Исследование возможностей применения компьютерной юстировки для оптико-электронных приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Иванов, Кирилл Анатольевич

• Иванов, Кирилл Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Кирилл Анатольевич

Введение

Глава I. Проблема сохранения точности приборов при нарушении их геометрической схемы

Глава II. Компьютерное исключение операций юстировки оптических приборов в целом.

Глава III. Экспериментальная часть. Автоматизация отдельных операций юстировки

Глава IV. Экспериментальная часть. Автоматизация операций юстировки прибора в целом

Глава V. Экспериментальная часть. Автоматизация средств контроля

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей применения компьютерной юстировки для оптико-электронных приборов»

Данная работа посвящена исследованию возможности оптимизации юстировки высокоточных приборов.

К настоящему времени из общего объема затрат времени и средств на производство оптических приборов /ОП/ на сборку и юстировку приходится более 50% [3], причем на юстировку приходится большая часть затрат.

Причиной преобладания затрат на юстировку является сложность и преобладание эвристических приемов юстировки, сравнительно малая распространенность юстировки. Если сборка широко распространена в машиностроении и благодаря этому совершенствуется, то юстировка используется только в оптическом приборостроении и сравнительно мало совершенствуется. Поэтому в технологии юстировки преобладают ручные трудоемкие операции. Сложность юстировки требует более высокой квалификации рабочих.

С другой стороны компьютерные технологии позволяют значительно усовершенствовать процесс юстировки ОП. Если использовать методы, описанные в данной работе, то с помощью компьютера можно рассчитать и оптимизировать допуски на все элементы конструкции ОП, достигнуть полной взаимозаменяемости и значительно сократить или даже исключить юстировку.

Рассмотрим основные положения данной работы, выносящиеся на защиту:

1. Большие затраты на юстировку оптических приборов оправдывают поиски средств сокращения затрат на юстировку.

2. Одним из таких средств может быть полная или частичная автоматизация на основе использования компьютерных технологий.

3. Компьютерные технологии позволяют оптимизировать допуски на изготовление элементов конструкции с учетом производственных затрат.

4. Для оптимизации допусков на все элементы конструкции может быть использован метод многофакторной оптимизации точностного расчета (МОТР), предложенный профессором Сухопаровым С.А. и дополненный автором диссертации. Применение компьютеров в этом методе позволяет осуществить итерационный процесс для оптимизации допусков на все элементы конструкции и исключить дополнительную механическую обработку, регулировку и наладку при окончательной сборке и юстировке.

5. Границей применения автоматической компьютерной юстировки является оптимальное сочетание экономической выгоды от сокращения или исключения операций юстировки из технологического процесса и возможных дополнительных экономических затрат, связанных с повышением точности изготовления элементов и применением специальных более точных средств производства, компьютеров и более высокой квалификации рабочих и инженерно-технического персонала.

6. Можно ожидать, что всегда найдется граница, при которой для определенного класса приборов будет экономически оправданным применение автоматической компьютерной юстировки.

С другой стороны очевидна граница, при которой применение автоматической компьютерной юстировки окажется нецелесообразным. Очевидно и то, что эта граница будет расширяться.

7. Следует признать целесообразным для расширения границ автоматической компьютерной юстировки применение единичных замыкающих котировочных операций. Расширение границ автоматической юстировки может быть достигнуто применением высокоточных средств технического и технологического контроля (под технологическим понимают контроль, совмещенный с технологической операцией), позволяющих повысить точность изготовления отдельных элементов и достигнуть более полной взаимозаменяемости элементов.

По методу МОТР (многофакторной оптимизации точностного расчета) можно определить допуски на все элементы конструкции, при выполнении которых:

1) при сборке не потребуется дополнительная обработка деталей;

2) в собранном из таких деталей приборе будет минимизирован или сведен к нулю объем котировочных работ.

3) Реализация предлагаемого метода может быть осуществлена для класса приборов, в которых дополнительные затраты на обеспечение полной взаимозаменяемости экономически окупятся.

Юстировка и поверка всего прибора в целом состоит из юстировки отдельных его узлов и взаимном согласовании (юстировке) этих узлов между собой, поэтому автоматизация юстировки всех отдельных операций позволяет автоматизировать юстировку прибора в целом (за исключением завершающей операции).

