Оптоэлектронные системы бесконтактного размерного контроля удаленных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Семенов, Дмитрий Михайлович

• Семенов, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенов, Дмитрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОРНЫЙ АНАЛИЗ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1 . Общее представление.

1.2 . Измерение линейных перемещений средствами оптотехники.

1.2.1. Измерители длин геометрического типа.

1.2.2. Измерительные микроскопы.

1.2.3. Методы фотограмметрии.

1.2.4. Метод измерения по сопряженным отрезкам.

1.3 Методы сетевой трансляции измерительной информации.

1.4 Методы компьютерной обработки измерительной информации.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2. АНАЛИЗ СХЕМ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПО МЕТОДУ СОПРЯЖЕННЫХ ОТРЕЗКОВ

2.1. Способы построения схем измерения.

2.2. Расчетные соотношения.

2.2.1. Геометрические параметры схемы измерения.

2.2.2. Трансформация зоны измерения.

2.2.3. Соотношение для сопряженных точек.

2.2.4. Соотношения для сопряженных отрезков.

2.2.5. Влияние оптической силы объектива.

2.3. Градиентный метод индикации результатов измерений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

3. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

3.1. Функциональные характеристики.

3.2. Схемы измерений.

3.3. Фотоэлектрические бесконтактные микрометры.

3.4. Индикация координат штрих-марки в пространстве изображений.

3.5. Погрешности измерения.

3.6. Тарировка шкалы прибора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

4. СПОСОБЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

4.1. Сетевые способы трансляции.

4.2. Цифровая обработка аналоговых сигналов.

4.3. Методика синтеза интегрированных систем бесконтактного контроля.

4.3.1. Способы защиты от ошибок в передаваемой информации.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптоэлектронные системы бесконтактного размерного контроля удаленных объектов»

Общая характеристика работы

В диссертации представлены исследования способов построения схем измерения и контроля малых линейных перемещений на удаленных объектах. Под термином «удаленные объекты» понимается технологическая ситуация, в которой собственно объект контроля и аппаратные средства обработки измерительной информации разнесены в пространстве и связаны по телекоммуникационным каналам. Схема измерения в такой ситуации вкшочает в себя три функциональных компонента: первичный преобразователь, тракт передачи и блок обработки измерительной информации. Первичным преобразователем принята оптическая схема активного типа, содержащая канал, проектирующий изображение светящейся марки на поверхность контроля, и приемный канал, проецирующий вторичное изображение пггрих-марки в плоскость индикации ее координат.

Общий принцип функционирования таких схем описан в литературе, имеет примеры реализации при измерениях больших (свыше 500мм) длин, но при измерениях малых перемещений возникает ряд физических противоречий, хотя сама концепция получения измерительной информации без контакта с поверхностью весьма привлекательна по ряду признаков.

Два других компонента (тракт передачи и алгоритмы обработки информации) выбираются по известному ряду решений и анализируются по конкретным факторам совместного функционирования.

Суть исследований состоит в оценке достоверности получаемой информации по совокупности метрологических и функциональных характеристик компонентов системы в целом. Каждый из трех компонентов независим от других по своим физическим функциям, поэтому в работе исследование системы организовано по принципу декомпозиции.

Первичный преобразователь. Основной компонент системы, обеспечивающий получение измерительной информации и преобразование ее к виду, удобному для передачи по телекоммуникационному каналу. Оптическая двухканальная схема бесконтактного измерения длин имеет множество прототипов для разных метрологических задач (геодезия, дальнометрия, фотограмметрия, измерительные микроскопы и др.). Все они базируются на законах геометрической оптики, что позволяет получать простые, дешевые, легко воспроизводимые решения. Это показано в работах профессоров Грейма И.А., Русинова М.М., Сухопарова С.А., Грамматина А.П., Зверева В.И., Федотова А.И., Сарвина А.А. Эти работы в совокупности создают основу аналитического проектирования оптических схем бесконтактного измерения. Профессором Сарвиным А.А. разработан метод бесконтактного измерения длин линейных отрезков по длине их оптического изображения. Этот метод обеспечивает решение многих задач измерений и контроля больших размеров, однако прямое использование его для случая малых перемещений связано с рядом противоречий физического и методического характера.

