Введение к работе
1. Актуальность работы. Неотъемлемой частью современного промышленного производства является контроль параметров технологического процесса и готовой продукции. В отраслях, связанных с металлообработкой (машиностроении, автомобильной, авиационной и атомвой промышленности), значительную долю среди операций контроля занимает контроль геометрических параметров. Основными требованиями к приборам для размерного контроля являются высокие точность (погрешность менее 10 мкм) и быстродействие (сотни измерений в секунду), возможность контроля параметров сложнопрофильных изделий, а также надежность, гибкость и совместимость с АСУ ТП.
Существующий парк контрольно-измерительных средств, состоящий в основном из пробок, шаблонов, скоб, а также систем на основе контактных датчиков, не отвечает указанным требованиям, т.к. проводимый допусковый контроль субъективен, непроизводителен и непригоден для оперативной коррекции технологического процесса. Удовлетворить одновременно всем приведенным требованиям не всегда удается и при использовании бесконтактных индукционных и пневматических датчиков, а также оптико-электронных системы на основе метода теневой проекции, интерференционного и дифракционного методов.
В последнее время в России и, особенно, за рубежом для целей размерного контроля активно создаются измерительные приборы (измерители) триангуляционного типа. Они позволяют измерять расстояния непосредственно до поверхности сложнопрофильного объекта и отличаются простотой реализации, потенциально высокими точностью (погрешность порядка нескольких микрометров при типичных диапазоне измерения -20 мм и удалении измерителя от контролируемого объекта ~100 мм) и быстродействием (до 1000 и более измерений в секунду). Суть триангуляционного метода состоит в освещении поверхности контролируемого объекта узким зондирующим пучком, формировании (в рассеянном свете) изображения светящейся точки оптической системой, расположенной под углом к зондирующему пучку, регистрации этого изображения и расчете положения поверхности.
Несмотря на то, что триангуляционные измерители уже выпускаются различными фирмами ("Micro Epsilon", США; "Laser Components", Германия; "Acuity Research", США; "Keyence", Великобритания; «Оптэл», Уфа; КТИ НП СО РАН), тем не менее, области и масштабы их применения пока достаточно ограничены. Причиной тому является высокая погрешность измерений в реальных условиях, зачастую намного превышающая паспортные значения, приводимые в технических характеристиках для подготовленных поверхностей.
Поэтому вполне естественно, что усилия разработчиков триангуляционных приборов направлены на снижение погрешности измерения, минимальное значение которой, обусловленное, как известно, квантовыми свойствами света, значительно меньше уровней погрешности, достигаемых на практике. Эта разница оказывается особенно существенной (в 8 - 10 раз) в случае контроля промышленных объектов - изделий производства с так называемыми техническими поверхностями, имеющими следы точения, фрезерования и т.п. В связи с этим снижение погрешности триангуляционных измерений расстояния до объектов с техническими поверхностями имеет наибольшую актуальность, поскольку именно такие объекты составляют основную часть изделий, подлежащих размерному промышленному контролю.
-
Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнена в лаборатории технического зрения Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в период с 1990 по 1999 годы в соответствии с планами фундаментальных исследований СО РАН по программе «Развитие научных основ квантовой оптики и квантовой электроники, разработка новых направлений их применений», а также в соответствии с государственными научно-техническими программами «Фундаментальная метрология» и «Технологии, машины и производства будущего». Ряд исследований проводился в соответствии с координационными планами работ СО РАН и Минатома РФ.
-
Цель работы заключалась в разработке и исследовании высокоточных быстродействующих лазерных триангуляционных приборов для решения актуальных задач промышленного размерного контроля.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести анализ и выявить основные источники погрешностей триангуляционных приборов для контроля промышленных изделий.
Исследовать существующие и предложить модифицированные методы обработки сигналов для высокоточных (погрешность 10 мкм и менее) быстродействующих (1000 изм./сек. и более) триангуляционных приборов.
