Повышение точности координатных измерений геометрических параметров объектов в компьютерной микроскопии с дополнительным телом в зоне измерения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Зуйков, Андрей Андреевич

• Зуйков, Андрей Андреевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Зуйков, Андрей Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ существующих методов измерений объектов сложной конструкции и малогабаритных объектов.

1.1 Анализ методов и средств измерений

1.1.1 Обзор контактных средств измерений

1.1.2 Обзор бесконтактных средств измерений

Выводы

Глава 2. Разработка принципов построения оптических систем визирования измерительных микроскопов на основе цифровой обработки и анализа изображения и использования миниатюрных щупов в зоне визирования с целью повышения точности визирования.

2.1 Особенности формирования изображения объектов измерения в зоне визирования визирных микроскопов.

2.1.1 Выполнение / невыполнении законов геометрической оптики

2.1.2 Влияющие факторы

2.1.3 Факторы, влияющие на формирование изображения

2.2 Разработка принципов визирования оптических микроскопов с применением дополнительных тел, вводимых в зону измерения, и цифровой обработки изображения

2.3 Влияние формы поверхности на формирование отраженного изображения

2.4 Построение системы визирования для измерения объектов в проходящем свете и объектов с закрытыми поверхностями

2.5 Принципы построения бесконтактной системы визирования с применением оптоволоконного щупа

2.6 Калибровка камеры

Выводы

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1 Описание экспериментальной установки

3.2 Исследование процесса визирования с применением оптоволоконного щупа в зоне визирования в различных сечениях протяженной поверхности

3.3 Исследование процесса касания щупа поверхности объекта измерения с применением электронного индикатора контакта

3.4 Исследование расположения измеряемой поверхности относительно действительного и отраженного изображений щупа

3.5 Исследование влияния шероховатости и текстуры поверхностей на возможность и особенности применения разрабатываемой системы визирования

3.6 Исследование возможности возникновения оптического эффекта для поверхностей из различных материалов

3.7 Исследование влияния формы поверхности объекта измерения на действительное и отраженное изображении оптоволоконного щупа

3.8 Исследование погрешности измерения координат точек поверхности с применением системы визирования с оптоволоконным щупом

3.9 Исследование погрешности результата многократного измерения координат точки поверхности с применением системы визирования с оптоволоконным щупом

Выводы

Глава 4. Разработка ИИС на базе измерительного микроскопа с применением системы визирования, оснащенной оптоволоконным щупом.

4.1 Устройство и структура проектируемой ИИС

4.2 Конструктивные особенности элементов ИИС.

4.2.1 Выбор камеры

4.2.2 Узел настройки положения щупа

4.2.3 Особенности изготовление и конструкции оптоволоконного

щупа

4.3 ПМО измерительного микроскопа.

4.3.1 Базовая структура ПМО

4.3.2 ПМО для работы с системой визирования, оснащенной оптоволоконным щупом

4.4 Порядок настройки визирной системы

4.5 Методика выполнения измерений на УИМ с использованием системы визирования, оснащенной оптоволоконным щупом.

4.5.1 Методика выполнения измерений координат точек контактным методом

4.5.1.1 Измерение концевой меры длины

4.5.1.2 Измерение диаметра кольца

4.5.2 Методика проведения измерений координат точек бесконтактным методом

4.5.3 Методика выполнения измерений координат точек в случае освещения зоны измерения оптоволоконным щупом

4.5.4 Факторы, влияющие на результат измерения

4.6 Производство ИИС и внедрение ее компонентов

4.7 Возможные инструменты для программной реализации ПМО

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности координатных измерений геометрических параметров объектов в компьютерной микроскопии с дополнительным телом в зоне измерения»

Введение.

Бурное развитие микро- и нанотехнологий требует создания отдельной специальной области измерительной техники, обеспечивающей выполнение измерений параметров геометрической точности миниатюрных и сверхминиатюрных объектов.

Современные технологии электроники, приборостроения и машиностроения связаны с производством высокоточных и малогабаритных деталей, узлов и систем. Для дальнейшего успешного применения таких изделий требуется контролировать множество параметров, в том числе геометрических. В качестве примера могут быть рассмотрены изделия микросистемной техники (МСТ), которые сочетают в себе принципы электроники, механики и оптики. Изделиями подобного рода могут быть микродвигатели, сенсорные элементы, системы датчиков и т.д. [23, 40]. К примеру, сопло микродвигателя может иметь диаметр 19 мкм, а габариты самого двигателя 10x6x2 мм. Безусловно, для успешного изготовления и его функционирования необходимо тщательным образом контролировать весь процесс производства.

Современные детали машин могут иметь элементы, которые сложно или невозможно проконтролировать с помощью имеющегося парка стандартных средств измерения (СИ), таких как: координатно-измерительные машины (КИМ), измерительные микроскопы, проекторы и т.д. Это элементы деталей, выполняющие свое функциональное назначение, но имеющие поверхности, закрытые для доступа измерительных щупов или светового потока.

При измерении указанных малогабаритных элементов и деталей, размеры которых составляют от единиц до сотен микрометров, применение КИМ с контактными головками невозможно из-за больших размеров контактного элемента щупа, превышающих порой габариты измеряемых поверхностей. В случае же применения измерительных микроскопов и проекторов удовлетворительная точность достигается только при измерении в проходящем

свете. Но, при этом, некоторые поверхности контролируемых деталей могут быть закрытыми и невидимыми на просвет.