Процесс оптимизации допусков не вызывает дополнительных затрат, но позволяет сократить затраты времени на юстировку, а также позволяет исключить из конструкции ОП технологические регулировочные устройства (под которыми понимают устройства, необходимые для осуществления операции юстировки). Для автоматизации отдельных операций юстировки характерным является ведущая роль инженеров-исследователей, расчетчиков и программистов, так как автоматизация заключается в разработке и создании:

- математической модели прибора, ее анализе;

- технологического процесса и методики юстировки;

- соответствующего программного обеспечения.

Для приборов высокой точности и большой сложности более приемлемым может оказаться применение частичной автоматизации. Процесс автоматизации юстировки для таких приборов является творческим процессом, требующим, как правило, оригинального подхода в каждом конкретном случае.

Благодаря автоматизации процессов юстировки становится возможным настраивать и контролировать такие параметры прибора, которые при ручной юстировке занимают много времени или не могут быть осуществлены вручную.

Автоматизация средств контроля позволяет избавиться от субъективной оценки параметров прибора человеком и получить их объективную оценку, что дает возможность паспортизовать контролируемые параметры приборов.

Автоматизация контроля также дает возможность оценить пригодность узла до момента его установки и использования в приборе, что позволяет исключить ситуацию несоответствия прибора предъявляемым требованиям, обнаруживаемую после сборки. Таким образом исключается такая трудоемкая процедура, как замена узла в собранном приборе (что может потребовать разборки значительной части прибора).

Применение автоматического контроля дает возможность проверять параметры, которые для ручного контроля слишком трудоемки и утомительны, например, контролировать равномерность освещенности видимого поля, сбои в периодических структурах (регулярность укладки волокна в жгутах).

Автоматизация средств контроля и обратная связь его с технологической операцией юстировки позволяет автоматизировать и саму операцию юстировки.

Рассмотрим краткое содержание глав данной работы.

Цель первой главы — показать некоторые подходы в создании оптических систем, при помощи которых обеспечивается сохранение точности прибора при нарушении его геометрии. При этом отпадает необходимость поверки и настройки прибора перед эксплуатацией. Основой данной главы является математическое моделирование нарушения геометрической схемы прибора, использование которого позволяет проанализировать оптические системы и выявить в них свойство адаптации (самоприспособления) к нарушению их геометрии. Приведенные материалы основываются на трудах Сухопарова С.А., Колосова М.П. и др.

Во второй главе будут рассмотрены различные методы расчетов и оптимизации допусков на все элементы ОП, позволяющие достигнуть полной взаимозаменяемости и исключить юстировку. Глава включает в себя пример практической реализации автоматической юстировки в производстве.

Третья глава содержит примеры практической реализации автоматизации отдельных операций юстировки, таких как фокусировка, центрировка и пр.

В четвертой главе рассматривается автоматизация юстировки и поверки прибора в целом, после его сборки. Автоматизация проиллюстрирована на примере сканирующего прибора, предназначенного для получения отпечатков пальцев, и применялась в производстве. Такой выбор обусловлен переходом большинства государств на регистрацию и контроль граждан с использованием биометрических средств и, в частности, отпечатков пальцев, что приводит к широкому распространению данного класса приборов. В связи с этим автоматизация юстировки сканирующих дактилоскопических систем становится актуальной проблемой.

Пятая глава посвящена автоматизации контроля и применению ее на практике. Здесь рассматривается автоматизация контроля качества объективов, предназначенных для использования в оптико-электронных приборах и волоконных оптических жгутов. Рассмотренная автоматизация средств контроля позволяет избавиться от субъективной оценки параметров прибора человеком и получить их объективную оценку, что дает возможность паспортизовать контролируемые параметры приборов. Все приведенные методики апробированы и используются в работе.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Иванов, Кирилл Анатольевич

Выводы:

Автоматизация средств контроля позволяет избавиться от субъективной оценки параметров прибора человеком и получить их объективную оценку, что дет возможность паспортизовать контролируемые параметры приборов.

