характера. Во-первых, отсутствует обобщенная методика расчета основных параметров этих средств контроля, необходимая для инженерного проектирования новых систем, т.е. для решения часто возникающих новых производственных задач. Во-вторых, наблюдаемая тенденция к повышению точности измерений геометрических параметров изделий массового производства требует определения рациональных путей борьбы с влиянием перечисленных выше факторов, снижающих эту точность. Это определение должно базироваться на тщательном анализе источников основных погрешностей контроля и измерений и исследовании разнообразных способов учета ослабления их влияния на результаты измерений.
Настоящая диссертация посвящена обобщению большого накопленного к настоящему времени опыта разработки и исследования оптических средств и методов контроля геометрических параметров изделий массового производства и созданию достаточно общих методов расчета и выбора основных параметров таких средств, обеспечивающих прежде всего высокую точность измерений. Учитывая большую перспективность лазерных сканирующих систем контроля, что более подробно будет рассмотрено ниже, основное внимание при проведении диссертационных исследований уделялось именно этим системам.
С учетом всего сказанного выше основной целью диссертации является разработка методов проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, а также исследования этих
систем для выявления наиболее рациональных путей повышения точности измерений, рамках решения этой важной народнохозяйственной проблемы основными задачам диссертационных исследований являлись:
выявление методов высокоточных измерений геометрических параметров издели массового производства, наиболее рациональных для использования их современной практике с учетом состояния существующей элементной базы;
определение путей повышения точности измерений, учитывающих специфик лазерных сканирующих систем;
разработка инженерных методик расчета основных конструктивных параметре важнейших узлов лазерных измерительных устройств - оптической системы сканатора;
создание обобщенной методики расчета и проектирования лазерных сканирующи систем, предназначенных для проведения указанных выше измерений;
апробация этой методики в процессе разработки новых систем и их эксплуатации.
Работа проводилась в рамках реализации ряда государственных і межведомственных программ, выполнявшихся в соответствии с постановлениями і решениями директивных органов.
Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, полученны лично автором:
-
Получены аналитические зависимости, описывающие информационный сигнал н выходе первичного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающеі проекционным методом, и позволяющие провести точностный анализ процесс; измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий.
-
Впервые обращено внимание на существование одной из важнейших составляющи; общей погрешности измерения размеров объемных изделий, зависящей о-конфигурации и отражающих свойств поверхности изделия. Получены формулы ши оценки этой составляющей. Предложен способ компенсации ее влияния на точності измерений.
-
Показано, что искажения энергетического профиля лазерного сканирующего пучк; при выборе оптической схемы гелецентрического сканирования и двойной дифференцирования как способа обработки информационного сигнала ш сказываются на общей точности измерений.
-
Предложено использовать взаимную компенсацию остаточной сферической аберрации объектива сканирующей системы и дефокусировки, вносимой сканатором, что заметно ослабляет влияние последней на точность измерений.
-
Предложена методика расчета оптических одно- и двухкомпонентных оптических систем лазерных сканирующих устройств с использованием вариантов. Для трехкомпонентных систем сформулирована методика их габаритного расчета с использованием конфокального параметра.
-
Разработана обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий для проекционного (теневого) метода измерений.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:
-
Разработана пригодная для проектирования широкого класса лазерных измерительных сканирующих систем инженерная методика расчета и выбора их основных звеньев, т.е. их важнейших конструктивных параметров.
-
Получены аналитические и графические зависимости, пользуясь которыми можно оценить величину погрешности измерений размеров из-за влияния конфигурации и отражающих свойств поверхности объемных (не плоских) изделий. Предложен способ компенсации этой погрешности, позволяющий вести измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий практически с одинаковой точностью.
-
По предложенной методике рассчитан объектив, позволяющий исключить влияние непостоянства скорости сканирования лазерным пучком измерительного пространства на общую погрешность измерений.
J. Предложен алгоритм обработки информационного сигнала, позволяющий исключить или заметно ослабить влияние непостоянства скорости сканирования и дефокусировки на точность измерений.
5. Получены формулы для расчета диаметра лазерного пучка в плоскости сканирования - основного исходного параметра для проектирования оптической системы лазерного сканирующего устройства. Разработан метод и устройство для экспериментального определения этого диаметра.