В этих условиях проводить измерения возможно только с помощью систем, которые сочетают в себе достоинства измерительных микроскопов и щуповых машин. При этом обеспечиваются возможности: доступа к труднодоступным элементам, и проведения измерений миниатюрных и сверхминиатюрных элементов деталей.

На основе вышеизложенного можно сформулировать вполне очевидную цель работы и задачи, которые необходимо решить. Основной целью работы является повышение точности, расширение функциональных возможностей системы визирования оптических измерительных микроскопов при помощи совмещения контактных, бесконтактных методов измерения и цифровой обработкой изображения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ проблем, возникающих при измерении малогабаритных и труднодоступных элементов измеряемых деталей;

2) разработать принципы построения системы визирования на основе применения дополнительного тела, размещаемого в зоне визирования, и цифровой обработки изображения зоны визирования;

3) разработать алгоритмы цифровой обработки изображений зоны визирования для измерения координат точек объекта;

4) разработать экспериментальные образцы систем визирования измерительных микроскопов с расширенными функциональными возможностями, позволяющими производить измерения бесконтактным и контактным методом в глухих отверстиях и элементов, невидимых на просвет;

5) провести экспериментальные исследования системы и исследование погрешности;

6) разработать структуру схемы информационно-измерительной системы на базе оптических микроскопов с применением предложенных решений.

Решение поставленных задач позволит разработать новый метод визирования измерительного микроскопа и перейти от измерения по неопределенной, поврежденной кромке к измерению координат точек на самой измеряемой поверхности, в зоне которой эта поверхность выполняет свое служебное назначение [14-17].

Глава 1. Анализ существующих методов измерений объектов сложной конструкции и малогабаритных объектов

1.1 Анализ методов и средств измерений 1.1.1 Обзор контактных средств измерений

Контактные методы измерения предполагают применение измерительных щупов и наконечников. Говоря об измерении параметров геометрической точности изделий можно выделить две основных группы измерительных задач:

• измерение элементов с открытыми образующими;

• измерение отверстий и других элементов с закрытыми образующими. Номенклатура контактных средств измерения (СИ) включает в себя специализированные решения, охватывающие только одну из обозначенных групп, или же обе группы.

Наиболее универсальным и точным инструментом для измерения контактным методом является координатно-измерительные машины (КИМ). При измерении глухих, сквозных отверстий и других элементов с помощью КИМ возможно:

• производить измерение диаметра отверстия по нескольким точкам (многоточечная схема измерения);

• контролировать отклонения формы поверхностей;

• производить измерение элементов деталей в любом доступном сечении;

• автоматически обрабатывать результаты измерения.

Благодаря возможности установки различных щуповых конструкций, КИМ позволяет осуществлять измерения большинства элементов деталей. При контроле одного изделия могут применяться щупы с различными габаритами и формой наконечника (контактирующего элемента).

Технологии изготовления и конструкции щупов накладывают ограничения на габаритные размеры наконечников и на прочностные

характеристики щуповой конструкции. К примеру, наименьший диаметр сферы измерительного щупа для контроля отверстий составляет 0,3 мм. При таких миниатюрных размерах наконечника щупа следует учитывать погрешность, связанную с деформацией (изгибом) щупа под действием измерительного усилия (рис. 1 А). Если говорить о контроле микронеровностей таким щупом, то с его помощью не удастся получить истинное значение контролируемого параметра в силу неподходящей формы измерительного наконечника (рис. 1 Б).

Рисунок 1 - А) изгиб измерительного щупа под действием измерительного усилия; Б) влияние формы измерительного наконечника на результат измерения.

Хорошим примером может послужить задача контроля головки видеомагнитофона, а именно, выступа для магнитной ленты (Рис. 2). Величина выступа меньше, чем диаметр сферического наконечника щупа, в результате чего возникает неопределенность, вызванная соприкосновением сферы щупа сразу с двумя поверхностями элемента (рис. 3 А). Даже изменение угла наклона щупа в этом случае не позволяет произвести измерения (Рис. 3 Б).

Рисунок 2 - Наклонный выступ магнитной головки видеомагнитофона

Дополнительная трудность заключается в том, что образующие профиля выступа расположены под наклоном. Решение подобной задачи реализовано в отечественной КИМ производства ООО «Лапик». Её уникальная конструкция позволяет изменять положение щупа в пространстве, с учетом шести координат. Помимо этого КИМ может использовать измерительный щуп с наконечником в виде иглы. Стержень такого щупа имеет большую длину.

А) Б) В)

Рисунок 3 - Применение щупов различной конструкции для контроля параметров объекта

измерения

С одной стороны это позволяет проводить измерения труднодоступных поверхностей, которые тяжело или невозможно проконтролировать классическим щупом со сферическим наконечником. Но, с другой стороны, как отмечалось выше, из—за большой длины щупа измерительное усилие может оказывать влияние на результат измерений.

При контроле КИМ также имеет ряд преимуществ:

• возможность измерения сечений элемента по нескольким точкам (многоточечная схема измерения);

• контроль отклонения формы элемента.

