Исследование системы бесконтактного измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец и манжет тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Студеникин, Андрей Викторович

• Студеникин, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Студеникин, Андрей Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ технических средств и методов измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец и манжет.

1.1 Свойства объекта измерения.

1.2 Анализ технических средств и методов измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец.

Выводы.

Глава 2. Разработка метода и устройства измерения.

2.1 Описание структурной модели измерительной системы, реализующей бесконтактный метод измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец.

2.2 Математическая модель метода измерения.

2.3 Общее описание измерительной системы.

2.4 Описание применяемых алгоритмов измерения.

Выводы.

Глава 3. Математическое описание механизмов возникновения погрешностей.

3.1 Анализ источников погрешностей.

3.2 Математическое описание погрешностей, формируемых телевизионным датчиком.

3.3 Модель погрешности аналогово-цифрового преобразователя.

3.4 Математическая модель предварительной обработки изображения

3.5 Погрешность, формируемая бинаризацией изображения.

3.6 Методическая ошибка погрешности измерения.

3.7 Математическая модель результирующей погрешности измерения

3.8 Вычисление погрешности по математической модели.

Выводы.

Глава 4. Исследование метрологических характеристик измерительной системы.

4.1 Описание установки и планирование эксперимента.

4.2 Метрологические характеристики метода измерения.

4.3 Ошибка дискретизации.

4.4 Влияние цифровых методов обработки изображения на точность измерений.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование системы бесконтактного измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец и манжет»

Рост сложности объектов контроля и неуклонное совершенствование производственных процессов привели к тому, что современные комплексные измерения должны производиться в ритме контролируемого процесса - в реальном масштабе времени, а возросшие требования к производительности комплексных измерений обусловили необходимость высокой степени автоматизации комплексных измерений.

Технические средства для реализации автоматизированных комплексных измерений все шире используют цифровые методы представления и обработки информации, а также непосредственно включают в свой состав многие средства цифровой вычислительной техники.

Актуальные вопросы теории измерений и измерительной техники получили широкое отражение в работах отечественных и зарубежных авторов. При создании автоматизированных измерительных комплексов используются многие положения, изложенные в работах по теории информационно-измерительных систем, теории информации и передачи данных, вычислительной техники и ряда других отраслей современной науки. Прикладные вопросы этих наук, относящиеся к технике автоматизированных измерительных комплексов (АПК) достаточно широко освещаются в научно-технической литературе и периодических изданиях. Однако в связи с широким распространением АПК в различных отраслях промышленности имеется большой спектр прикладных вопросов создания и применения конкретных АПК.

В отрасли резино-технических изделий (РТИ) задачи комплексных измерений возникают при испытаниях и контроле качества готовой продукции, подготовки резиновых смесей, управления технологическими процессами изготовления изделий. В настоящее время уровень автоматизации этих операций в отечественной промышленности невысок, практически не применяется вычислительная техника. Это связано с отсутствием разработанных АИК применительно к отрасли РТИ. Не выпускаются промышленностью и универсальные АИК, применение которых в отрасли было бы возможно без доработок. Выпускается лишь аппаратура для автоматизации научных исследований на базе ЭВМ, но количество таких комплексов ограниченно и они позволяют изменять, в основном, электрические сигналы. Необходимо применять в каждой конкретной задаче специализированных устройств связи с объектом измерений.

Для функционирования АИК необходима разработка алгоритмов функционирования для конкретного применения, для чего требуется исследование и анализ объектов измерений. Разработка специализированных АИК позволяет создание на их основе АСУТП.

Особое значение в промышленности РТИ приобретает повышение производительности и точности контроля массовых формовых резиновых и резинометаллических уплотнений: колец круглого поперечного сечения и резинометаллических манжет (сальников). Требуются новые методы контроля РТИ, которые соответствуют свойствам функционирования АИК, а также улучшающие производительность и точность контроля объектов измерения.

