Построение компьютеризированных измерительных информационных систем на базе контактных интерферометров для контроля линейных размеров прецизионных изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Богомолов, Алексей Валентинович

• Богомолов, Алексей Валентинович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богомолов, Алексей Валентинович

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы контактной интерферометрии в области измерений геометрических величин.

1.1. Методы контактной интерферометрии и их место в метрологическом обеспечении машиностроения.

1.2. Анализ интерференционных методов измерения геометрических величин.

1.3. Анализ контактных интерферометров.

1.4. Методы регистрации и обработки интерференцион- 27 ных изображений.

1.5. Постановка задач исследования.

Глава 2. Математическое моделирование и теоретическое исследование контактного интерферометра с цифровой обработкой изображения.

2.1. Математическая модель интерференционного сигнала в интерферометрах белого света.

2.2. Анализ оптико-электронной системы на основе ПЗС-матрицы.

2.3. Анализ погрешности формирования интерференционного изображения в измерительной системе.

2.4. Методы цифровой обработки интерференционных изображений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Построение компьютеризированных измерительных информационных систем на базе контактных интерферометров для контроля линейных размеров прецизионных изделий»

Изготовление высокотехнологичной продукции требует ужесточения допусков на размер, что обуславливает постоянное совершенствование эталонных средств измерений. Количество приборов и выполняемых с их помощью измерений в развитых странах характеризуется огромной цифрой -сотни миллионов. Однако весь массив измерительной информации, получаемый в результате измерений, становится значим и полезен только при обязательном условии обеспечения их единства и требуемой точности не зависимо от места, времени и условий их проведения.

Плоскопараллельные концевые меры длины (КМД), в частности 3 и 4-го разрядов, являются рабочими эталонами для передачи размера от эталона единицы длины до рабочих средств измерений, а также контроля размеров изделий в машиностроении. С помощью КМД производятся установка и градуировка измерительных приборов и инструментов, а также непосредственное измерение и разметка изделий, наладка станков и приспособлений и т.д. Таким образом, КМД являются наиболее важным элементом метрологического обеспечения предприятий.

Как известно [47], в международной системе физических единиц СИ одна из основных единиц — единица длины, воспроизводимая через длину световой волны.

В соответствии с Государственной поверочной схемой [35] для передачи размера единицы длины от рабочих эталонов высших разрядов к низшим используются интерференционные измерения. Интерференционные приборы являются наиболее естественными средствами измерений, так как основаны на передаче размера единицы длины через длину световой волны. Таким образом, чем больше уровней поверочной схемы они охватывают, тем гармоничнее сама схема.

Интерферометры являются приборами высшей точности на предприятиях нашей страны. В течение нескольких десятилетий интерференционные приборы используются для визуального наблюдения интерференционных картин в задачах измерений линейных величин. Процесс измерения заключается в извлечении необходимой информации из полученного изображения с последующей ее обработкой.

В нашей стране существует огромное количество стандартизованных средств измерений, которые содержат прекрасную механическую или оптико-механическую часть, при работе на которых накоплен большой методический опыт отечественных метрологов. Но в тоже время эти измерительные приборы морально устарели, так как не имеют средств автоматизации процесса измерений и обработки результатов измерений. Длительная работа на приборах с визуальным отсчетом показаний вызывает высокую утомляемость и существенное ухудшение зрения оператора. В связи с этим на многих предприятиях происходит отказ от использования этих средств измерений и замена их приборами на базе датчиков и линеек (индуктивных, топографических и т.п.), что снижает точность поверки КМД и уводит систему обеспечения единства измерений длины от естественного эталона - длины волны света.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей является автоматизация действующего парка измерительных приборов. На кафедре измерительных информационных систем и технологий (ИИСиТ) ГОУ МГТУ "СТАНКИН" под руководством проф., д.т.н. Телешевского В.И. разрабатывается новая концепция модернизации средств линейно-угловых измерений и контроля - интеллектуальный компьютерный ретрофиттинг (retrofitting) средств измерений [57]. Суть этой концепции сводится к тому, что существующее измерительное оборудование оснащается системами автоматизации и интеллектуализации процесса измерений с компьютерной обработкой результатов измерений без нарушения технических условий на средство измерения и стандартизованных методик их эксплуатации.