Этих преимуществ лишены нутромеры, которые относятся к классу ручного измерительного инструмента и применяются преимущественно для контроля диаметров отверстий. Один из видов конструкции нутромеров реализует двухточечную схему измерений. Это дает возможность использовать нутромер для измерения различных канавок, пазов, отверстий и т.д. Ошибки, связанные с неточностью базирования нутромера, как в случае измерения отверстия (Рис. 4), учитывают методически.

Рисунок 4 - Ручной нутромер, реализующий двухточечную схему измерения

Если же производить с помощью нутромера измерения формы отдельного сечения отверстия (овальность, огранка) или его формы в целом (бочкообразность, вогнутость, конусность), требуется большое количество измерений и, как следствие, увеличивается время на обработку измерительной информации. Увеличить точность и уменьшить число измерений в этом случае позволяет применение нутромеров, реализующих трехточечную схему измерений (Рис. 5).

Рисунок 5 - Нутромер для контроля отверстий, реализующий трехточечную схему

измерения

Но, если нутромер, который производит измерения по двухточечной схеме, можно применить для контроля не только отверстий, но и пазов, то, в случае трехточечной схемы, может производиться контроль только отверстий.

Для контроля отверстий контактным методом используются приборы, реализующие оптические схемы хода лучей. В качестве примера можно привести автоколлиматорный нутромер. Прибор предназначен для контроля прямолинейности оси отверстия и позволяет измерять диаметр отверстия в отдельно взятом сечении. Для этого используется плунжер с закрепленным зеркалом. По мере того, как плунжер движется вдоль оси отверстия, зеркало отклоняется. Отраженные от зеркала лучи несут в себе информацию о

направлении оси и диаметре отверстия. Естественно, что для каждого диапазона диаметров отверстий необходимо изготавливать отдельный плунжер. Минимально допустимый диаметр отверстия для контроля подобным методом 6 мм, это обусловлено сложностью изготовления плунжера меньшего размера и особенностями оптической схемы приборов этого класса. Для успешного контроля необходимо, чтобы отверстие находилось на одной из открытых поверхностей объекта, это обеспечит прохождение лучей осветительной системы до оптической системы наблюдения. Для контроля элементов других видов этот прибор непригоден.

Можно сформулировать общие достоинства и недостатки контактных методов и средств измерений. Достоинствами контактных методов можно считать:

1) возможность производить контроль в различных сечениях объекта измерения;

2) универсальность - различные формы наконечников щупов (КИМ) позволяют контролировать различные элементы

3) контактные элементы позволяют производить контроль закрытых (скрытых) элементов.

Недостатки контактных методов:

1) нижняя граница предела измерений ограничена минимальными габаритами контактирующего элемента;

2) наличие измерительного усилия не позволяет контролировать объекты из хрупких и мягких материалов;

3) под действием измерительного усилия контактирующие элементы могут деформироваться.

1.1.2 Обзор бесконтактных средств измерений

Возникают измерительные задачи, исключающие применение контактных методов измерения [51, 52]. В подобных случаях используют бесконтактные оптические методы измерения. Такими СИ являются измерительные микроскопы и проекторы.

Измерение геометрических характеристик точных и малогабаритных деталей на измерительном микроскопе сопряжено с характерными для микроскопии проблемами:

• измерение на микроскопе с удовлетворительной точностью возможно только для объектов, у которых измеряемые элементы расположены в одной плоскости;

• погрешности при визировании существенно зависят от состояния края и кромок объектов измерения;

• погрешности визирования от дифракции света на краях измеряемого объекта достигают значений до 0,02мм;

• кромки деталей могут иметь нечеткие фаски, произвольные скругления или повреждения.

Все это затрудняет фокусировку оптической системы визирного микроскопа на элементах объекта измерения и является дополнительным источником неопределенности при измерении координат точек измеряемой поверхности [95]. Кроме того, размер поверхности, измеренный у самого края, не всегда является действительным размером поверхности, с помощью которой деталь выполняет свое функциональное назначение.

Измерительные микроскопы можно разделить на два вида в зависимости от компоновки осветительной системы - это схемы измерения в проходящем или отраженном свете (Рис. 6). Обе эти схемы имеют как свои преимущества, так и недостатки [87].

-ЕСНИ^З з /

/777~

Измерения в проходящем свете.

/777-

Измерения в отраженном свете.

Рисунок 6 - Схемы различных компоновок осветительной системы микроскопов: 1 -оптическая система микроскопа; 2 - источник света; 3 - объект измерения

При попытке провести измерение в сечении, расположенном ниже верхней грани объекта, как для измерений в проходящем, так и для измерений в отраженном свете, изображение зоны визирования становится нечетким, размытым. Это вызвано влиянием точек объекта, расположенных выше фокальной плоскости объектива (Рис. 7).

Рисунок 7 - Визирование на различные точки измеряемой поверхности: 1 - оптическая система, 2- цифровая камера; 3 - объект измерения; 4 - предметный стол; 5 - осветительная система, для измерения в походящем свете; I - визирование на краю (кромке) объекта, II -

визирование на среднем сечении

При высокоточных измерениях в проходящих лучах на микроскопах используются измерительные ножи, которые позволяют уменьшить влияние на

точность визирования дифракции и произвести фокусировку на выбранном сечении объекта. Однако, их применение при измерении отверстий, труднодоступных и закрытых поверхностей малогабаритных деталей невозможно.