Автоматизация контроля также дает возможность оценить пригодность узла до момента его установки и использования в приборе, что позволяет исключить ситуацию несоответствия прибора предъявляемым требованиям, обнаруживаемую после сборки. Таким образом исключается такая трудоемкая процедура, как замена узла в собранном приборе (что может потребовать разборки прибора).

Рассмотрен контроль качества объективов, предназначенных для использования в оптико-электронных приборах. Применение автоматического контроля дает возможность проверять параметры, которые для ручного контроля слишком трудоемки и утомительны, например, контролировать равномерность освещенности видимого поля, сбои в периодических структурах (регулярность укладки волокна в жгутах), что продемонстрировано на примере паспортизации волоконных жгутов.

130

Заключение по работе

1. В результате проведенных исследований установлено, что существует необходимость и имеется благоприятная возможность для развития автоматической компьютерной юстировки.

2. исторические исследования показали, что имеется прецедент автоматической юстировки, осуществленный в период Великой Отечественной войны с ограниченными вычислительными средствами /массовый выпуск винтовочного снайперского прицела на КОМЗ/.

3. Применение компьютерных технологий и метода многофакторной оптимизации точностного расчета позволяют осуществить строгий оптимальный расчет допусков, исключающий дополнительную обработку, пригонку и доводку при сборке приборов и минимизировать или полностью исключить юстировку.

4. Автоматическая компьютерная юстировка может быть осуществлена на основе дифференциального метода технологии сборки и юстировки, при котором каждый узел собирается и юстируется отдельно, окончательно в строгом соответствии с требованиями ТУ и устанавливается в прибор без дополнительных котировочных операций. При соблюдении этих условий юстировка прибора в целом исключается либо ограничивается единичными замыкающими операциями, как например, установка нулей шкал прицела в историческом примере.

5. При юстировке отдельных узлов также эффективно применение компьютерной технологии, а в некоторых случаях компьютерная юстировка является единственным средством для достижения необходимой точности.

6. Применение высокоточных специализированных измерительных и индикаторных средств также способствует осуществлению автоматической компьютерной юстировки.

7. Экономические затраты на осуществление автоматической юстировки окупаются высвобождением средств от исключения юстировки прибора в целом. Кроме того, автоматическая компьютерная юстировка способствует повышению качества изделий, либо позволяет достигнуть массовости выпуска в случае такой необходимости.

8. Разработана концепция и метод автоматизации процесса контроля и юстировки высокоточных сканирующих приборов, основанный на анализе получаемого изображения, включающего в себя реперные элементы.

9. В экспериментальной части диссертации, выполненной аспирантом, осуществлена автоматическая компьютерная юстировка цифрового сканера, при которой выполнены весьма тонкие операции юстировки и контроля, не выполнимые без компьютера.

Ю.Таким образом, показана состоятельность идеи компьютерной (автоматической) юстировки, как средства оптимизации операции юстировки в приборостроении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Кирилл Анатольевич, 2004 год

1. Сухопаров С.А., Иванов К.А. Компьютерная автоматизированная юстировка оптических приборов // Оптический журнал. -2001. №1. С. 76-78.

2. Сухопаров С.А. Сборка и юстировка морских оптических дальномеров. Оборонгиз М, 1961.

3. Сухопаров С.А. Многофакторная оптимизация точностного расчета оптических приборов. Оптический журнал. — 1994. №9.-с. 35-38.

4. Сухопаров С.А. Теория и проектирование ОП. Уч. пос., ЛИТМО, 1989.

5. Сухопаров С.А. Алгоритм автоматизированного проектирования оптических приборов и их узлов. Уч. пос., ЛИТМО, 1988.

6. Сухопаров С.А. Теоретические основы автоматизации проектирования оптических приборов. Уч. пос., ЛИТМО, 1981.

7. Сухопаров С.А., Литинская И.А. Возможности совершенствования технологии юстировки оптических приборов // Приборостроение. 2000. №4.

8. Сухопаров С.А. //Приборостроение. — 1982. -№11. — с. 58.

9. Колосов М.П. // ОМП. 1986. №4. - с. 22.