С развитием электронной промышленности, появлением новых технологий, предлагающих более совершенные и дешевые приборы, стала возможным разработка методов, в которых все операции по измерению объектов осуществляются компьютером. Во-первых, появились телевизионные устройства, у которых технические характеристики лучше , а стоимость ниже, чем у их предшественников. Такими приборами являются полупроводниковые элементы с внутренним фотоэффектом - ПЗС-камеры. Во-вторых, развитие мультимедиа-средств современных персональных компьютеров создало возможности для подключения к ним приборов, воспринимающих излучение света в оптическом диапазоне - видео- и фотокамер, а также других приемников изображения, имеющих на выходе видеосигнал различных стандартов (PAL, NTSC и др.). Эти средства относительно дешевы и легко могут быть интегрированы в состав самой ЭВМ.

Однако существующие методы измерения внутреннего диаметра колец и манжет не отвечают многим требованиям контроля. К таким требованиям относятся: необходимая точность измерения, определяемая для каждого типоразмером с помощью ГОСТ, высокая производительность измерений, автоматизация измерительного процесса, надежность измерительного устройства и метода измерения, а также удобство проведения измерений для оператора. В настоящее время в промышленности РТИ не существует измерительного прибора, используемого на всех предприятиях. В каждом конкретном случае используются различные измерительные устройства, далеко не всегда удовлетворяющие соответствующим требованиям. В связи с этим, актуальной является разработка и исследование нового метода и устройства измерения внутреннего диаметра уплотнительных колец и манжет.

При выполнении исследования использовались методы теории цифровой обработки изображений, теории вероятностей, теории измерений, дискретной математики, оптики а также общей теории изображений.

Поставленная задача решалась в рамках

- региональной научно-технической программы "Научные, технические, экономические и экологические проблемы г.Волжского" по программе Н.Р. "Вузовская наука регионам" Министерства общего и профессионального образования Российской федерации;

- единого заказа-наряда, финансируемого Минобразования РФ из средств федерального бюджета (темы: № ВАЭ/02-Б-96, № 2/07-Б-99);

- выполнения хоздоговоров № 2/5-97 с Нижневолжрыбвод и № 2/09-99 с Волгоградским осетровым рыбоводным заводом. выполнения хоздоговора № 2/12-01 с ЗАО

Волжскрезинотехника».

Целью настоящей работы является разработка и исследование информационно-измерительной системы, предназначенной для измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец и манжет с использованием бесконтактного способа приема информации и применением алгоритмов цифровой обработки информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать метод измерения внутреннего диаметра резиновых уплотнительных колец и манжет;

2. разработать алгоритм измерения;

3. разработать математическую модель погрешности измерительной системы, на основе которой провести анализ погрешности измерений;

4. создать экспериментальную установку системы;

5. провести экспериментальные исследования для получения метрологических характеристик измерительной системы.

Новизна настоящей работы заключается в применении вычислительной техники в совокупности с телевизионными устройствами в промышленных измерениях. Сейчас по требованиям точности стал доступен так называемый метод "грубой силы". От уже существующих этот метод отличается отсутствием аппаратных средств (за исключением АЦП) обработки изображения. Под грубой силой подразумевается полная обработка компьютером уже оцифрованного изображения.

Предлагаемый метод измерения основан на обработке полученного от теледатчика изображения измеряемого объекта. Бесконтактный способ снятия измерительной информации с объекта не приводит к тем искажениям, которые появляются при применении обычных инструментов. Изображение объекта преобразуется таким образом, чтобы можно было получить и измерить необходимые геометрические параметры.

Особенностью предлагаемого метода измерения и, в частности, особенностью самого устройства измерения как телевизионной измерительной системы является наличие персональной ЭВМ. Компьютер выполняет весь объем вычислений по обработке и преобразованию измерительной информации, поступающей от телевизионного датчика.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Студеникин, Андрей Викторович

Выводы.

При выполнении экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Получена оценка математического ожидания приведенной погрешности измерения отдельно для объектов одного типоразмера и для объектов разных типоразмеров, полученная оценка является несмещенной и эффективной;

2. Получена оценка дисперсии и среднего квадратического отклонения приведенной погрешности, найден доверительный интервал среднего квадратического отклонения приведенной погрешности для объектов разных типоразмеров;

3. Найдена зависимость погрешности от параметров дискретизации;

4. Исследована степень влияния цифровых методов обработки изображений на погрешность измерений;

5. Проверена точность алгоритмов измерения.