Как отмечалось выше, качество кромок объекта измерения играет важную роль, поскольку именно на них производится предварительная настройка оптической системы визирного микроскопа [47]. На рисунке 8 А) показан случай, когда грани объекта расположены под прямым углом и кромка повреждена. В результате оптическая система не имеет четкого ориентира для фокусировки и может быть сфокусирована на нескольких позициях (позиции I,

Рисунок 8 — Фокусировка на видимой грани объекта: А) повреждение кромки объекта измерения; Б) скругление кромки объекта измерения

На рисунке 8 Б) проиллюстрирован случай, когда грани объекта находятся не под прямым углом, и кромка имеет скругления. В этом случае оптическая система так же не имеет четкого объекта для фокусировки. Но даже

II, III)

в том случае, если бы кромка была выполнена качественно, наклонная грань объекта также затруднит фокусировку.

При изготовлении деталей размер кромки элемента может отличаться от размера его рабочих поверхностей. Обычно это может быть вызвано процессами пластического деформирования при механической обработке деталей, например при сверлении отверстий или изготовления фасок (рис. 9). Для удаления заусенцев, неровностей на кромке в технологиях приборостроения даже применяют процедуру химического травления. Из-за отсутствия возможности точно контролировать процесс протекания реакции, травления не позволяет до конца избавиться от дефектов поверхности на кромках. Даже если при изготовлении детали получатся идеальные острые кромки, то в процессе дальнейшей обработки, монтажа и эксплуатации в составе изделия их первоначальный вид изменяется. Это вызвано хрупким разрушением материала или пластическим деформированием кромок.

В силу этих факторов острая кромка, на грани боковой и верхней поверхности никогда не будет соответствовать профилю боковой поверхности элемента детали.

Обла

изме]

Рисунок 9 - Возможные повреждения кромок отверстия, полученные в процессе

изготовления

Значительные проблемы возникают при измерениях в отраженном свете отверстий, не видимых на просвет, и глухих элементов объектов измерений.

Даже самые современные системы подсветки с кольцевым расположением источников освещения, способные программно регулировать угол и направление лучей, не позволяют устранить неопределенность при визировании микроскопа на таких объектах [49, 96].

В качестве примера можно рассмотреть задачу измерения глухого отверстия (рис. 10). Измерения проводятся в отраженном свете. Часть светового потока отражается от верхней плоскости детали и попадает в объектив, формируя освещенное изображение этой поверхности. Другая часть светового потока попадает в глухое отверстие, многократно отражается от его стенок и теряет свою интенсивность. В результате глухое отверстие наблюдается в окуляре микроскопа как черное поле, на котором невозможно различить конструктивные особенности

Измерения в отраженном свете.

Лучи, попадающие в апертуру

Рисунок 10 - Особенности измерения глухого отверстия в отраженном свете

измеряемого отверстия, например, ступенчатое углубление на дне отверстия. Такие элементы можно рассматривать как некоторый аналог абсолютно черного тела, поглощающего всю световую энергию.

В подобных случаях с помощью микроскопа невозможно точно определить положение грани отверстия. Удается только определить точное положение оси отверстия, для чего используется окулярная головка двойного

изображения, которая может быть легко установлена на любой измерительный микроскоп (рис. 11 А). Головка, состоящая из окуляра и трехпризменного узла, позволяет, совмещая изображение контролируемого элемента и его перевернутую на 180° копию, проводить измерения расстояний между центрами отверстий, а также измерение диаметров. Перемещение измеряемого отверстия в окуляре микроскопа вызывает взаимное перемещение оригинального изображения и его перевернутой копии. Таким образом, если совместить два изображения отверстия в окуляре, оптическая ось микроскопа будет совпадать центром окружности. Для дальнейшего вычисления радиуса нужно переместить отверстия до положения касания изображений (рис. 11 Б). Но, полученное таким способом положение оси отверстия будет привязано к верхней грани объекта измерения и не даст информации о скрытых конструктивных особенностях элемента в других его сечениях.

Рисунок 11 - А) Оптическая схема окулярной головки двойного изображения: 1,2, 3 - призмы окулярной головки; Б) положение касания изображений

Помимо измерительных микроскопов для измерения малых отверстий может применяться перфлектометр. С его помощью можно измерить геометрические параметры сквозных элементов изделия в средних сечениях элемента. Схема измерения диаметра О отверстия представлена на рисунке 12

CD

0Л'{pr/tp

9

сЗ&ект

А).

Л I

Л

2

ш

/

и

Л

№00 4м

шииипишщи *

Ц1

*

А) Схема измерения диаметра отверстия

Б) Оптическая схема перфлектометра

Рисунок 12 - Устройство Перфлектометра

На подвижном измерительном столе 6 жестко закреплена стеклянная шкала 5 с ценой деления 1 мм, отсчетный микроскоп 4 с отсчетом 1 мкм и перфлектометр 3. Снизу источник света освещает тубус / с конденсором, маркой и проекционным объективом.

