Введение к работе
Актуальность. Автоматизация производственных процессов является одним из важнейших направлений развития современного производства, поэтому неуклонно возрастает значение разработок высокоэффективных методов и средств, предназначенных для автоматизированного высокоточного контроля параметров и характеристик выпускаемой продукции.
Одной из таких важнейших задач, стоящих при автоматизации производства прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов, является задача их бесконтактного контроля как во время вытяжки, так и в лабораторных условиях.
Широкое применение прозрачных трубок, капилляров и жестких шестигранных многожильных световодов (МЖС) в медицине, биологии, генной инженерии (объемные дозаторы), в термометрии (жидкостные стеклянные термометры), в приборостроении, в оптической лазерной технике й волоконной оптике (полые световоды), в рентгеновской оптике (поликапиллярнные оптические системы для передачи и преобразования жестких излучений, в том числе у-излучения), в высокоскоростной фотографии и военной технике (приборы ночного видения) требует их изготовления со строго определенными высокоточными геометрическими параметрами. Стабильность этих параметров, поддерживаемая в результате контроля в процессе изготовления, лежит в основе создания высококачественных конкурентноспособных изделий.
Следует отметить, что используемые на предприятиях медицинской и оборонной промышленности средства контроля качества выпускаемой продукции, основаны на контактных методах и применяются к уже изготовленному изделию, что приводит к большому количеству брака. Эти средства контроля не удовлетворяют современным требованиям по быстродействию и точности, что ведет к практическому отсутствию возможности управления гибкими технологическими процессами.
В тоже время, практически отсутствуют оперативные неразрушающие средства контроля геометрических параметров прозрачных трубок, капилляров и шестигранных МЖС в процессе вытяжки.
В связи с этим, разработка методов и средств производственного контроля геометрических параметров прозрачных трубок, капилляров и
шестигранных световодов является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит обеспечить высокое качество выпускаемой продукции и создание автоматизированных устройств производства прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов с системами обратной связи для автоматического управления процессами вытяжки.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование оптических методов и средств производственного контроля прозрачных трубок, капилляров, шестигранных световодов и оценки качества изображения, передаваемого волоконно-оптическими пластинами.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие . задачи:
составлен аналитический обзор существующих методов и средств производственного контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов (далее объектов. контроля), проведен их сравнительный анализ, систематизация и классификация;
определены перспективные направления исследований по созданию средств контроля исследуемых объектов, отвечающих современным требованиям их массового производства;
- разработаны методы производственного контроля исследуемых
объектов;
созданы математические модели взаимодействия световых пучков с объектами контроля и их анализ;
разработаны состав и структура средств контроля;
разработаны методики экспериментальных исследований контро -лируемых объектов, содержащие оценку влияния конструктивных параметров разрабатываемых схем;
- созданы и исследованы лабораторные действующие макеты
устройств массового контроля исследуемых объектов, реализующие
разработанные методики экспериментальных исследований, проведена
оценка их реальных технических характеристик;
- проведены эксперименты и анализ полученных данных.
Методы исследования. В диссертационной работе были использованы следующие научные методы исследования: математическое моделирование на ЭВМ, математический анализ, синтез технических устройств, математическая статистика, методы Фурье-оптики, методы
габаритного расчета оптических систем, физическое моделирование и реальный эксперимент в условиях заводской лаборатории.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен и реализован метод контроля геометрических и
оптических параметров прозрачных трубок непосредственно во время
вытяжки, отличающийся учетом флуктуации показателя преломления, а
также вибраций и угловых наклонов трубки во время вытяжки;
получены обобщенные функциональные зависимости для расчета внутреннего диаметра, толщины стенки и показателя преломления материала трубки при угловых наклонах трубки во время вытяжки;
предложены и реализованы два метода контроля внутреннего диаметра капилляров в лабораторных условиях, отличающиеся оригинальными методиками измерения и расчета геометрических и оптических параметров объекта, учитывающими неоднородность показателя преломления и его изменения вдоль геометрической оси;
получены обобщенные функциональные зависимости для расчета внутреннего диаметра и показателя преломления материала прозрачного капилляра;
- предложен и реализован метод контроля геометрических
параметров шестигранного МЖС с учетом его угла закручивания во время
вытяжки;
- разработаны экспериментальное устройство и методика для оценки
качества изображения, передаваемого волоконно - оптическими
пластинами (ВОП).
Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов и зависимостей с результатами экспериментальных исследований. Так погрешность определения внутреннего диаметра стеклянной трубки во время вытяжки составила не более 2%, а внутреннего диаметра капилляра в лабораторных условиях ~ 1,8% при неоднозначном показателе преломления капилляра изготовленного из химико -лабораторного или термометрического стекла. Контроль размера «под ключ» шестигранного МЖС во время вытяжки осуществлялся с погрешностью не хуже 2% с учетом угла закручивания объекта, а функции передачи модуляции (ФПМ) ВОП определялось с относительной погрешностью = 1,5%.
-6-Практнчсская ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили:
- разработать методы и средства измерения параметров прозрачных
трубок, капилляров и шестигранных световодов в условиях их массового
производства;
- создать и внедрить на производстве и в практику научно-
исследовательских работ методики проведения экспериментальных
исследований прозрачных трубок, капилляров шестигранных световодов в
процессе их изготовления;
- выработать практические рекомендации по построению схемы и
устройства для контроля функции передачи модуляции ВОП,
удовлетворяющих современным требованиям оперативного
неразрушающего контроля.
Реализация и внедрение. Научные результаты диссертационной работы были реализованы в действующих макетах приборов, созданных при непосредственном участии автора, внедрены и используются в СКТБ по проектированию приборов и аппаратов из стекла (СКТБ-СП, г. Клин) и ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла» (ОАО «ЛЗОС», г. Лыткарино).
Действующие макеты приборов «Устройство непрерывного контроля параметров прозрачных трубок в процессе вытяжки» и «Устройство контроля прозрачных капилляров» и разработанные автором методики использованы СКТБ СП в научно-исследовательских работах, связанных с производством прозрачных трубок и капилляров, контролем их геометрических параметров.
Действующие макеты приборов «Устройство контроля шестигранных МЖС в процессе вытяжки» и «Устройство для измерения ФПМ волоконно-оптических пластин», а также разработанные автором методики использованы ОАО «ЛЗОС» для контроля шестигранных МЖС в автоматизированных установках их вытяжки и в отделе технического контроля для проверки качества волоконно-оптических пластин, что подтверждено актами о внедрении.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на 3-й Всесоюзной конференции по изучению релятивистских
частиц в кристаллах (Нальчик, 1988 г.);
на 45, 46, и 47-ой научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 1990, 1991, 1992 г.г.);
на 2-й Всесоюзной конференции «Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов» («ИКАПП-91») (Барнаул,
1991 г.);
- на Международной конференции по оптическому образованию
«Education in Optics '91» (Ленинград, 1991 г.);
на 4-й научной конференции «Использование волоконных световодов» (Бяловежа, Польша, 1992 г.);
на 9-й научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 1992 г.)
- на Республиканской научно-технической конференции «Лазерная
технология и ее применение в промышленности России» (Санкт-Петербург,
1992 г.);
на 1-й Международной конференции «Датчики электрических и неэлектрических величин» («Датчик-93») (Барнаул, 1993 г.);
на Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1993 г.);
на 5-й научной конференции «Световоды и их применение» (Бяловежа, Польша, 1995 г.);
на Научно-технической конференции, посвященной 165-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 1995 г.).
- на Научно-технической конференции «Технология производства и
обработки оптического стекла» (Москва, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение и один патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена "на 105 страницах машинописного текста, иллюстрирована 54 рисунками и 4 таблицами и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и трех приложений на 4 страницах.