Кроме того, пользователю необходимо получать не только числовую информацию об отклонении измеряемого размера от эталонного, но и определять характеристики КМД (отклонение от плоскопараллельности, от срединной и номинальной длины) с последующим присвоением класса точности. Это вызывает необходимость проведения большого количества измерений и, как следствие, значительные объемы математической обработки. При этом велико влияние оператора на качество и точность поверки, что требует наличия высококлассных специалистов. Поэтому встает вопрос о необходимости автоматизации процесса обработки и выдачи результатов измерений.

Каждые 10 лет точность деталей для высоких технологий повышается в 1,5-1,6 раза (на 1 квалитет), в связи с чем, идет тенденция к повышению разрядности предприятий. Для этого необходимо повысить точность используемых эталонных средств измерений, а значит и средств их поверки. Использование методов и алгоритмов компьютерной обработки интерференционных изображений позволяет существенно повысить точность обработки интерференционных сигналов, а значит уменьшить погрешность получаемых результатов измерений.

В силу указанных причин, актуальной является задача снижения погрешности измерения, повышения производительности и автоматизации измерительных процессов, улучшения условий труда операторов на основе цифровой обработки интерференционных изображений.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Анализ существующих методов и средств цифровой обработки интерференционных изображений.

2,

3.

4.

5.

6.

7,

8,

1,

2, 3 4 1

Математическое моделирование формирования интерференционного изображения в оптико-электронной измерительной системе на основе ПЗС-матрицы.

Исследование эффективности использования ПЗС-матрицы для регистрации интерференционного изображения в контактных интерферометрах.

Разработка алгоритмов обработки интерферограммы. Разработка алгоритма определения центра интерференционной полосы. Исследование эффективности алгоритма определения центра полосы. Разработка структуры информационно-измерительной системы (ИИС) на базе контактных интерферометров и ее реализация на примере интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов. Экспериментальное определение погрешности измерения ИИС.

Научная новизна работы заключается в следующем: Выявлена целесообразность использования ПЗС-матрицы в качестве управляемой электронной шкалы высокого разрешения, пространственный период которой аттестуется в длинах световой волны. Определен способ интерполяции цифрового интерференционного сигнала и выявлен алгоритм ее реализации.

Разработан новый поисковый алгоритм определения центра интерференционной полосы, существенно повышающий разрешающую способность и снижающий погрешность измерения интерферометра. Определена структура ИИС на базе контактных интерферометров, основанной на цифровой обработке интерференционных изображений.

Практическая ценность работы обусловлена следующим: Разработанный алгоритм определения центра интерференционной полосы позволил повысить разрешающую способность до 0,001 мкм (1 нм), уменьшить вариацию показаний до 0,002 мкм и абсолютную погрешность измерения до 0,03 мкм на всем диапазоне показаний.

2. Разработанная ИИС на базе контактного интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов позволила повысить производительность процесса поверки не менее, чем в 3-4 раза при сохранении стандартизованной методики поверки КМД и технических условий на прибор.

3. Результаты работы открывают перспективы повышения разрядности поверяемых на интерферометрах КМД до уровня 2-го разряда.

На защиту диссертации выносятся следующие положения:

1. Использование ПЗС-матрицы в измерительных приборах позволяет применять ее в качестве управляемой электронной шкалы высокого разрешения, пространственный период которой аттестуется в длинах световой волны, с дискретностью отсчета 1 элемент (пиксель).

2. Использование оптико-электронной системы на базе ПЗС-матрицы для цифровой обработки интерференционных изображений не вносит значительной погрешности в результаты измерений (относительная погрешность - порядка 0,01 шага полос).

3. Использование поискового алгоритма определения центра интерференционной полосы с параболической интерполяцией увеличивает точность определения ее центра по сравнению с визуальным до 30 раз.

4. Разработанная архитектура и программно-математическое обеспечение ИИС позволяют повысить разрешающую способность интерферометров в 100 раз при уменьшении вариации показаний до 10 раз и абсолютной погрешности измерения - в 1,5-2 раза.