Процесс измерения диаметра О отверстия детали 2, закрепляемой на измерительном столе 6, сводится к тому, что, перемещая измерительный стол 6, совмещают оптическую ось перфлектометра вначале с одной стороны отверстия (по диаметру), а затем с противоположной, делая при каждом совмещении отсчеты по микроскопу 4. Разность отсчета указывает диаметр 1).

Процесс визирования можно проследить на оптической схеме, изображенной на рисунке 12 Б). На марке 3 нанесен крест А, который освещается источником света У через конденсор 2. Проекционный объектив 4 проецирует изображение креста А в плоскость (), образуя изображение А¡. Визирным объективом 6 изображение Ау проецируется в плоскость изображений объектива 6, образуя там изображение А2.

Недостатками метода можно считать:

1) особые требования к отражательной способности поверхности Р;

2) описание способа построено на геометрических законах параксиальной оптики и не учитывает дифракционных явлений при просвечивании края объекта проходящими лучами осветительной системы.

Также существует разновидность оптических приборов и приспособлений для микроскопов, которые применяют контактные методы в сочетании с оптической схемой. Контактный элемент служит в качестве маркера для фокусировки и, в то же время, по его положению определяется момент снятия отсчетов координат.

Приспособление для измерительного микроскопа, позволяющее осуществлять измерение диаметров отверстий, представлено на рис. 13.

Рисунок 13 - Измерение малых отверстий с помощью приспособления с гибкой нитью

Сущность метода заключается в следующем: проволочка А, с насаженным на нее щупом С, продевается сквозь измеряемое отверстие и натягивается в направлении его оси (положение I), далее проволочка или отверстие сдвигается в одну сторону до соприкосновения щупа со стенкой отверстия (положение II) и затем переводится в положение III.

Уловить точно момент соприкосновения щупа со стенкой отверстия трудно и неизбежна деформация и перекос проволочки. Поэтому искомый диаметр отверстия определится из уравнения:

D=B+d-(a+b) (1)

Более совершенным прибором такого типа является измерительный микроскоп-нутромер (рис. 14), являющийся разработкой фирмы CARL ZEISS JENA (1962г.). Прибор позволяет точно измерять малые диаметры просверленных отверстий с нижним пределом измерения 0,05 мм. Он может применяться, например, для абсолютных измерений диаметров и для контроля точности формы контрольно-измерительных инструментов: контрольных колец для разверток, цапфенных шаблонов, торцовых калибров для сверл и т.п., а также для выборочного контроля при изготовлении камней-втулок, микрошарикоподшипников и т. д.

Рисунок 14 - Измерительный микроскоп-нутромер: 1- объект измерения, 2— оптическая система окуляр-микрометра, 3 - измерительный стержень с наконечником из

стекла

Измерительный микроскоп-нутромер работает по следующему принципу. Измерительная бисеринка известного диаметра соприкасается последовательно с двумя точками в диаметральном сечении измеряемого отверстия, при этом производится наблюдение через визирный микроскоп. Путь, проделанный бисеринкой, измеряется с помощью встроенной стеклянной масштабной линейки и окуляр-микрометра. Диаметр измеряемого отверстия получают путем сложения пути, пройденного бисеринкой и её диаметра.

Следует отдельно отметить, что такая схема измерения позволяет производить измерения в средних сечениях отверстий, что позволяет получать более точное значение диаметра отверстия.

Измерительный микроскоп-нутромер производит измерения отверстий в проходящем свете, оснащен стеклянными щупами, наконечники которых имеют диаметры от 30 мкм до 100 мкм. Момент касания определяется методом теневой проекции: в окуляр микроскопа проецируются два изображения сферы бисеринки - реальное и зеркально отраженное от поверхности объекта измерения. По соприкосновению изображений определяют момент касания.

Опираясь на вышесказанное, можно сформулировать общие достоинства и недостатки перечисленных бесконтактных методов измерения. К достоинствам можно отнести:

1) возможность бесконтактных измерений в условиях, когда недопустимы силовые воздействия от измерительных щупов;

2) высокая разрешающая способность оптической системы (более 0,1 мкм);

3) возможность измерения малогабаритных отверстий (диаметр менее 0,01 мм), для контроля которых невозможно изготовление измерительных щупов координатно-измерительных машин или иной оснастки.

В свою очередь недостатками бесконтактных методов измерения можно считать:

1) контролируемые элементы должны находиться на открытых образующих объекта;

2) трудности определения четкой границы элемента из-за влияния дифракции;

3) проблема освещения объектов с закрытыми образующими поверхностей.

Выводы.

По проведенному обзору контактных и бесконтактных методов и средств измерения можно сделать следующие выводы. Широкое многообразие контактных и бесконтактных СИ позволяет охватить обширный круг измерительных задач. Рассмотренные СИ имеют характерные особенности, достоинства и недостатки. Западные разработчики активно развивают направление по производству мультисенсорных информационно-измерительных комплексов [87, 95-97]. Они позволяют для решения одной и той же измерительной задачи применять различные методы измерения, компенсируя недостатки одного метода измерения достоинствами другого.