Эксперименты производились последовательно таким образом, что в каждом из них использовались наилучшие параметры, полученные в предыдущих экспериментах. Поэтому окончательный результат, по которому можно судить о влиянии исследуемых составляющих погрешности ,показан на рис. 4.17.

Результаты проведенных экспериментов показывают зависимость погрешности измерения от размеров самого объекта при одинаковых условиях измерений. Абсолютная погрешность не превышает величину предельного отклонения номинального значения внутреннего диаметра типоразмера (математическое ожидание приведенной погрешности не превышает 100 %).

Тот факт, что математическое ожидание приведенной погрешности имеет очень маленькую дисперсию (см. п. 4.2.2), означает наличие систематической ошибки. При этом случайная ошибка вносит незначительный вклад в общую погрешность. Систематическая ошибка имеет положительный знак, т.е. полученные данным методом значения внутреннего диаметра превышают истинные значения, а предельное отклонение практически для всех типоразмеров отрицательно.

Систематическая ошибка вносимая данным методом и будет считаться методической. Для применения разработанного метода измерения на практике необходимо экспериментально найти методическую ошибку для каждого типоразмера при одинаковых условиях измерения и учитывать ее при проведении измерений. В условиях производства эту процедуру необходимо автоматизировать с помощью применения программного обеспечения.

При сравнении данных из таблицы 4.13 с данными из таблиц 3.4 и 3.5 среднее расхождение погрешности, найденной с помощью математической модели и погрешности, найденной экспериментальным путем, получается не более 35%. Таким образом, экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность математической модели результирующей погрешности измерений.

Заключение.

В диссертационной работе проведено исследование разработанного бесконтактного метода измерения внутреннего диаметра уплотнительных резиновых колец круглого поперечного сечения и внутреннего диаметра уплотнительных резинометаллических манжет.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Во введении рассмотрены общие вопросы метрологического обеспечения промышленности в целом и отрасли РТИ в частности. Выявлены современные проблемы промышленных измерений, освещены вопросы функционирования автоматизированных измерительных комплексов. Выводом стала необходимость создания новых методов в промышленных измерениях, особенно в отрасли РТИ.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих методов и технических средств измерения геометрических параметров РТИ. Оказалось, что большинство универсальных приборов не подходят для измерения внутреннего диаметра резиновых колец и манжет по нескольким параметрам, а остальные по одному параметру. Разработанные специализированные ИС по точности и по диапазону измерений удовлетворяют необходимым требованиям. Тем не менее, всем существующим специализированным устройствам присущи серьезные недостатки. Это, во-первых, сложность метода измерения и, как следствие, невысокая производительность. Во-вторых, недостатком является небольшая степень автоматизации, что также увеличивает среднее время измерения одного объекта. Именно поэтому предложен новый метод измерения внутреннего диаметра колец и манжет с использованием цифровых алгоритмов.

Во второй главе приведено описание метода и устройства измерения, а также алгоритмов измерения, проанализированы возможные источники погрешностей.

Метод измерения основан на обработке изображения измеряемого объекта, представленного в растровом виде, цифровым способом, то есть с использованием ЭВМ. Полученное с помощью телевизионного датчика изображение преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, затем с целью получения измерительной информации изображение обрабатывается цифровыми методами, реализованными в программном обеспечении.

Предлагаемый метод является первым применением полностью цифрового подхода к измерению геометрических параметров РТИ, поскольку ранее разработанные бесконтактные методы применяли ЭВМ для обработки полученных при измерении числовых данных.

Предлагается два алгоритма измерения: по внутреннему контуру и по площади отверстия кольца или манжеты.

В третьей главе приведены анализ источников погрешностей математическое описание измерительной системы, математические модели погрешностей отдельных блоков системы, а также обобщенная математическая модель погрешности измерительной системы.

Измерительная система имеет сложную структуру и по своим функциональным параметрам может быть отнесена к телевизионным измерительным системам. Полученные математические модели узлов устройства измерения отражают наличие преобразований над информацией разного характера. На входе системы оптический сигнал, а результатом всех преобразований является геометрический размер объекта. Очевидно, что очень сложно и трудоемко создание единой математической модели погрешности измерений с точки зрения теории сигналов. Поэтому получены математические модели для каждого узла устройства измерения.