Достоверность результатов проведенных исследований определяется:
проверкой предлагаемых методов и методик проектирования лазерных сканирующих систем при разработке ряда систем контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроения;
сравнением результатов аналитических расчетов точности измерений разработанных систем и результатов их экспериментальных исследований;
хорошим совпадением результатов физического моделирования основных узлов лазерных сканирующих систем, работающих проекционным (теневым) методом, с результатами их машинного моделирования (на ЭВМ) по алгоритмам и формулам, предложенным в диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах, среди которых:
Международный форум по проблемам науки, техники, образования (Москва,1997г.),
Третья международная конференция «Распознавание-97» (Курск, 1997 г.),
Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления (Датчики-98)» (Гурзуф, 1998 г.),
Всесоюзное совещание «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе» (Барнаул, 1981 г.),
Межвузовская всесоюзная конференция «Измерения и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983 и 1984 гг.),
а также публиковались в ряде научно-технических изданий (см. ниже).
Апробация основного научно-практического результата диссертационной работы, а именно, предложенной методики инженерного расчета и проектирования высокоточных лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, при разработке и внедрении в промышленность ряда лазерных сканирующих устройств, подтвердила ее рациональность и эффективность.
На защиту выносятся следующие основные научные положения: 1. Полученные зависимости, описывающие информационный сигнал на выходе первичного измерительного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, позволяют оценить потенциальную точность измерений, производимых с помощью такой системы.
I. Результаты анализа отдельных составляющих общей погрешности измерений подтверждают целесообразность использования способа двойного дифференцирования информационного сигнала. При использовании оптической схемы с телецентрическим ходом лучей такая обработки сигнала исключает погрешность из-за дефокусировки, а также погрешность из-за искажения энергетического профиля сканирующего лазерного пучка.
!. Один из важнейших параметров, исходных для проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий, а именно, диаметр лазерного пучка в плоскости контролируемого размера может быть рассчитан из условий оптимального согласования параметров оптико-механического и электронного блока и заданной точности измерений по методике, предложенной в диссертации.
I. Методики габаріітного расчета одно-, двух- и трехкомпонентных оптических систем, формирующих лазерный сканирующий пучок, позволяют установить требования к основным элементам лазерных сканирующих систем - лазеру, телескопической или квазителескопической коллимируюшей оптической системе, формирующей системе и сканирующему устройству.
>. Разработанная методика коррекции объектива устройства телецентрического сканирования позволяет рассчитать оптическую систему, в которой сферическая аберрация и дефокусировка, вносимая сканатором, взаимно компенсированы.
І. Предложенный способ компенсации вредного влияния отраженной от поверхности контролируемого изделия составляющей сканирующего лазерного пучка позволяет практически полностью исключить одну из важнейших составляющих общей погрешности измерений.
'. Предлагаемая обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем пригодна для разработки новых высокоточных систем контроля геометрических параметров изделий машиностроительного и приборостроительного производства. Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24
[ечатных работах, приведенных в списке литературы в конце автореферата.
По материалам диссертации получено 11 авторских свидетельств на изобретение. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего
аключения и приложений. Текст изложен на Хаз страницах и сопровождается
рисунками. Общий объем диссертации, включая приложения и список литературы и:
118 наименований- страниц.
Краткий обзор и сравнительный анализ различных типов сканирующих систем
Реализация рассмотренных выше методов решения контрольно-измерительных задач, встречающихся в машиностроении и приборостроении, связана с необходимостью соответствующим образом формировать сканирующий пучок лучей [92, 94, 95, 97, 98, 103, 107, 111]. От того, каким именно образом сформирован сканирующий пучок, во многом зависит качество получаемой информации об измеряемом объекте. В свою очередь, способ формирования пучка определяет основные параметры измерительной системы: ее габариты, разрешение, быстродействие, диапазон измеряемых величин и т.д. Другими словами, техническая реализация измерительной системы и задачи, которые она может решить, определяются выбором способа формирования сканирующего пучка.