Исследовать влияние параметров измерительной схемы на погрешность измерений и предложить способы снижения погрешности.
Разработать схемотехнические решения, обеспечивающие повышение точности измерения расстояний до объектов с техническими поверхностями (со следами механической обработки).
На основе результатов исследований разработать и создать приборы, обеспечивающие высокие точность и быстродействие в реальных промышленных условиях.
4. Методы исследований, использованные при выполнении работы,
включают в себя методы теории спектрального и функционального анализа,
волновой оптики и измерительной техники, а также компьютерное
моделирование и физический эксперимент.
5. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
-
Впервые установлена и экспериментально исследована зависимость погрешности триангуляционных измерителей от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью (Rz от 0.09 до 9.0 мкм), позволяющая снижать погрешность измерения за счет оптимизации параметров измерителя.
-
Предложен и реализован способ снижения погрешности измерения за счет использования структурного освещения в виде набора узких пучков.
-
Предложены методики экспериментального определения составляющих погрешности триангуляционных измерителей, включая методику оценки пространственной случайной составляющей погрешности с использованием плоских образцов контролируемой поверхности.
6. Достоверность результатов подтверждалась сравнением данных,
полученных численным моделированием и физическим экспериментом.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивалась использованием
метрологически аттестованного и поверенного оборудования.
7. Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Получены экспериментальные данные по влиянию на погрешность триангуляционных приборов используемых методов первичной обработки сигнала, а также ширины зондирующего пучка, учет которых позволяет при создании триангуляционных измерителей снизить более чем в два раза погрешность измерения расстояний.
-
Предложены схемотехнические решения в части выбора параметров зондирующего пучка, обеспечивающие снижение погрешности (до 3-5 мкм) при измерении геометрических параметров объектов с техническими поверхностями.
7.3. Разработаны, созданы и эксплуатируются в промышленности приборы для
промышленного размерного контроля, в т.ч. измеритель толщины
холоднокатанной ленты, измеритель внутреннего диаметра полых цилиндров для
системы «Блик» (ОАО «НЗХК»), устройство бесконтактного контроля биений
колес для автоматической линии их производства (АО «АВТОВАЗ»).
8. На защиту выносятся:
8.1. Структура, реализация и результаты исследования лазерных
триангуляционных приборов, разработанных и созданных для решения
актуальных задач промышленного размерного контроля.
-
Экспериментально установленная зависимость погрешности измерения расстояния до поверхности контролируемого объекта от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью.
-
Метод снижения погрешности измерения расстояния, основанный на использовании в качестве зондирующего пучка структурного освещения в виде набора узких пучков.
8.3. Результаты исследования модифицированных методов первичной обработки сигналов триангуляционных измерителей, позволяющие обоснованно выбрать оптимальный метод исходя из требуемой точности и быстродействия.
9. Апробация работы. Результаты диссертационной работы
докладывались на международньк конференциях «Measurement-97» и
«Measurement-99» (Братислава, Словакия), «Electronic Imaging-98» (Сан-Хосе,
США), «Распределенная обработка информации» (Новосибирск, 1998),
конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» (СГГА, 1997),
международном симпозиуме «Laser Metrology 1999» (Флорианаполис, Бразилия).
10. Публикации. По материалам диссертации соискателем лично и
в соавторстве опубликовано 11 печатных работах, включая тезисы пяти
докладов. Результаты исследований и разработок вошли в 9 отчетов по НИОКР.
-
Личный вклад диссертанта заключается в постановке задач, поиске способов их решения, разработке математических моделей, алгоритмов обработки сигналов и результатов измерений. Проведение расчетов и экспериментальных исследований, разработка приборов и систем выполнены сотрудниками ОНИЛ ТЗ либо при непосредственном участии, либо под руководством автора.
-
Структура и объем диссертационной работы. Работа включает в себя введение, пять глав и заключение, список литературы из 81 наименования и приложения. Объем диссертации 89 стр., илл. 38, табл. 2.