На основе проведенного анализа источников погрешности в системе получена обобщенная математическая модель погрешности измерительной системы.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования с целью получения метрологических характеристик метода измерения. Проведены эксперименты, которые позволяют выяснить степень влияния отдельных составляющих общей погрешности, в том числе влияние цифровых методов обработки изображений, а также проверить математическую модель на адекватность.

В этой главе подтверждены предположения о том, что наибольшее влияние на погрешность измерений оказывают ошибки дискретизации и квантования, вносимые аналого-цифровым преобразователем и фотоэлектрическим преобразователем.

В заключении обобщены результаты работы, на их основе сделан вывод о необходимости дальнейшего исследования и доработки бесконтактного метода измерения внутреннего диаметра и о частичной пригодности этого метода для применения его в промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Студеникин, Андрей Викторович, 2001 год

1. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения. Справочник.- М.: Радио и связь, 1987.- 296с., ил.

2. Андросов В.А., Бойко Ю.В., Бочкарев A.M. Совмещение изображений в условиях неопределенности/Зарубежная радиоэлектроника, 1985, №4, с.54-70.

3. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Высшая школа, 1981,230с.

4. Бабенко B.C. Оптика телевизионных устройств. М.: Энергия, 1964

5. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов В.А. Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации.- М.: Радио и связь, 1987.- 172с.

6. Батраков А.С., Плисов C.J1. Формирователи видеосигнала на ПЗС/ Зарубежная радиоэлектроника, 1986, №1. с.42-67.

7. Бирюков Г.С., Серко A.JI. Измерения геометрических величин и их метрологическое обеспечение/Учебное пособие. М.: Изд-во стандартов, 1987. - 368с., ил.

8. Богуславский М.Г., Цейтлин Я.М. Приборы и методы точных измерений длины и углов. М.: Изд-во стандартов, 1976.

9. Бурдун Г.Д. и др. Линейные и угловые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1977.

10. Ю.Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Н.Н. Калитеевского.- М.: Высшая школа, 1986.- 512с.

11. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений/ Под ред. Г.С. Хуанга. М.: Радио и связь, 1984. 221с.

12. Вайнштейн Г.Г. Завалишин Н.В., Мучник И.Б. Обработка визуальной информации роботами (обзор)/ Автоматика телемеханика, 1974, №6. с.99-132.

13. Василенко Г.Н., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М: Радио и связь, 1986. 304с.

14. Верхаген К., Дейн Р. Грун Ф. Распознавание образов: Состояние и перспективы. М.: Радио и связь, 1985. 104с.

15. Волосов B.C. Фотографическая оптика.- М.: Искусство, 1978.- 225с.

16. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля размеров в машиностроении. М.: Изд-во стандартов, 1975.

17. Вычислительная оптика: Справочник/М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. Под общ. ред. М.М. Русинова.- JL: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1984-423с., ил.

18. Голд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. Радио,1973

19. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. Пособие для вузов. Изд. 7-е, стер. М.: Высш.шк., 1999. - 479с.

20. Гоноровский Н.С. Радиотехническая цены и сигналы. М.: Радио и связь, 1986. 511с.

21. Горелик С.А., Кац Б.М., Киврин В.И. Телевизионные измерительные системы. М.: Связь, 1980. - 168 с.

22. Горелик С.Л., Кац Б.М. Электронно-лучевые трубки в системах обработки информации. М.: Энергия, 1977

23. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учеб. для студ. вузов по спец. "Автоматизированные системы обработки информации и управления." -М.: Высшая школа, 1989.- 320с.

24. Егорова С.Д., Колесник В.А. Оптико-электронное цифровое преобразование изображений.- М.: Радио и связь, 1991.- 208 с.ил.25.3аказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика. М.: Машиностроение, 1984, 184 с.

25. Зубарев Ю.Б., Тлориозов Г.Л. Передача изображений.- М.: Радио и связь, 1982.-224с.

26. Измерения в промышленности. Справ. Изд. В 3-х кн. Теоретические основы. Пер. с нем./Под ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Металлургия, 1990, 492 с.

27. Измерительная техника.№2, 1974., с. 13-16, №12, 1991.

28. Катыс Г.П. Информационные сканирующие системы. М.: Машиностроение, 1965.