Формирование излучения, т.е. получение пучка с определенными формой, размерами, распределением интенсивности в поперечном сечении, длиной волны и т.д., часто связано с необходимостью получения предельно допустимых параметров [70, 75, 76], например, минимально возможного сечения пучка или минимально возможной расходимости излучения. Эти задачи в настоящее время решаются с помощью лазерных оптических систем. При этом фундаментальное значение имеет использование гауссова пучка, с помощью которого можно получить дифракционно ограниченные параметры излучения.
Исходя из вышесказанного, рассмотрим основные способы формирования пучка в контрольно-измерительных системах с использованием гауссовых пучков.
Задача фокусирования — это задача получения пучка с минимальными поперечными размерами сечения пучка. Она встречается в тех случаях, когда необходимо при сканировании зондирующего пучка получить минимальное время переходного процесса (максимальную крутизну характеристики процесса), максимальное разрешение системы или наибольшую плотность излучения. Как видно из обзора методов измерений, фокусирование целесообразно при реализации триангуляционного метода или метода центральной перспективной проекции в фотограмметрии. Важным является случай, когда используется не сам результат фокусировки. Например, когда фокусирующий компонент является частью коллимирующей системы и его выбор определяет габариты последней.
Очевидно, что фокусирование гауссова пучка сводится к получению минимального размера. Размер перетяжки (по уровню 1/е2) определяется конфокальным параметром пучка. Следует отметить, что понятие конфокального параметра вводится для характеристики используемого в лазере резонатора произвольной конфигурации как длина некоторого эквивалентного конфокального резонатора (имеющего пространственные характеристики пучка как у заданного резонатора) Кэ- Поскольку этот параметр резонатора определяет пространственные характеристики пучка излучения, его можно использовать как параметр пучка, абстрагируясь от самого резонатора. Это особенно важно и удобно для расчета параметров пучка, сформированного оптической системой, т.к. за системой понятие контрольного параметра резонатора теряет смысл.
Из этой формулы видно, что размер перетяжки зависит прежде всего от длины волны излучения. Но выбор длины волны определяет не только размер перетяжки. От него зависит: видимо излучение или нет. Это, в свою очередь, определяет возможность скрытности измерений, комплекс мер по технике безопасности, удобство проведения юстировки системы; какие приемники излучения можно использовать для регистрации излучения. Выбор приемника определяет пороговые возможности измерительной системы [36, 41] и возможность регистрации импульсов малой длительности. Размер чувствительной площадки приемника должен быть согласован с размером пучка; взаимодействие излучения с объектом измерений. Здесь имеется ввиду величина отраженного от объекта потока, появление и величина зеркальной и рассеянной составляющих отражения; дифракционные эффекты, возникающие при возможных ограничениях пучка в оптической системе или на объекте измерений; поглощение и рассеяние энергии в среде распространения излучения и в оптической системе; тип выбираемого лазера, т.е. его габариты, режим работы, мощность излучения, долговечность и т.д. Если по какому-либо критерию длина волны излучения выбрана, то размер перетяжки будет определяется величиной конфокального параметра, сформированного оптической системой пучкаЯ э. Вопросы фокусирования гауссова пучка изложены во многих работах [32, 33, 86, 87, 88]. В [33], например, показано, что фокусирование осуществляется с помощью положительного короткофокусного компонента и даются рекомендации по выбору параметров оптической системы. Однако, сформированная перетяжка при этом располагается вблизи задней фокальной плоскости фокусирующего компонента (в частном случае — в задней фокальной плоскости). Это обстоятельство препятствует применению рассмотренного способа формирования пучка при реализации некоторых способов контроля размеров изделий, например, триангуляционного способа или при сканировании крупногабаритных изделий.
В этих случаях формирование перетяжки минимального размера целесообразно осуществлять с помощью двухкомпонентной оптической системы [33].
Коллимирование, т.е. получение пучка с меньшей расходимостью, чем собственно лазерного пучка, часто используется для уменьшения размеров пучка в плоскости измерения, когда она находится на значительном расстоянии, или для увеличения поперечного сечения пучка (расширения пучка). Эта задача может быть решена различными способами. Например, в [33] рассмотрены случаи использования однокомпонентных длиннофокусных систем с перетяжкой, расположенной в передней фокальной плоскости компонента или вблизи нее, телескопической системы и квазителескопической системы. Габариты телескопической и квазителескопической систем значительно меньше, чем при использовании одного компонента. Их целесообразно применять в тех случаях, когда контролируются удаленные объекты, например, при реализации триангуляционного метода, а также в оптической дальнометрии, в растровых системах, в интерферометрах.