5. Созданная в работе компьютеризированная ИИС на базе контактного интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов обеспечивает полную автоматизацию процесса поверки при сохранении стандартизованной методики поверки КМД, технических условий и порядка работы с прибором.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Богомолов, Алексей Валентинович

7. Результаты работы по построению измерительных информационных систем на базе контактных интерферометров открывают перспективы повышения разрядности поверяемых на них КМД до уровня 2-го разряда и расширения функциональных возможностей приборов для контроля геометрических параметров разнообразных прецизионных деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богомолов, Алексей Валентинович, 2005 год

1. Абраменко А.Н., Агапов Е.С. Телевизионная астрономия. - М.: Наука, 1983.-272с.

2. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. -М.: Радио и связь, 1987. 296с.

3. Апарин Г.А., Городецкий И.Е. Допуски и технические измерения. М.: Машгиз, 1956.

4. Арсеньев А.В. Расчет частотных характеристик фотоприемника на ПЗС. -М.: Наука, 1978.-208с.

5. Арутюнов В.А., Гуров И.П. Исследование фотоэлектрических преобразователей для интерференционных измерительных систем. М.: Оптика и спектроскопия; 1985. - 217с.

6. Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 304с.

7. Барб Д., Кэмпана С. Изображающие приборы с зарядовой связью, т. 3. — М.: Мир, 1970.

8. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. — М.: Мир, 1989.-541с.

9. Богомолов А.В. Построение измерительной информационной системы на базе контактных интерферометров. // Вестник компьютерных информационных технологий. 2005. - №5. — С. 18-21.

10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. - 719с.

11. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях М.: Мир, 1979. - 292с.

12. Васильев В.Н. Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ-СПб, 1998. -240с.

13. Голод С.Л., Скворцов Ю.С. Новые автоматизированные устройства JIOMO для контроля размеров в автоматизированном производстве. — JI: ЛДНТП, 1989.- 138с.

14. ГОСТ 2475-88 «Проволочки и ролики. Технические условия».

15. ГОСТ 1121-75 «Пластины плоскопараллельные стеклянные. Технические условия».

16. ГОСТ 14865-78 «Кольца установочные к приборам для измерения диаметров отверстий. Технические условия».

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

18. Гуров И.П. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах — М: Информприбор, 1990. — 107с.

19. Гуров И.П. Оптическая интерферометрия и информационные технологии. М.: Приборостроение, 1996. - 198с.

20. Дагман Э.Е., Кухарев Г.А. Быстрые дискретные ортогональные преобразования. Новосибирск: Наука, 1983.

21. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. — М.: Наука, 1975. 456с.

22. Ефимов А.Н., Криворуков Е.В. Исследование эффективности оценок и «псевдооценок» среднего при малом числе наблюдений/ Автометрия №1, 1983. -с.11-17

23. Иванов А.Г. Измерительные приборы в машиностроении. М.: Издательство стандартов, 1981. — 496с.

24. Иесперс П. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. -М.: Мир, 1979.-573с.

25. Кнут. Искусство программирования для ЭВМ. М.: МИР, 1977. - Т.2.

26. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории. Л.: Машиностроение, 1976.-296с.

27. Кондратьев А.И., Носков М.Ф. Выделение экстремумов интерференционных полос при фотографической регистрации. // Приборы и техника эксперимента. 1983. - №2. - С.218-222.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1978. 831с.

29. Кривовяз JI.M., Пуряев Д.Г. Практика оптической измерительной лаборатории. М.: Машиностроение, 1974. - 332с.

30. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983. Т. 1. - 311с.

31. Марков Н.Н. Метрологическое обеспечение в машиностроении. М.: Станкин, 1995.-467с.

32. МИ 102-58 «Инструкции по поверке контактных интерферометров с переменной ценой деления от 0,05 до 0,2 мкм».

33. МИ 1604-87 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры длины концевые плоскопараллельные. Общие требования к методикам поверки».