29. Келли Р.В. Мартинш Э.А., Берк Дж. Р. Дессимос Ж.-Д. Три алгоритма технического зрения для задачи взятия деталей из бункеров/ Пер. с англ. ТИИЭР, 1983 т.71 №7, с.23-44.

30. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир, 1975.

31. Кулагин С.В., Дикарев В.Н., Мосягин Г.М., Лебедев Е.Н., Зубарев В.Н., Голинюк А.С. Оптико-механические приборы. М.: Машиностроение, 1975,400с.

32. Кучеренко К.И., Огин Е.Ф. Двумерные меридианные фильтры для обработки изображений/зарубежная радиоэлектроника, 1988, №6. с. 50-61.

33. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир, 1964, 295с.

34. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. 352 с.

35. Мироненко А.В. Фотоэлектрические измерительные системы. М.: Энергия, 1967.37.0птические приборы в машиностроении. Справочник. М.: Машиностроение, 1974, 238с.

36. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. Пер. с англ.-М.: Мир, 1971.- 495с.

37. Петров А.А. Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющих систем адаптивных роботов (алгоритмы технического зрения)/ Итоги науки и техники. Техническая кибернетика. М, 1984, т. 17 с.251-294.

38. Полоник B.C. Телевизионная автоматика. JL: Энергия, 1970.

39. Пресс Ф.П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981. 136с.

40. Приборы с зарядовой связью/ Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982.240с.

41. Прикладная оптика: Учебн. Пособие для приборостроительных специальностей вузов/Л.Г. Бебчук, Ю.В. Богачев, Н.П. Заказнов и др.; Под общ. ред. Н.П. Заказнова.- М.: Машиностроение, 1988.- 312 е.,ил.

42. Применение цифровой обработки сигналов/Под ред. Э.О. Онпейнгейна. М.: Мир, 1980. 552с.

43. Проектирование оптических систем/ Под ред. Р. Шенпона, Дж. Вайанта; Пер. с англ.- М.:Мир, 1983- 430с.

44. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2 кн. М.: Мир, 1982.790с.

45. Ракитин В.В. Функциональные устройства на ПЗС/ электронная промышленность, 1983, вып.8(125) с.29-32

46. Розенфельд А. Распознавание изображений/ ТИИЭР, 1981, т.69,№5. с.120-133.

47. Русинов М.М. Габаритные расчеты оптических систем. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 400с.

48. Самойлов В.Ф. Хромой Б.П. Телевидение.- М.: Связь, 1979.-400с.

49. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда: Пер. с англ/Под ред. В.В. Поспелова и Р.А. Суриса- М.:Мир, 1978.- 328с.

50. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Д.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989.- 221с.:ил.

51. Твердотельное телевидение/ Л.И. Хромов, И.В. Лебедев, А.К. Цыцулин, А.Н. Куликов; Под ред. И.А. Росселевича- М.: Радио и связь, 1986.-184с.

52. Телевидение/ Под ред. В.Е. Джаконин.- М.: Радио и связь, 1986.456с.

53. Техническое зрение роботов/ В.И. Мошкин, А.А. Петров, B.C. Титов, Ю.Г. Якушенков; Под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова.- Машиностроение, 1990.- 272 с.:ил.

54. Турыгин И.А. Прикладная оптика. М.: Машиностроение, 1965

55. Функциональные органические соединения и полимеры. Отв. ред. Хардин А.П., Волгоград, 1975.

56. Хромов Л.И. и др. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации/ Л.И. Хромов, А.К. Цыцулин, А.Н. Куликов М.: Радио и связь, 1991- 192с.

57. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974.

58. Цукерман Н.Н. Преобразование электронных изображений. М.-Л.: Энергия, 1972

59. Чудов В.А. и др. Размерный контроль в машиностроении. М.: Машиностроение, 1982.бЗ.Чуриковский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 564с.

60. Шварц А.П. Производство резиновых технических изделий методом литьевого формования. М.: Химия, 1979.

61. Freeman Н. Computer Processing of Line-Drawing Images. Comput. Surv., 1974, v. 6, p. 57-97.

62. Kulpa Z. Area and Perimeter Measurement of Blobs in Discrete Binary Pictures. Computer Graphic and Image Processing, 1977, N 6, p. 434-454.133