Такая задача в лазерной технике трактуется как задача согласования лазерного излучения. Она встречается в тех случаях, когда в плоскости анализа пятно должно иметь определенный размер, обусловленный, например, необходимым разрешением системы или временем взаимодействия излучения с объектом (при сканировании).
Решение задачи основано на использовании известных формул лазерной оптики. Как показано в [33], согласование достигается, как правило, с помощью одного компонента, хотя иногда необходимо использование двухкомпонентной системы.
Следует заметить, что, поскольку расходимость гауссова пучка обратно пропорциональна размеру перетяжки, то формирование пучка с определенным размером перетяжки означает и формирование пучка (требуется это или нет) с определенной расходимостью. Это может привести к случаю, когда плоскость пересечения пучка с изделием не будет совпадать с плоскостью перетяжки (плоскостью анализа), как показано на рисунке 2.2.
К учету явления дифракции при анализе информационного сигнала
К недостаткам рассматриваемой системы следует отнести зависимость погрешности измерения от продольного (вдоль оптической оси объективов 3 и 6) положения контролируемого изделия вследствие того, что лазерный пучок фокусируется объективом 3 в плоскости анализа и изменяет свой диаметр при смещении в любую сторону. Это приводит к тому, что фронты информационных сигналов будут менять свою крутизну, а следовательно, увеличится погрешность измерения.
Как видно из выражения (2.38) существенным недостатком данного преобразователя является нелинейность скорости перемещения лазерного пучка по измерительному пространству, приводящая к тому, что погрешность измерения контролируемого изделия будет зависеть от положения последнего.
Первичный измерительный преобразователь, построенный по двухканальной схеме [49], представленный на рис. 2.9, имеет меньшую погрешность измерения за счет применения эталонного изделия 3 , с которым сравнивается контролируемое изделие 3. Использование в качестве сканирующего элемента вращающегося плоского зеркала 1 с осью вращения, проходящей через отражающую поверхность, приводит практически к полному отсутствию в системе дефокусировки. При этом следует отметить следующие недостатки преобразователя, влияющие на погрешность измерения: непостоянство скорости перемещения лазерного пучка по измерительному пространству, обусловленное влиянием сферической аберрации объектива; использование двух фотоприемников, разброс параметров которых снижает точность измерений. Заслуживает внимания схема преобразователя, представленная на рис. 2.10 [55]. В оптическую формирующую систему преобразователя введена цилиндрическая линза 3, позволяющая сформировать в плоскости анализа 7 (в плоскости контролируемого изделия 8) тонкую световую полосу. При вращении плоского зеркала 4 и отражения пучка от зеркала 5 "световая плоскость", формируемая на выходе объектива б, перемещается по измерительному пространству 7 и диафрагмируется на некоторое время контролируемым изделием 8. В результате происходит как бы интегрирование измерительной информации о размерах множества сечений на длине / при помощи объектива 9 и фото приемника 10. При этом длительность информационного сигнала будет характеризовать средний размер контролируемого изделия на длине /. Рассматриваемый преобразователь обладает высоким быстродействием (за счет применения "оптического усреднения"), повышенным отношением сигнал / шум, а также отсутствием дефокусировки. Наряду с указанными преимуществами преобразователь обладает и рядом недостатков, увеличивающих результирующую погрешность измерения. К таким недостаткам можно отнести следующие: непостоянство скорости перемещения световой плоскости; необходимость перемещения световой полосы в плоскости анализа строго параллельно самой себе и образующим контролируемого изделия, так как в противном случае фронты информационного сигнала будут "завалены", что приведет к наличию дополнительной погрешности; зависимость погрешности измерения от нестабильности излучения лазера. На рис. 2.11 представлена принципиальная схема лазерной сканирующей системы контроля фирмы Matrix [52, 117]. Лазерный пучок от источника 1 формируется оптической системой 3 и проходит вращающуюся куб-призму 4, после которой перемещается по измерительному пространству параллельно самому себе с непостоянной скоростью, обусловленной оптическими свойствами куб-призмы. При перемещении световой пучок диафрагмируется на некоторое время контролируемым изделием 5, в результате чего на фоточувствительном слое фотоприемника 7 формируется информационный сигнал. Другая