10. Ю.Колосов М.П. // ОМП. 1986. №6. - с. 13.

11. П.Колосов М.П. // ОМП. 1987. №12. - с. 36.

12. Колосов М.П. // ОМП. 1988. №1. - с. 26.

13. Колосов М.П. // ОМП. 1990. №3. - с. 30.

14. Н.Колосов М.П. // ОМП. 1990. №9. - с. 78.

15. Колосов М.П. // Оптический журнал. — 1992. №3. — с. 53.

16. Колосов М.П. // Оптический журнал. — 1992. №4. — с. 21.

17. Колосов М.П. // Оптический журнал. — 1992. №5. — с. 3.

18. Колосов М.П. // Геодезия и аэрофотосъемка. 1994. №4. — с. 152.

19. Колосов М.П. Оптическая система на основе зеркального афокального сканера. // ВИМИ: Сб. реф. депонированных рукоп. 1990 - Вып. №11.

20. Бабушкин С.Г. и др. Оптико-механические приборы. М. Машиностроение, 1965.

21. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. — JL: Машиностроение, 1968. 232 с.

22. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические котировочные задачи: Справочник. 2-е изд. Перераб. И доп. - Л.: Машиностроение, 1989.

23. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. Л.: Машиностроение. 1985.-е. 248.

24. Брусков A.M., Брусков В.М. Конструирование зеркально-призменных оптико-механических узлов. М.: Машиностроение, 1987. — 144 с.

25. Тихомиров В.В. Разработка и расчет несущих конструкций металлооптики с упругими кинематическими элементами: Автореф. дисс. Л., 1989.

26. Мирошников М.М. и др. // ОМП. 1990. - №9. - с. 3.

27. Павлова Г.А. и др. // ОМП. 1986. - №5. - с. 27.

28. Елисеев C.B. Геодезические инструменты и приборы. — М.: Недра, 1973.-392 с.

29. Копытов В.В. // Метрология. 1983. - №12. - с. 25.

30. Оптический производственный контроль. Под ред. Д. Малакары. М.: Машиностроение, 1985.

31. Лурье А.И. Аналитическая механика. — М.: Изд-во АН СССР, 1961.-828 с.

32. Раушенбах Б.В., Токарь E.H. Управление ориентацией космических аппаратов. — М.: Наука, 1974. 600 с.

33. Грейм И. А. Зеркально-призменные системы. М.: Машиностроение, 1981. - 125 с.

34. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М.: Искусство, 1971. - 670 с.

35. Михельсон И.И. Оптические телескопы. М.: Наука, 1976. -510 с.

36. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Д.: Машиностроение, 1969. — 672 с.

37. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. М.: Наука, 1984. — 272 с.

38. Прикладная физическая оптика /Под. ред. В.А. Москалева С.-Пб.: Политехника, 1995.

39. Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. М.: Машиностроение, 1978.

40. Панов В.А. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов 1980г.

41. Прикладная оптика / Дубовик A.C., Апенко М.И. , Дурейко Г.В. и др. М.: Недра, 1982.

42. Апенко М.И. .Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике, М.: Недра, 1987.

43. Русинов М.М. Техническая оптика. JL Машиностроение, 1984.47.3апрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М.: Логос. 2000.

44. Сборник задач по теории оптических систем. / Андреев Л.Н., Грамматин А.П. и др. М.: Машиностроение, 1987.

45. Пер А.Г. Производство оптико-механических приборов, 1959.

46. Гжиров Р.И. Кратний справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1983. - 464 с.

47. Ключникова Л.В., Ключников В.В. Проектирование оптико-механических приборов: Учеб. пособие для сред. спец. учеб. заведений. СПб.: Политехника, 1994. - 206с.

48. Проектирование оптико-электронных приборов. Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: "Логос", 2000.

49. Конструирование приборов. В 2-х книгах. Под ред. В. Краузе. М.: "Машиностроение", 1987.

50. Рагузин P.M. Функциональные узлы приборов. Учебное пособие. ЛИТМО, 1985.

51. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов. Л.: "Машиностроение", 1982.

52. Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования. Пер. с нем./Под ред. М. Я. Кучера. Л., Машиностроение, 1969. -165с.