Понятие «малые перемещения» не имеет установленных ограничений по их величине. В аспекте метода измерений по сопряженным отрезкам термином «малые перемещения» определяются такие, длину которых можно спроектировать в пространство изображений приемного объектива с увеличением, большим единицы. Таким образом, понятие «малое перемещение» условное, не имеющее численного выражения в общем случае, оно относится не столько к самому перемещению, сколько к системам измерения. Однако в действительности диапазон измеряемых перемещений не превышает 2-3 мм, а оптическое увеличение приемного объектива на длине его фокусного отрезка изменяется от 1 до оо. Это обстоятельство вызывает необходимость разъяснений по ряду физических и конструктивных факторов, определяющих механизм получения измерительной информации и ее достоверность. Таких факторов множество, к числу основных относятся: рациональный диапазон измерений и соотношение его с оптической силой объектива, взаимное расположение линии измерений и оптической оси объектива, оптические свойства поверхности контроля, способ индикации результата.

Диапазон измерений и его расположение относительно точки переднего фокуса объектива определяют передаточную функцию схемы и ее разрешающую способность - главные физические факторы и соответственно основной предмет анализа в диссертации.

Линия измерений и оптическая ось приемного объектива могут быть совмещенными, взаимно перпендикулярными, расположенными под острым углом одна к другой. Каждый из вариантов имеет примеры практической реализации и они описаны в теории. В данной работе рассматриваются схемы, в которых линия измерений и оптическая ось приемного объектива расположена под острым углом. Такие схемы имеют несколько отработанных на практике вариантов реализации:

- схемы триангуляции (построение равнобедренного треугольника);

- схемы фотограмметрии (формирование стереоскопического изображения);

- схемы внутрибазных дальномеров.

Наилучшее приближение к задачам технических измерений обеспечивают схемы по типу внутрибазных дальномеров. В работах профессора Грейма И.А. и затем профессора Сарвина А.А. детально исследованы схемы измерителей больших длин (0,5-45 м) в машиностроении и в других областях индустрии. По отношению к обычным (до 500 мм) в технических измерениях диапазонам эти схемы не рассматривались. Этому есть ряд объективных причин. Во-первых промышленная метрология располагает широким набором средств измерений в этом диапазоне, во-вторых, методы бесконтактных измерений длин воспринимались как желательные, но вполне замещаемые традиционными средствами. В последнее десятилетие сформировались новые технологии, полное метрологическое и информационное обеспечение которых связано с бесконтактными методами измерений и актуальность исследований в этой области возросла.

Тракт передачи. Возможные варианты известны: оптиковолоконные линии, проводниковые линии, эфирная связь, интернет-каналы. Задача анализа в установлении признаков совместимости с измерительным преобразователем и устройством обработки информации по конкретным условиям функционирования системы.

Блок обработки измерительной информации. Предмет анализа - банк машинных протоколов. Задача анализа - формирование методики выбора протоколов по условиям получения требуемой информации и выработки решений для управления процессами.

Актуальность темы

Объективными признаками актуальности предпринятых исследований являются:

- современные тенденции интегрирования систем управления технологическими процессами и связанная с этим потребность в адекватных информационно-измерительных средствах;

- приоритетное развитие оптоэлектронных методов измерений и контроля, обусловленное в первую очередь их функциональной полнотой, которая показана физическим механизмом взаимосвязи, светового потока с окружающей средой, но технически реализована в малой части от возможного;

- необходимость обеспечивать конкурентоспособность предприятия, главным признаком которой является его способность быстро осваивать передовые технологии, что неизбежно связано с решением конкретных задач их метрологического обеспечения;

- формирование идеологии и теории систем интеллектуальных измерений, аналитическое описание и экспериментальная отработка компьютерных технологий, включающих в себя телекоммуникационные тракты передачи измерительной информации.

При этом исследуемая тема вписывается в объявленную программу развития техники и технологии по разделу «оптика».

В настоящее время оптотехника и область оптических измерений тесно увязываются с интенсивным развитием информационных технологий.