часть лазерного пучка формируется оптической системой 8 и с помощью призм 9,10 попадает на решетку 11. При развертке изображения решетки 11 с помощью той же самой куб-призмы 4 по решетке 12 на выходе фотоприемника 14 образуются импульсы высокой частоты. Эти импульсы используются в дальнейшем для определения длительности информационного сигнала известным время-испульсным методом заполнения. Необходимо отметить, что в рассматриваемой системе непостоянство скорости перемещения лазерного пучка по измерительному пространству не влияет на погрешность измерения. Этот факт объясняется тем, что частота следования импульсов с фотоприемника 14 функционально связана со всякого рода нестабильностями, с причинами, вызывающими нелинейный закон перемещения лазерного пучка по измерительному пространству. Наряду с указанными преимуществами преобразователь имеет и недостатки, к числу которых следует отнести: зависимость погрешности измерения от энергетической и пространственной нестабильности диаграммы направленности лазера; возрастание погрешности измерения при смещениях изделия как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Последний недостаток объясняется, во-первых, трудностью формирования лазерного пучка с постоянным диаметром на протяжении всего измерительного диапазона, меньшим или равным величине контролируемого диаметра, а во-вторых, дефокусировкой, вносимой куб-призмой, и изменением коэффициента светопропускания последней в зависимости от угла поворота. Так, например, для перемещения по измерительному пространству лазерного пучка с оптической оси на 10 мм необходимо куб-призму со сторонами d = 20 мм повернуть приблизительно на угол 60. Очевидно, что при таких углах поворота коэффициент светопропускания заметно уменьшится, тем самым изменится крутизна фронтов информационных сигналов и, следовательно, увеличится погрешность измерения.
Анализ влияния искажений энергетического профиля лазерного пучка на погрешность измерений
Как следует из приведенных выше формул, по мере роста частоты сканирования уменьшаются предельно достигаемые углы сканирования (прокачки) зеркал. Размеры зеркал также должны быть уменьшены при увеличении частоты. Это свойственно не только сканаторам с произвольно устанавливаемой или изменяемой частотой сканирования, но и сканаторам с фиксированной частотой (торсионным и вибрационным). Для последних потребляемая их приводом мощность растет по мере отклонения частоты от собственной резонансной частоты сканирующего элемента.
Величины допусков на значения указанных выше конструктивных параметров сканатора зависит от уровня технологии их изготовления и могут быть частично определены по методике, приведенной в [116].
Во всех существующих измерительных системах и приборах без исключения присутствуют два вида погрешностей - случайные и систематические, с той лишь разницей, что влияние их на конечный результат различно. Рассматриваемый в диссертации класс систем не составляет исключения.
В системах контроля диаметров изделий с время-импульсной обработкой информационного сигнала основным источником случайных погрешностей является нестабильность частоты вращения двигателя сканера. Эта погрешность может быть уменьшена за счет прецизионного исполнения сканера и применения гистерезисного синхронного двигателя [63]. Систематическая погрешность определяется совокупностью факторов, и одним из самых весовых является отсутствие высокоточной телецентрической сканирующей системы, позволяющей организовать параллельное перемещение с постоянной скоростью лазерного пучка по измерительному пространству и, в частности, основного ее компонента - специального в -объектива (общая методика расчетов такого типа объективов пока еще не разработана).
Следует отметить, что даже применение таких объективов не избавит пользователей от необходимости дополнительной настройки при осуществлении прецизионных измерений. Медленно флуктуирующие тепловые деформации конструктивных элементов системы (вызывающие, например, изменение взаимного расположения объектива и сканера) приводят к непараллельности перемещения сканирующего пучка, а это, в свою очередь, приводит к зависимости показаний системы от положения контролируемого изделия. Поэтому при конструировании систем высокого класса основные усилия разработчиков должны быть направлены на максимально возможное уменьшение систематической погрешности. В качестве подкрепления данного высказывания следует привести следующие цифровые данные по материалам зарубежной печати. В среднем, при повторяемости измерений порядка 0,25 мкм, типичные значения погрешности составляют величину 5 мкм [77].