34. МИ 1875-88 «Государственная система обеспечения единства измерений. Пластины плоскопараллельные стеклянные. Методика поверки».

35. МИ 2060-90 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне 1 • 10"6 50 м и длин волн в диапазоне 0,2 - 50 мкм».

36. МИ 2078-90 «Государственная система обеспечения единства измерений. Проволочки и ролики. Методика поверки».

37. МИ 2079-90 «ГСИ. Меры длины концевые плоскопараллельные образцовые 3 и 4-го разрядов и рабочие классов точности 1-5 длиной до 100 мм. Методика поверки».

38. МИ 2106-90 «Государственная система обеспечения единства измерений. Кольца установочные к приборам для измерения диаметров отверстий. Методика поверки».

39. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. Л.: Машиностроение, 1985.-332с.

40. Новицкий JI.A. Лабораторные оптические приборы. М.: Машиностроение, 1979.

41. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991. - 334с.

42. Нуссбаумер Г. Быстрые преобразования Фурье и алгоритмы вычисления сверток. М: Радио и связь, 1985. - 248с.

43. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. - 388с.

44. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью М.: Радио и связь, 1991. - 262с.

45. Претт У. Цифровая обработка изображений. М: Мир, 1982. - 790с.

46. Розенфельд А. Распознавание и обработка изображений. М.: Мир, 1972. -230с.

47. Российская метрологическая энциклопедия/Под ред. Тарбеева Ю.В. -СПб.: Лики России, 2001. 840с.

48. Сван Т. Программирование для Windows в Borland С++. М.: Бином, 1995.-479с.

49. Скоков И.В. Оптические интерферометры. М.: Машиностроение, 1969. -130с.

50. Скоков И.В., Носков М.Ф. Нелинейная регистрация двухлучевых интерференционных картин. // Заводская лаборатория. 1984. - №1. -С.32-36.

51. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. -М.: Машиностроение, 1989. -256с.

52. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая шкала, 1974. - 376с.

53. Телешевский В.И., Мастеренко Д.А. Рекуррентное робастное оценивание в автоматизированных ИИС // Измерительная техника. 1997. - №4.

54. Тойберг П. Оценка точности результатов измерений. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 89с.

55. Толстов Г.П. Ряды Фурье. М.: Наука, 1980. - 381с.

56. ТУ2-034-100-78 «Интерферометр вертикальный окулярный контактный. Технические условия»

57. ТУ2-034-101-78 «Интерферометр горизонтальный окулярный контактный. Технические условия»

58. Уайт Расчет частотных характеристик фотоприемника на ПЗС. М.: Наука, 1978.-208с.

59. Хуанг Т.С. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. М: Радио и связь, 1984. — 221с.

60. Цуккерман И.И. Цифровое кодирование изображения. М.: Радио и связь, 1981.

61. Электронная справочная система по «Borland С++ 5.01»

62. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. -М.: Советское радио, 1979. 312с.

63. Ярославский Л.П. Точность и достоверность измерения положения двумерного объекта на плоскости. // Радиотехника и электроника, 1972. — №4.

64. Blachman N.M. Noise and its effect on communication. Krieger, 1982. - p.96

65. Creath K. Phase measurement interferometry techniques // Progress in optics. -1988.-Vol.26.-p.49-383.

66. Farrell C.T., Player M.A. Phase step measurement and variable step algoritms in phase-shifting interferometry // Meas.Sci.Technol. 1992. - Vol.3. - p.953-958.

67. Hopkins H. The frequency responcy of a defocused optical system. // Proceedings of Royal Society. 1995. - Vol.231 A.

68. Pendit S., Jordache N. Interferogram analysis based on the data-depend systems method for nanometrology applications. // Appl.Opt. 1995. - Volo.34. -p.6695-6703.

69. Teleshevsky V.I., Bogomolov A.V., GalkinV.N. Computerization of Contact White Light Interferometers for Linear Measurements with Submicrometer Resolution. // Proceedings of SPIE. 2003. - Vol.5381, - p. 194-200.

70. Wyant J.C. Interferometric optical metrology: basic principles and new systems. // Laser Focus. 1982. - Vol.18. - p.65-71.