Задачи бесконтактных измерений, контроля и задания малых перемещений до настоящего времени не имеют достаточно развитого набора решений, тогда как потребность в таких инструментальных средствах существует на протяжении нескольких десятилетий. Наглядными примерами таких задач являются технологии изготовления интегральных схем, контроль деформаций, высокоточная механическая обработка, контроль деталей с малой поверхностной точностью, точное позиционирование и др.

Приведенные аргументы автор рассматривает как субъективные признаки актуальности.

Задачи и содержание исследований

Общая задача - детальное аналитическое описание механизма получения, передачи и обработки измерительной информации от удаленных объектов. Основной предмет анализа - оптическая схема бесконтактного измерения малых перемещений по длине их оптических изображений, проецируемых с большим увеличением. В отношении такой схемы возникает ряд вопросов:

- каким способом сформировать исходные информативные признаки, т.е. как энергетически выделить точку измерений?

- какими факторами регламентируется диапазон измерений и метрологические характеристики схемы?

- по каким критериям назначать физические и конструктивные параметры схемы?

- как организовать индикацию результата?

- в какой мере может быть использован опыт ранее выполненных разработок в области бесконтактных методов измерений?

Конкретные задачи исследований определены следующим образом:

1. Аналитическое обобщение методов получения измерительной информации средствами силовой оптики, сопоставительный анализ измерительных соотношений.

2. Разработка дифференциального способа измерений по сопряженным отрезкам на основе градиента оптического увеличения системы.

3. Точностной анализ измерительных соотношений при дифференциальном способе измерений.

4. Анализ моделей задатчиков малых перемещений оптического изображения.

5. Разработка эмпирического способа формирования отсчетной системы первичного преобразователя.

6. Выбор способов передачи измерительной информации по телекоммуникационным каналам.

7. Экспериментальная проверка качества телеизмерений.

Содержание диссертации подчинено разъяснению перечисленных выше вопросов и разработке методики синтеза, расчета и тарировки схем . конкретного назначения.

В диссертации приведен краткий обзор оптических методов бесконтактного измерения длин (глава 1). Кратко представлены принципы построения и ' функциональные характеристики оптических методов, опробованных в той или иной мете для технических измерений.

Вторая компонента для исследуемых систем - сетевая трансляция выходной информации от первичного преобразователя к центральному процессору. В этой области довольно большой ассортимент протоколов и программных средств, однако задача выбора не обеспечена решениями инженерного уровня. Для формирования набора таких решений требуется:

- определить рациональные способы организации коммуникационных каналов по конкретным условиям измерений;

- сформировать методику расчета сетей, обслуживающих оптоэлектронные устройства линейных измерений;

- провести экспериментальную оценку достоверности интегрированной системы измерений и контроля.

Глава 2 содержит теоретический анализ схем измерения малых линейных перемещений по сопряженным отрезкам, включающий:

1. вывод расчетных соотношений, связывающих координаты сопряженных точек в пространстве предметов (на линии измерений) и в пространстве изображений приемного объектива схемы;

2. оценку влияния оптической силы приемного объектива на характер измерительных соотношений;

3. методику определения координат измеряемого отрезка в пределах рабочего диапазона (длины фокального отрезка);

4. исследование информативности градиентного метода индикации результата измерений;

5. оценку способов формирования информативных признаков (проектирование изображения штрих-матрицы) в точке измерения.

Глава 3 содержит анализ влияния оптических и геометрических параметров схемы измерения на вид функции связи сопряженных отрезков и погрешность измерения изображения отрезка.

Этот анализ дает качественную оценку точностных характеристик схемы и позволяет установить требования к тарировке отсчетной системы, ее методику и инструментальное обеспечение.

Глава 4 содержит анализ способов передачи измерительной информации по телекоммуникационным каналам на основе общих требований, предъявленных к системам бесконтактного размерного контроля удаленных объектов, и результаты экспериментальной оценки качества функционирования системы в целом.

По результатам исследований разработан опытный образец системы бесконтактного размерного контроля удаленных объектов и его функциональных фрагментов.

Основные положения диссертации изложены в публикациях автора, докладывались на конференциях, внедрены в учебный процесс. По результатам работы инициированы новые технические идеи в отношении схемных решений функциональных блоков системы, которые могут стать основой для продолжения исследований.