Поскольку мы не можем полностью устранить систематическую погрешность, то вынуждены, во-первых, систему калибровать (при этом у каждой системы своя калибровочная характеристика), а во-вторых, обеспечить долговременную стабильность характеристик, например, с применением датчиковой аппаратуры [7, 13, 74]. Указанные требования можно было бы выполнить при наличии метода и, как следствие, эффективного быстродействующего алгоритма автокалибровки, тогда результирующая систематическая погрешность была бы практически полностью скомпенсирована. Разработка такого алгоритма должна основываться на более глубоком рассмотрении понятия градуировочной или калибровочной характеристики прибора. Предположим, у нас есть функция взаимно однозначного соответствия (ФВОС), которая является математическим отображением физического состояния системы контроля на заданный момент времени, и мы можем на ней определить несколько характеристических точек, распределенных во всем интервале достаточно равномерно. Тогда, воспользовавшись интерполяционными формулами Ньютона или Лагранжа, мы сможем представить ФВОС в виде полинома, т.е. найти аналитическое описание реально существующего в данный момент времени метрологического состояния системы. Однако на практике, особенно в оптических бесконтактных приборах, осуществить этот процесс крайне затруднительно, поскольку эти точки необходимо отсчитывать от реального объекта. Поэтому в высокоточных системах эти алгоритмы не применимы в силу того, что в настоящее время не существует достоверных способов построения точек, строго лежащих на ФВОС, по той причине, что в этом случае пришлось бы проводить точное позиционирование одного края изделия с последующим измерением координаты другого края и иметь совокупность (в широком диапазоне) калибров. Смысл заключается в том, что если мы попытаемся эту функцию определить в частном виде, то она выразится в виде, неприемлемом для практического использования. В результате проведенного автором экспериментального и теоретического исследования удалось разработать метод и алгоритм, позволяющий: исключить необходимость точного позиционирования; пользоваться лишь одним калибром; применять его для широкого класса измерительных приборов. Этот алгоритм основан на том, что поскольку построение ФВОС является затруднительным, то необходимо определить другую характеристику системы, описывающую однозначное метрологическое состояние последней, а также на том известном факте, что физические величины можно измерять, если они привязаны только к реальным физическим объектам. Для нормальной работы системы необходимо знать функцию взаимнооднозначного соответствия, под которой многие разработчики понимают градуировочную характеристику, центр которой совмещают с началом координат, лежащим, в частности для рассматриваемых систем, на оптической оси. Однако оптическая ось не является реальным физическим объектом - это скорее математическое понятие, в то время как речь идет об измерении реального размера реального физического объекта. Как известно, любой паре точек А и В на реальном физическом объекте можно поставить в соответствие величину, называемую нормой, которая в данном случае является длиной отрезка АВ , выраженной в линейной мере, например, в мкм. Для любых двух отрезков АВ и ВС, лежащих на одной прямой, мы можем записать соотношение
Коррекция аберраций объективов устройств телецентрического сканирования
Для исключения влияния ряда рассмотренных выше погрешностей целесообразно применить принцип динамической автокалиброки. Ее применение позволит в автоматическом режиме исключить практически все влияющие на результаты измерения факторы на стадии подготовки системы к работе.
В разделе 4.5 настоящей диссертации были подробно рассмотрены предпосылки и возможности создания метода динамической автокалибровки. В этом разделе описывается система, в которой этот метод реализован.
Так как мы не можем устранить полностью систематическую погрешность, то должны каким-то образом откалибровать систему и, мало того, обеспечить это надолго. При этом все поправочные коэффициенты должны храниться в ПЗУ микропроцессорного вычислителя. Выполнение первого требования сложно из-за трудности осуществления в производственных условиях, так как индивидуальная прецизионная калибровка требует применения высококлассной, дорогостоящей аппаратуры и сложного алгоритма. Выполнение второго требования также затруднительно, так как требует применения специальных дорогостоящих конструкционных материалов, а также специальных методов конструирования.