53. Русинов М.М. и др. Вычислительная оптика. Справочник. Л.: Машиностроение, 1984.

54. Кругер М. Я., Кулежнов Б. М. Конструирование оптико-механических приборов. М.-Л., Машгиз, 1948. — 219 с.

55. Теория и расчет элементов приборов. СПб.: Политехника, 1993.

56. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989.

57. Плотников B.C. и др. Расчет и конструирование оптико-механических приборов. JL: Машиностроение, 1982.

58. А.Джерард, Дж.М.Берч Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978.

59. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М., 1989.

60. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Уч. Пос. для ВУЗов/ В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, A.B. Яковлев М., Машиностроение, 1985.

61. Бесекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования, 3-е изд., М., Наука, 1975.

62. Бесекерский В.А. и др. Руководство по проектированию систем автоматического управления. М. 1983.

63. Digital method for measuring the focus error. Applied Optics, 1987.36 №28, 7204-7209.

64. И.М. Далинский. Применение анализа размерностей при конструировании механических узлов оптических приборов. Оптико-механическая промышленность №8, 1990. с. 68-71.

65. Ефимов Н.В. Квадратичные формы и матрицы. Уч. Пос. для ВУЗов, М., Наука, 1967.

66. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М.: Физматгиз, 1959.

67. Справочник по теории автоматического управления. Под ред. A.A. Красовского. М.: Наука, 1987.

68. Хетагуров Я. А. Основы проектирования управляющих вычислительных систем. М.: Радио и связь, 1991.

69. Подчукаев В.А. Автоматизация проектирования систем управления. Сарат. Политехи. Ин-т, Саратов, 1987.

70. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. JL: Машиностроение, 1982.

71. Компьютерные методы контроля оптики. Методические указания к лабораторному практикуму. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001.

72. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем. -JI. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -270 с.

73. Толстоба Н.Д. Компьютерное конструирование оптических приборов. Учебное пособие. СПб, 2000.

74. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М. Машиностроение. 1987.

75. Кирилловский В.К. Методы контроля качества изображения оптических систем. Изд. ЛИТМО 1980.

76. Кирилловский В.К. Применение телевидения при контроле и аттестации оптических систем. Изд. ЛИТМО 1983.

77. Кирилловский В.К. Контроль качества объективов. Изд. ЛИТМО 1984.

78. Бейтс Р. Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. -М: Мир, 1989.

79. Борн Г. Форматы данных. Торгово-издательское бюро BHV, 1995.

80. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. -М. Мир, 1988. с. 15-141.

81. Климов А. С. Форматы графических файлов: НИПФ "ДиаСофт Лтд.", 1995.86.0ппенгейм А. В., Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов. -М. Связь, 1979. -416 с.

82. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. -М. Мир, 1971.-496 с.

83. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. -М: Мир, 1979.

84. Рабинер Jl. Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М. Мир, 1978. с. 62-72, 394-421.

85. Ярославский J1. П. Введение в цифровую обработку изображений. -М. Сов. радио, 1979. -312 с.

86. Ярославский JT. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику. -М. Радио и связь, 1987.-296 с.

87. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1970. -364 с.

88. Компьютеры в оптических исследованиях. Под ред. Б. Фридена. -М. Мир, 1983. -448 с.

89. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Matlab 5.0/5.3. Система символьной математики. М.: Нолидж, 1999. 640 с.

90. Xiao Tang, Pierre L'Hostis, and Yu Xiao. An Auto-Focusing Method in a Microscopic Testbed for Optical Discs // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. Volume 105, Number 4, July-August 2000, p. 565.

91. Appendix F. IAFIS image quality specifications // CRIMINAL JUSTICE INFORMATION SERVICES (CJIS): URL: http://www.fbi.gov/hq/ciisd/iafis/efts70/appendixf.htm (January 29, 1999)

92. Цифровое преобразование изображений.: Учеб. пособие для вузов / P.E. Быков, Р. Фрайер, К.В. Иванов, A.A. Манцветов; Под ред. Профессора P.E. Быкова. — М.: Горячая линия -Телеком, 2003.-228с.