Работа, по-видимому, не свободна от ошибок и упущений, но основные ее выводы и положения приняты и одобрены кафедрами автоматизации производственных процессов, приборов контроля и систем экологической безопасности, высшей математики.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Семенов, Дмитрий Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Исследованы особенности механизма получения измерительной информации в проекционно-визуальной схеме с оптическим увеличением больше 1 (передаточная функция, влияние углового и линейного базисов).

2. Разработана схема дифференциального способа индикации результата измерений на основе градиента оптического увеличения приемных каналов.

3. Предложена методика анализа точностных характеристик схемы измерения малых перемещений.

4. Выполнен анализ оптических устройств позиционирования изображения линии измерений с клином Додена в пространстве изображений и задания малых перемещений точки измерения.

5. Предложена методика задания диапазона измерений по функциональным параметрам (точность, передаточная функция, поле зрения объектива).

6. Разработан эмпирический способ формирования измерительных соотношений для сопряженных отрезков методами нелинейного сглаживания.

7. Исследованы функции зеркальных задатчиков малых перемещений с двумя зеркалами.

8. Выполнен анализ способов трансляции измерительной информации по телекоммуникационным каналам (проанализированы протоколы беспроводной передачи измерений и физические способы трансляции).

9. Получены экспериментальные подтверждения качества получения и трансляции результатов измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенов, Дмитрий Михайлович, 2009 год

1. Антонов, Е.И. Расчет двухзеркального сканера с осями, не лежащими в плоскости зеркала / Е.И. Антонов, Л.А. Ткачев, В.В. Ридгер //ОМП.- 1984.

2. Апенко, М.И. Прикладная оптика/М.И. Апенко, А.С. Дубовик. М.: Изд-во Наука, 1982.

3. Бахмутский, В.Ф. Оптоэлектроника в измерительной технике/ В.Ф. Бахмутский, Н.И. Гореликов. М.: Изд-во Машиностроение, 1979. - 272 с.

4. Васильева, И.И. Механические и оптико-механические приборы для линейных измерений/И.И. Васильева. -Л.: Изд-во СЗПИ, 1978. 80с.

5. Грейм, И.А. Анализ, синтез и юстировка зеркально-призменных систем/И.А. Грейм. -Л: Изд-во СЗПИ, 1981. 81 с.

6. Грейм, И.А. Зеркально-призменные системы/И.А. Грейм. М.: Изд-во Машиностроение, 1981. - 125 с.

7. Паркер, Т. TCP/IP. Для профессионалов/ Т. Паркер, К. Сиян. 3-е изд, СПб.: Питер, 2004. 859 с.

8. Катыс, Г.П. Восприятие и анализ оптической информации оптической системой/Г.П. Катыс -М.: Изд-во Машиностроение, 1986. 416 с.

9. Лебедев, И.В. О некоторых свойствах систем плоских зеркал/И.В. Лебедев // Труды института физики и математики АН БССР, 1956.

10. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов/М.М. Мирошников. Л.: Изд-во Машиностроение, 1983. - 696 с.

11. Погарев, Г.В. Оптические юстировочные задачи/Г.В. Погарев, Н.Г. Киселев. Л.: Изд-во Машиностроение, 1989.

12. Иванов, В.А.Применение лазеров в приборах точной механики/В.А. Иванов В.Е. Привалов. СПб.: Изд-во Политехника, 1993. - 216 с.

13. Румшиский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента/Л.З. Румшиский. М.: Изд-во Наука, 1971. - 192 с.

14. Сивцов, Г.П. Расчет тройки векторов в системе, содержащей преломляющие и отражающие поверхности/Г.П. Сивцов // ОМП.- 1986.-№ 1.-С. 18-19.

15. Соломатин, В. А. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью приемников излучения/В.А. Соломатин, Ю.Г. Якушенков// Изв. Вузов. Серия Приборостроение.- 1986.- Т.29.- № 9. - С. 62 - 69.

16. Русинов, М.М. Справочник. Вычислительная оптика. Издание 2 / М.М.

17. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов, Л.Н. Андреев, Н.А. Агальцова.1. СПб.: Изд-во ЛКИ, 2008.17.