Используя методику, изложенную в разделе 4.5, был разработан сканирующий лазерный измеритель геометрических параметров (рис. 5.13), работающий в двух режимах - калибровки и измерений под управлением встроенной микропроцессорной системы.
Предварительно по разработанной методике были отработаны алгоритмы динамической автокалибровки и измерений, затем составлена программа и «зашита» в ПЗУ микропроцессорного устройства (ВМУ). В конструкции прибора предусмотрен специальный микролифт, который с постоянной скоростью за 1-2 мин может передвигаться в направлении сканирования из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение. Выбранный калибр произвольного диаметра помещается на микролифт, а с клавиатуры вводится истинное значение диаметра калибра в мкм. После подачи команды «калибровка» лифт, перемещаясь по измерительному пространству, осуществляет последовательное произвольное позиционирование приблизительно в 10 точках, приблизительно равномерно распределенных по интервалу. Для каждой из этих усреднений, необходимых для повышения точности и для осуществления коррекции отдельных сбоев, причем ВМУ не учитывает в дальнейших вычислениях случайные выбросы измеренных значений. Затем ВМУ решает систему уравнений (4.85), после чего выдает сигнал о готовности работы системы в целом. При проведении измерений изделие устанавливается в произвольном месте в зоне сканирования. Время измерений - 0,5-2 сек. Максимальная погрешность - ± 5 мкм в диапазоне 0,5-70 мм. Повторяемость результатов для одной контролируемой детали - 1-2 мкм.
В рассматриваемой системе использовался обычный объектив / = 300 мм с относительным отверстием V = 1 : 3. Применение высококачественной сканирующей системы УТС позволит получить значительно более высокие точности. По методике, разработанной и изложенной в разделе 4.3, для этого прибора был также рассчитан и изготовлен объектив с / = 265 мм для работы с многогранной призмой с радиусом вписанной окружности, равным R = 40 мм. Расчет проводился для излучения Я = 0,6328мкм. Объектив описывается следующими параметрами: Отступление реальных координат от оси сканирующего пучка от значений, задаваемых линейным законом сканирования, в диапазоне измерений ±35 мм не превышает ± 1 мкм. Проведенный цикл исследований полностью подтвердил теоретические выкладки, а также перспективность разработанного метода динамической автокалибровки. Следует особо подчеркнуть универсальность разработанного метода динамической автокалибровки, который можно с успехом применять практически в любых измерительных системах и приборах. Разработанная и изготовленная система «СЛИГП» была внедрена в производство для осуществления контроля сложных высокоточных деталей, применяемых при производстве электронно-оптических преобразователей от нулевого до третьего поколений включительно. Акт о внедрении системы представлен в Приложении 3. Проведенные экспериментальные исследования и результаты эксплуатации разработанных лазерных сканирующих систем подтвердили основные положения, сформулированные в главах 3 и 4 настоящей диссертации, а именно: 1. При контроле объемных (неплоских) изделий возникает погрешность, определяемая конфигурацией и качеством обработки поверхности изделия. Величина этой погрешности зависит от радиусов кривизны краев контролируемого (измеряемого) сечения изделия. Уменьшение этой составляющей общей погрешности возможно путем селекции отраженного светового потока полуплоскостью, расположенной в задней фокальной плоскости собирающего объектива. 2. Для обеспечения равноточных измерений, а также измерений, в процессе проведения которых положение измеряемого изделия в пространстве измерений не влияет на точность измерения, необходимо специальным образом проектировать устройства телецентрического сканирования, а также использовать разработанную обобщенную методику проектирования системы в целом. 3. Для исключения влияния флуктуирующих во времени суммарных систематических погрешностей целесообразно применять разработанный метод динамической автокалибровки. Его применение позволит в автоматическом режиме исключить практически все влияющие на результаты измерения факторы на стадии подготовки системы к работе. 4. Разработки и эксплуатация внедренных в практику лазерных сканирующих систем контроля изделий полностью подтвердили рациональность предложенной методики расчета и проектирования таких систем.
