Перечислительные методы и цифровые технологии классификации сигналов в системах мониторинга качества поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Коваленко, Павел Павлович

• Коваленко, Павел Павлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коваленко, Павел Павлович

ВВЕДЕНИЕ.„. .4: г. СОСТОЯНИЕ ВОПРОС А. .;.:.

1.1. Историяразвитияметодовисредств мониторинга качества поверхностей.:.

1.2. Обзор методов определения качества поверхностей.

Выводы по;главе Ъ.

2. ПОЛИНОМЫ МОРСА КАК ОСНОВА КЛАССИФИКАЦИИ

ОДНОМЕРНЫХ СИГНАЛОВ

2.1. Полиномы Морса.

2.2 Перечислительные особенности полиномов Морса.

2.3 Алгоритм и программа синтеза полиномов Морсаи вычисления критических точек и критических значений.

2.4 Распределения порядковых номеров критических значений в перестановках.

2.5 Распределения критических точек и критических значений полиномов Морса.

2.6 Моделирование процесса вероятностного поиска типа полинома Морса для целей идентификации измерительных сигналов.

2.7 Аналитическое построение элементов треугольника Бернулли-Эйлера

2.8 Кумулятивный анализ данных.41!

Выводы по главе 2.

3. ПАТТЕРНИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ

3.1. Патгернизация сигналов.

3.2. Анализ паттернов.

3.3. Депаттернизация сигналов.

Выводы по главе 3.:.

4. АЛГОРИТМЫ МОДУЛЕЙ, ВСТРАИВАЕМЫХ В ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЗМ И ПРИМЕРЫ ОБРАБОТКИ ТАКИХ ДАННЫХ.

4.1. Алгоритмы модулей, встраиваемых в программные средства обработки данных СЗМ.

4.2. Примеры анализа и классификации данных.

Выводы по. главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Перечислительные методы и цифровые технологии классификации сигналов в системах мониторинга качества поверхностей»

Проблема обработки- и распознавания информации актуальна для сигналов различной природы- в том числе и для данных, получаемых с использованием систем мониторинга качества поверхностей. Это касается не только комплексов для исследования поверхностей на микроуровне, но и систем, позволяющих исследовать характеристики поверхностей на наноуровне. К таким системам относятся средства сканирующей зондовой микроскопии (G3M). Данные, получаемые с помощью СЗМ, обрабатываются различным программным обеспечением. Наиболее распространенными пакетами прикладных программ для обработки. СЗМ являются «FemtoScan Online», «Gwyddion», «SPIP» и «WSxM». Все перечисленные программы применяют к данным СЗМ различные методы .обработки сигналов и позволяют осуществить визуализацию получаемых данных в том или ином виде. Существующие программы обработки данных СЗМ направлены только на анализ сигналов^ и, как показали наши исследования, не позволяют решать задачу классификации технологических поверхностей. Международные системы классификации поверхностей, основанные на использовании параметров шероховатости поверхности Ra и Rz, применимы только для случая микроизмерений и не дают однозначного результата при осуществлении классификации результатов измерений на наноуровне, так как в данном случае в результате измерений получается не сама исследуемая поверхность, а некоторая потенциальная функция, описывающая межатомное взаимодействие поверхности и зонда. Несмотря на широкое распространение параметрических методов классификации качества поверхностей ведутся исследования, по разработке новых методов, отличных от параметрического метода. Данная работа посвящена разработке методов анализа и классификации сигналов, получаемых при использовании систем мониторинга качества технологических поверхностей, включая средства сканирующей зондовой микроскопии, иа основе достижений и возможностей перечислительной комбинаторики.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов и алгоритмов перечислительной классификации данных, получаемых при сканировании топологиитехнологических поверхностей твердых тел.

Длядостижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: произвести обзор существующих методов анализа и классификации сигналов, выявить их достоинства и недостатки; разработать метод перечислительной классификации и анализа сигналов в системах мониторинга качества и исследования топологии поверхностей твердых тел; разработать алгоритмы и написать программы перечислительной классификации сигналов, подключаемые; к существующим программам обработки данных СЗМ; осуществить классификацию результатов сканирования поверхностей на микро- и наноуровнях с использованием разработанного метода.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса анализа; и классификации топологии поверхностей твердых тел: Применение существующих методов классификации качества поверхностей рассмотрено на примере анализа реальной профилограммы. Сделан вывод, что топологическим методам классификации качества поверхностей уделено недостаточно внимания в литературе.

Во второй главе показана возможность использования математического аппарата полиномов Морса для решения задачи классификации сигналов в системах мониторинга качества поверхностей. Произведен анализ распределений критических точек и критических значений полиномов Морса.

В третьей главе предложен алгоритм преобразования одномерного сигнала в набор двумерных представлений с последующим их сложением в суммарный образ и обратным переходом от суммарного образа к одномерному сигналу. Данный алгоритм использует логику паттернов. Произведен анализ полученных представлений. Данные двумерные представления и суммарный образ предлагается использовать для осуществления классификации сигналов.

В четвертой главе представлены блок-схемы программ, реализующих преобразования сигналов, описанные в главе 3. Предложено дополнить уже существующие пакеты прикладных программ для обработки данных СЗМ, поддерживающие подключение пользовательских модулей' (например, «FemtoScan Online» и «Gwyddion»), новым модулем классификации сигналов, написанным на основе результатов данного исследования.

Представлены результаты обработки различных сигналов, полученных с помощью систем мониторинга качества поверхностей, с использованием методов и алгоритмов, предлагаемых в диссертационном исследовании. Произведен анализ полученных результатов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Коваленко, Павел Павлович

5. Результаты исследования используются в учебном процессе кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО при чтении курса «Дискретная математика»

Цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке методов и алгоритмов перечислительной классификации данных, получаемых при сканировании топологии поверхностей твердых тел, достигнута.

95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Г. Исследованы особенности полиномов Морса и показана возможность их использования для решения задачи классификации качества поверхностей:

2. Разработан алгоритм пространственного преобразования одномерных сигналов в набор двумерных, представлений с дальнейшим получением суммарного, образа и, переходом от суммарного образа к исходному одномерному сигналу. Получаемые представления могут использоваться для классификации сигналов в, системах мониторинга, качества поверхностей.

3. На основе разработанных в главах 2 и 3 алгоритмов написаны программы в среде «МАТЬАВ». Показана возможность подключения программ перечислительной классификации сигналов к программному обеспечению обработки данных СЗМ, допускающему добавление и использование пользовательских модулей.

4. Показаны примеры обработки данных СЗМ с использованием разработанных топологических методов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коваленко, Павел Павлович, 2011 год

1. Абрамов А. Д. Определение шероховатости шлифованных поверхностей на основе анализа их автокорреляционных функций // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 10, №3, 2008, с. 887-894.

2. Арнольд В.И. Вещественная алгебраическая геометрия. — М.: МЦНМО, 2009.-88 с.

3. Арутюнов П. А., Толстихина А.Л., Демидов В.Н. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 1998, 9 (65), с. 27-37.

4. Болсинов A.B., Фоменко А.Т. Интегрируемые гамильтоновы системы. Геометрия, топология, классификация. Т.1. Ижевск: Изд. дом «Удмуртский университет», 1999. — 444 с.

5. Валетов В.А. Оптимизация микрогеометрии деталей в приборостроении. ЛИТМО, 1990,100 с.

6. Валетов В.А., Иванов С.Ю. Проблемы комплексной оценки и контроля характеристик поверхностного слоя деталей машин, приборов и систем. Инструмент и технологии, 2002, с. 164-167.

7. Валетов В.А., С.Д. Третьяков. Исследование закономерностей изменения микрогеометрии поверхностей деталей при трении-скольжении. Научно-технический вестник, СПб, 2001, с.79-82

8. Витенберг Ю. Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. JI., «Судостроение», 1971,108 с.

9. Гамма Э., Хелмн Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны^ проектирования. — СПб: Питер; 2007.

10. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф: Пер с англ. -Т.1. — М.: Мир,-1984.-350 с.

11. Голубев Ю.М. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. — Новосибирск: Новосибирский электротехнический институт, 1977г

12. Гульден Я., Джексон Д. Перечислительная комбинаторика. Пер. с англ./Под ред. В.Е. Тараканова. М.: Наука, 1990. - 504 с. - ISBN 5-02013967-Х.

13. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: «Наука», 1970; 228 с.

14. Дунин-Барковский И. В. Определение параметров и точности измерений шероховатости поверхности. — В кн.: Качество поверхности деталей машин, изд. АН СССР, 1961, № 5, с. 181—190.,

15. Дунин-Барковский И. В. Основные направления исследований качества поверхности в машиностроении и приборостроении. — «Вестник машиностроения», 1971, № 4, с. 49—55.

16. Дунин-Барковский И. В. Пьезопрофилометры и измерения шероховатости поверхности. -М.: Машгиз, 1961, 312 с.

17. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. О надежности измерений шероховатости поверхности. Научные доклады высшей школы. —, «Машиностроение и приборостроение», 1958, № 4, с. 160—169.

18. Дунин-Барковский И. В., Тупеев С. X. Спектры неровностей обработанной поверхности и их влияние на долговечность турбины ГТД. В кн.: Повышение ресурса работы авиационных деталей технологическими средствами. М.: Машиностроение, 1964, с. 72—107.

19. Дьяченко П. Е., Вайнпггейн В. Э., Грозинская 3. П. Методы контроля hi стандартизация волнистости поверхности. -М.: Стандартгиз, 1962. 96 .с.

20. Иванников В.П., Гайсарян С.С., Антипин К.В., Рубанов В.В. Объектно-ориентированное окружение, обеспечивающее доступ к реляционным СУБД. // Труды Института системного программирования РАН, том 2, 2001, с. 89-114.

21. Карташов А. И. Шероховатость поверхности и методы ее измерения. -М.: Изд-во стандартов, 1964,164 с.

22. Карташова А. Н. Достоверность измерений и критерии качества испытаний приборов. -М.: Изд-во стандартов, 1967,160 с.

23. Карташова А. Н. Исследование зависимости погрешности щуповых профилометров от параметров их подвижных систем и характеристик контролируемой поверхности. — В кн. «Труды ВНИИМ». М.: Стандартгиз, 1960, вып. 4, с.-20—33.

24. Карташова А. Н. Метрологическая надежность и достоверность проверки приборов. — В кн.: Вопросы технологической надежности. — М.: Изд-во стандартов, 1974, с. 57—74.

25. Коваленко П. П. Визуализация изображений на цилиндре и торе // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 37. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА. Труды молодых ученых / Гл. ред. д.т.н., проф. В.Н. Васильев СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 318-322

26. Коваленко П.П. Визуализация изображений на цилиндре и торе // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 37. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА. Труды молодых ученых / Гл. ред. д.т.н., проф. В.Н. Васильев СПб: СПбГУ ИТМО, 2007, с. 318 - 322.

27. Коваленко П.П. Методика информационной оценки восприятия изображений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 48. Мехатроника, технологии, системы автоматизированного проектирования.

28. Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008, с. 49 - 53.

29. Коваленко П.П. Перечислительные цилиндрические и торовые шкалы // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 3. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. С. 130 - 131

30. Коваленко П.П., Мусалимов В.М. Прямая и обратная задачи паттернизации сигналов и изображений // Известия вузов. Приборостроение, 2011, № 1, с. 38-45.

31. Крагельский И.В. Влияние шероховатости поверхности на трение (при отсутствии смазки), М.: Изд-во АН СССР, 1946, 26 с.

32. Крагельский И.В. Трение и износ в машинах М.: Машгиз, 1962,384 с.

33. Крагельский И.В., Демкин Н.Б. Определение фактической площади касания шероховатых поверхностей В сб.: Трение и износ в машинах, т. 14, М.: Изд-во АН СССР, 1960, с. 37-62.

34. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ. -М.: Машиностроение, 1977, 526 с.

35. Крагельский И.В., Комбалов B.C. Расчет величины стабильной шероховатости после приработки (упругий контакт) ДАН СССР, 1970, т. 193, №3, с. 554-556.

36. Ландо С.К. Лекции о производящих функциях, 2-е изд., испр. — М.: МЦМНО, 2004. - 144 с. - ISBN 5-94057-042-9.

37. Левин М. А. Исследование статистических свойств характеристик микрорельефа при чистовом точении. В сб.: Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин. Рига, РПИ, 1975, с. 42—48.

38. Лесохин А.Ф. Чистота поверхности. Основные параметры. М.: Московский печатник, 1949г, 94с.

39. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: Физмаггиз, 19621 350 с.

40. Линник Ю. В., Хусу А. П. Математико-статистическое описание неровностей профиля поверхности при шлифовании. Инженерный сборник, т. XX» М., АН СССР, 1954, с. 154—159.

41. Маталин А. А. Шероховатость поверхности деталей машин в приборостроении. М.: Машгиз, 1949.192 с.

42. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004, 144 с.

43. Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - 191 с.

44. Мусалимов В.М., Хамидуллина Л.Т., Коваленко П.П. Прикладные задачи перечислительной комбинаторики. Учебное пособие по курсу «Дискретная математика». СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 69 с.

45. Мусалимов, В. М. Дик О. Е., Тюрин А. Е. Параметры действия энергетического спектра вейвлет-преобразований // Известия вузов. Приборостроение. 2009. - Т. 52, N5.-0. 10-15.

46. Новиков Л.В. Основы вейвлет-анализа сигналов. Учебное пособие. 1999. 152 с.

47. Программное обеспечение ФемтоСкан Онлайн Электронный ресурс. llttp://www.nanoscopy.net/гus/products/software/feшtoscan.pllp - ресурс в Интернет.

48. Романовский И.В. Дискретный анализ. СПб: Невский диалект, 2000.

49. Рудзит Я. А. Расчет средних значений главных радиусов кривизны вершин микронеровностей.— Приборостроение, 1969, вып. 3. Рига.

50. Рудзит Я. А. Статистический расчет площади фактического контакта деталей машин. Автореф. канд. дисс. Рижский политехнический институт. 1967.

51. Рудзит Я. А. Статистический расчет радиусов закругления Вершин микронеровностей.— Ученые записки, 1968, вып. 6. Рига.

52. Рудзит Я. А., Одитис И: А. О параметрах нерегулярной шероховатости поверхности.— Приборостроение, 1972, вып. 8. Рига.

53. Рыжов Э. В. Геометрические характеристики шероховатости и волнистости поверхностей.— Сб. «Новое в теории трения». М., «Наука», 1966, стр. 19—30.

54. Рыжов Э. В. Контактная жесткость деталей машин. М., «Машиностро ение», 1966.

55. Рыжов Э. В., Бауман В. А., Ольшевская Н. А. Обработка профилограмм на ЭЦВМ!— «Информационный листок № 192—72». Брянский территориальный центр научно-технической, информации и пропаганды. ЦНТИ.

56. Рыжов Э. В1, Бауман В. А., Ольшевская Н. А. Определение характеристик шероховатости поверхности с помощью ЭВМ.— Сб. «Контактная жесткость в машиностроении и приборостроении. Тезисы докладов». Севастополь, 1972.

57. Семенов В.А., Морозов C.B., Порох С.А. Стратегии объектно-реляционного отображения: систематизация и анализ на основе паттернов. Труды Института системного программирования РАН, том 8, 2004. Часть 2. 2004, с. 53-92.

58. Синицына О.В. Обработка и анализ данных зондовой микроскопии. Обзор программного обеспечения // Нано- и микросистемная техника, 2007, №2, с. 2-7.

59. Сулаберидзе В.Ш., Жителев В. А. и др. Профилометрия крестообразных ТВЭЛов с использованием лазерного датчикаперемещений // Сборник трудов НИИАР. Выпуск 1. Димитровград: НИИАР, 2005.

60. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), №3, С. 7889.

61. Тененбаум М. М. Анализ изменений шероховатости обработанных поверхностей.— Заводская лаборатория, 1950, № 2.

62. Тененбаум М. М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. М., «Машиностроение», 1966.

63. Тененбаум М. М. Микрогеометрия и износ поверхностей трения.— Сб. «Качество поверхностей деталей машин», кн. 16. -М.: Машгиз, 1950.

64. Трутень В. А. Профилограф ММИ-1. — В кн.: Методы и средства определения чистоты поверхности в машиностроении. М.: Машгиз, 1955, с. 123—140.

65. Хрущев М. М., Бабичев М. А. Исследование изнашивания металлов. Изд-во АН СССР, М., 1960. 351 с.

66. Хрущев М. М., Беркович Е. С. Определение износа, деталей машин методом искусственных баз. Изд-во АН СССР, М., 1959. 218 с.

67. Шлезингер Г. Качество поверхности. М.: Машгиз, 1947.

68. Шмальц Г. Качество поверхности. Русский пер., ГНТИ, 1941.

69. Шнейдер Ю. Г. Нормирование и контроль качества поверхности деталей машин.— «Средства и методы улучшения качества, повышения надежности выпускаемых машин и приборов». Л., 1969.

70. Шнейдер Ю. Г., Кравцов А. Н. Влияние микрорельефа поверхностей на силы трения.— Вестник машиностроения, 1968, № 6.

71. Шнейдер Ю. Г., Фельдман Я. С. Поверхности деталей с регулярным микрорельефом и аналитический расчет его геометрических характеристик.— Сб. «Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин». Рига, «Зинатне», 1972.

72. Шуткин Л.В. Патгерновая модель данных // НТИ, Сер.2.-1995,№11

73. Шутки п. JI.В. Парадигма модульного мышления // Химия и жизнь №3, 2006, с. 38-42.

74. Якобсон М. О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при, механической обработке. Машгиз, М., 1956. 292 с.

75. Якушев, А. И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения в машиностроении Текст. / А. И. Якушев. М.: Машиностроение, 1974.-472 с.

76. Abbot Е. I., Firestone F. A. Mech. Engng, 1933, 55, p. 569

77. Binnig G., Quate C.F., Gerber C. Atomic Force Microscope // Phys. Rev. Lett., 1986, v. 56, p. 930-933.

78. Binnig G., Rohrer H. Surface imaging by Scanning Tunneling Microscopy. Ultramicroscopy, 1983, v. 11, p. 157-160.

79. Durig U., Pohl D.W., Rohrer F. Near-field optical-scanning microscopy // J. Appl. Phys. 1986, v. 59 (10), p. 3318-3327.

80. Grenander U. General1 Pattern Theory. Oxford University Press,1993,-904pp.

81. Gwyddion Электронный ресурс. http://www.gwyddion.net - ресурс в Интернет.

82. Mummery L. Surface texture analysis. The handbook. Hommelwerke GmbH, 1990.

83. Musalimov V.M., Musalimova L.N. Dynamics of dualscales // Материалы конференции ISMTÜ-2009. СПб, 2009.

84. Nanotec Electrónica Электронный ресурс. http://www.nanotec.es. -ресурс Интернет

85. ObjectArchitects Электронный ресурс. -ObjectArchitects/papers/Published/ZippedPapers/or06proceedings.pdf. -страница в Интернет

86. The Scanning Probe Image Processor, SPIP Электронный ресурс. — http://www.imagemet.com/index.php?main=products. страница в Интернет

87. Villarrubia J.S. Algorithms for Scanned Probe Microscope, Image Simulation, Surface Reconstruction and Tip Estimation // J. Nat. Inst. Stand, and Technol., 1997, v. 102, p. 435-454.

88. W. Keller. Object/Relational Access Layers — A Roadmap, Missing Links and More Patterns. // Proceedings of the 3rd European Conference on Pattern Languages of Programming and Computing (EuroPLoP), 1998.