В данной работе разрабатывается новый метод визирования измерительного микроскопа. Такой метод предусматривает сочетание цифровой обработки изображения, получаемого с помощью видеокамеры в системе визирования, и применение специального миниатюрного щупа, вводимого в зону визирования. Это позволяет существенно повысить точность измерения геометрических параметров объекта, автоматизировать процесс измерения, уменьшить погрешность от дифракции при визировании на протяженных поверхностях различной формы и имеющих значительную протяженность. Помимо этого удается значительно расширить функциональные возможности измерительных микроскопов и увеличить их производительность при измерении поверхностей в проходящем свете и закрытых поверхностей.

Глава 2. Разработка принципов построения оптических систем визирования измерительных микроскопов на основе цифровой обработки и анализа изображения и использования миниатюрных щупов в зоне визирования с целыо повышения точности визирования

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зуйков, Андрей Андреевич, 2013 год

Список литературы

1. Айзенберг Ю.Б. Световые приборы [текст]: Учебник для электромеханических техникумов. - М.: Энергия, 1980. - 464 с.

2. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 6 [текст]. -М.: Издательство «Бином», 2003. - 1152 с.

3. Афанасьев В.А. Оптические измерения [текст]: Учебник для вузов.

- 3-е изд., переаб. и доп. - М.: Высшая школа, 1981. - 229 с.

4. Ахманов С.А. Физическая оптика [текст]: Учебник. 2-е изд. / Ахманов СЛ., Никитин С.Ю. - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656 с.

5. Бегунов Б.Н. Геометрическая оптика [текст]. - М.: Издательство Московского Университета, 1966. - 211 с.

6. Бесконтактные энкодеры [текст]. Брошюра. RENISHAW. 2008. - 32 с.

7. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем [текст]. — JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние.

- 223 с.

8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики [текст]. Изд. 2-е. / Пер. с англ. -М.: Наука, 1973. -720 с.

9. Бубис И.Я., Вайденбах В.А., Духопел И.И. и др. Справочник технолога оптика [текст]. Под. общ. ред. С.М. Кузнецова и М.А. Окатова. - JI.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1983 -414 с.

10. Бухштаб М.А. Измерения малых оптических потерь [текст]. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 160 с.

11. Бычков P.M. Беседы о геометрической оптике [текст]/ P.M. Бычков, Ю.В. Чугуй; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Констр.-технол. ин-т науч. приборостроения, Новосиб. гос. ун-т, Новосиб. гос. технич. ун-т.— Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - 480 с.

12. Вавилов С.И. Микроструктура света [текст]. - М.: Издательство академии наук СССР, 1950. - 196 с.

13. Волосов Д.С. Фотографическая оптика [текст]: (Теория, основы проектирования, оптич. характеристики). Учеб-пособие для киновузов. 2-е изд. - М.: Искусство, 1978. - 543 с.

14. Глухов В.И. Методология достоверных измерений размеров деталей [текст]// Измерительная техника, 1998 № 5.С.9-13

15. Глухов В.И. Нормирование и измерение размеров с учетом служебного назначения элементов деталей [текст]/ Состояние и проблемы технических измерений: Тезисы докладов 4 Всероссийской науч.-тех. конф. -М.: МГТУ им. Баумана, 1997. -с. 43.

16. Глухов В.И. Оценка размерной и геометрической точности деталей [текст]. / Динамика систем, механизмов, машин: Тезисы докладов 2 Международной науч.-тех. конф. кн. 2 Омск: ОмГТУ, 1997. -с. 77.

17. Глухов В.И. Служебное назначение поверхностей и геометрическая точность деталей машин, [текст]// Труды 3 международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика» - КТИ-96. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1996. С. 52-51.

18. Глушаков C.B., Коваль A.B., Смирнов C.B. Язык программирования С++ [текст]. Харьков: ФОЛИО, 2002. - 500 с.

19. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображения [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательство «Техносфера», 2005. - 1073 с.

20. Гонсалес Р., Вудс Р. Эддис С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательство «Техносфера», 2006. - 616 с.

21. ГрузманИ.С., Киричук B.C., Косых В.П., Перетяган Г.И., Спектор A.A. Цифровая обработка изображений в информационных системах [текст]: Учебное пособие.-Новосибисрк: Изд-во НГТУ, 2000. - 168 с.

22. Гугоров М.М. Основы светотехники и источник света [текст]: Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983.-384 с.

23. Джексон Р.Г. Новейшие датчики [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательство «Техносфера», 2007. - 387 с.

24. Дитчберн Р. Физическая оптика [текст]. / Пер. с англ. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1965. — 637 с.

25. Дифракционная компьютерная оптика [текст]: / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 736 с.

26. Дональд Дж. Стерлинг, Техническое руководство по волоконной оптике [текст]/ Пер. с англ. —М.: Издательство «ЛОРИ», 1998. - 181 с.

27. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности визирования измерительного микроскопа на основе цифровой обработки изображения [текст]// Материалы всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2011). Сборник докладов. - М.: МГТУ «СТАНКИН», 2011.-222 е., с. 152-156.

28. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерений малогабаритных объектов с применением специальных систем визирования в компьютеризированных измерительных микроскопах [текст]// Приборы. Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал. - М.: СОО «Международное НТО приборостроителей и метрологов», 2012. - №9. с. 39 - 44.

29. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения малогабаритных отверстий с помощью измерительного микроскопа на основе цифровой обработки изображения [текст]// Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. - М.: ФГУП НПП «ВНИИЭМ», 2012. - Т. 127. - № 3. - с. 45 - 48.

30. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения микроскопических объектов на компьютеризированном измерительном микроскопе на основе применения оптоволоконного щупа [текст]// Сборник материалов XI Всероссийской научно-технической

конференции "Состояние и проблемы измерений", - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. - 268 е., с. 70-73.

31. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения на компьютеризированном измерительном микроскопе, на основе миниатюрного оптоволоконного щупа [текст]// Материалы всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)». Первый том. Сборник докладов. -М.: МГТУ «Станкин», 2012. - 296 е., с. 138 - 142.

32. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Применение оптоволоконного щупа в системе визирования компьютеризированного микроскопа для повышения точности измерений [текст]// X всероссийское совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники». Сборник материалов - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 318 е., с. 44 - 47.

33. Зуйков A.A., Шулепов A.B., Шулепова Н.В. Применение оптоволоконного щупа в системе визирования измерительного микроскопа для повышения точности измерения координат точек объекта [текст]// Вестник ВНИИНМАШ . - М.: ООО «Издательская группа «Граница», 2013 -№1 (14) с. 152-158.

34. Калиниченко Н.П. Визуальный и измерительный контроль [текст]: учебное пособие для подготовки специалистов I, II и III уровня / Н.П. Калиниченко, А.Н. Калиниченко; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009 - 300 с.

35. Калитеевский Н.И. Волновая оптика [текст]. Учеб. пособие для унтов. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: «Высшая школа», 1978. - 383 с.

36. Кизель В.А. Физика и техника спектрального анализа [текст]. Отражение света. - М.: Издательство «Наука», 1973. - 177с.

37. Киссам Ф. Оптические приборы [текст]. М. — JL: Машиностроение, 1966.- 166 с.

38. Коломийцов Ю.В., Духопел И.И. и др. Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении [текст]. (Справочная книга). / Под ред. Коломийцова Ю.В. М.: Машиностроение, 1964. - 256 с.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров [текст]. Изд. 4-е. / Пер. с англ. — М.: Наука, 1977.-831 с.

40. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях [текст]. - М.: Радио и связь, Горячая линия — Телеком, 2006. - 96 с.

41. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А. Г. Световодные датчики [текст] - М.: Машиностроение, 1990. -256 с.

42. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения [текст]: Учебник для вузов по специальностям «Оптико-электронные приборы» и технология оптического приборостроения»/ Под общ. ред. Д.Т. Пуряева - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с.

43. Лемешко Ю.А., Чугуй Ю.В., Яровая А.К. Прецизионный размерный контроль диаметров круговых отражающих цилиндров [текст]// Автометрия. Новосибирск, 2007. 46, № 3 С. 112-121

44. Листвин A.B., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон [текст]. М.: ЛЕСАРарт, 2005. - 208 с.

45. Максутов Д. Д. Оптические плоскости. Их исследование и изготовление. - Л.: РЕДИЗДАТ ВООМП'а, 1934. - 88 с.

46. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения [текст]. / Пер. с франц. - М.: Издательство «МИР», 1964. - 151 с.

47. Методы компьютерной оптики [текст]/ Под ред. Сойфера В.А.: Учеб. для вузов. 2-е изд., испр. -М.: ФИЗАТЛИТ, 2003. - 688 с.

48. Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение [текст]- М.: Радио и связь, 1988. - 80 с.

49. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света [текст]: Учеб. пособие для приборостроительных вузов оптических специальностей.

2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние., 1985.-332 с.

50. О'Нэйл Э. Ввведение в статистическую оптику Пер. с англ. - М.: МИР, 1966.-254 с.

51. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики [текст]/ Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихира, К. Кюма, К. Хататэ; Под. Ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. — 256 с.

52. Палей М.А., Брагинский В.А. Международные и национальные нормы взаимозаменяемости в машиностроении [текст]. Справочник-транслятор. - М.: «Наука и техника», 1997. - 659 с.

53. Панов В.А., Кругер М.Я., Лагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механическихприборов. / Под общ. Ред. В.А. Панова. - 3-е изд. Пер. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1980.-742 с.

54. Рабинович С.Г. Погрешности измерений [текст]. - Л.: Энергия, 1978.-262 с.

55. Разработка приложений на Microsoft Visual С++ 6.0 [текст]. Учебный курс: Официальное пособие Microsoft для самостоятельной подготовки / Пер. с англ. — М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2000. — 576 с.

56. Рубичев Н.А. Измерительные информационные системы [текст]: учебное пособие / Н.А. Рубичев. - М.: Дрофа. 2010. - 334 с.

57. Румянцев К. Е. Волоконно-оптическая сенсорика [текст]: Учебное пособие. - Таганрог: Таганрогский государственный технический университет, 1996. - 108 с.

58. Русинов М.М. Техническая оптика [текст]: Учеб. пособие для вузов. -Л.: Машиностроение, 1979. -488 с.

59. Савельев И.В. Курс общей физики [текст]. Кн. 4.: Волны. Оптика. М.: Издательство ACT. 2004. - 256 с.

60. Скворцов Г. Е., Панов В. А., Поляков Н. И., Федин JI. А. Микроскопы [текст]. Д.: Машиностроение, 1969г.- 508 с.

61. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы [текст]. М.: COJIOH-P, 2001. - 236 с.

62. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем [текст]. - Л.: Машиностроение, 1975. - 638 с.

63. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения [текст]. - Л.: Машиностроение. Лениннгр. отд-ние, 1989. - 221 с.

64. Солимено С., Крозиньяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волновое распространение оптического излучения [текст]. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.-664 с.

65. Телешевский В.И., Шулепов A.B., Красюк О.Ю. Компьютеризация измерительных микроскопов с цифровым анализом изображений [текст]// Измерительная техника. Москва. 2006. № 8. С. 39-42

66. Топорец A.C. Оптика шероховатой поверхности [текст]. - Л.: Машиностроение, 1988. - 191 с.

67. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. — 928 с.

68. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательство «Техносфера», 2003. - 616 с.

69. Фурман Я.А., Юрьев A.II., Яншин В.В. Цифровые методы обработки и распознавания бинарных изображений [текст]. -Красноярск: Издательство Красноярского Ун-та. 1992. - 248 с.

70. Хёнл X., Мауэ А., Вестфаль К. Теория дифракции [текст]. / Пер. с нем. - М.: Мир, 1964. - 428 с.

71. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов [текст]. - Л.: Машиностроение, 1966. - 564 с.

72. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение [текст]. / Пер. с англ. - М.: Издательство «Бином», 2006. — 590 с.

73. Шеннон Р., Вайант Дж. Проектирование оптических систем. Пер. с англ. . - М.: МИР, 1983. - 432 с.

74. Шулепов A.B., Красюк О.Ю., Дружинин П.В. Повышение точности координатных измерений на микроскопах с применением цифровых алгоритмов определения действительного местоположения края прецизионного объекта [текст]// Материалы III научно-практической конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (МТИ-2010). Секция «Автоматизация и информационные технологии». Сборник докладов. - М.: МГТУ «Станкин», 2010. - 222 е., с. 216-221.

75. Шулепов A.B., Красюк О.Ю., Пашкин М.А. Цифровая обработка изображений в компьютеризированных системах контроля геометрических параметров объектов [текст]// Материалы 5-й международной научно-технической конференции «Распознавание-2001», Курск: 2001

76. Шулепов A.B., Роздина Е.М., Есин А.П. Повышение точности визирования измерительного микроскопа на основе цифровой обработки изображений [текст]// Сборник материалов 10-й Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы измерений", - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008, с. 67-68.

77. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Есин А.П. Методы повышения точности линейных измерений на измерительных микроскопах с помощью цифровой обработки оптических изображений [текст]// Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин». №1. 2009. 174 е.: ил. С.102-106.

78. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Красюк О.Ю. Компьютеризация и интеллектуализация измерительных микроскопов для линейных и угловых измерений на основе цифровой обработки изображений [текст]// Труды V международного конгресса «Конструкторско-

технологическая информатика-2005», М.: ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», Янус-К» 2005, с.150-154

79. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Красюк О.Ю. Компьютеризация измерительных микроскопов с цифровым анализом изображений [текст]// Измерительная техника. - 2006. -№8. — С. 39-42.

80. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Роздина Е.М. Измерительная информационная система для контроля линейных и угловых размеров изделий на принципах интеллектуальной компьютерной микроскопии [текст]// Приборы. Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал.- 2012. — №4. с.24-28.

81. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Роздина Е.М. Метод интеллектуальной компьютерной микроскопии при измерении линейных и угловых размеров изделий [текст]// Измерительная техника. - 2011. - №8. - С. 3-6.

82. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Роздина Е.М. Методы повышения точности универсальных и инструментальных компьютерных измерительных микроскопов [текст]// Технология машиностроения. №1. 2012. С.41-44.

83. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Роздина Е.М. Особенности построения измерительной информационной системы для контроля линейных и угловых размеров изделий на принципах интеллектуальной компьютерной микроскопии [текст]// Сборник материалов X Всероссийского совещания-семинара "Инженерно-физические проблемы новой техники", - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012.-318с., с. 64-68.

84. Шулепов A.B., Телешевский В.И., Роздина Е.М. Повышение точности измерений линейно-угловых размеров изделий в интеллектуальной компьютерной микроскопии [текст]// Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин». №4, том 1(16). 2011. 118 е.: ил. С.35-38.

85. Энкодерная система TONIC [текст]. Брошюра. RENISHAW. 2008. -2 с.

86. Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV [текст]. O'Relly Media Inc., 2008.

87. Christoph R., Nuemann H. Multisensor-Koordinatenmesstechnik [текст]. Werth Messtechnik GmbH, 2004. - 95 s.

88. Giancarlo C. Righini, Antonella Tajana, Antonello Cutolo. An introduction to optoelectronic sensors [текст]. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2009. - 585 p.

89. Handbook of optics . Volume 1 [текст]. Fundamentals, Techniques, and Design. / Sponsored by Optical Society of America. / M. Bass. Editor in chief. - 2nd ed. McGraw-Hill, 1995. - 1606 p.

90. Handbook of optics. Volume 2 [текст]. Devices, Measurements, & Properties. / Sponsored by Optical Society of America. / M. Bass. Editor in chief. - 2nd ed. McGraw-Hill, 1995. - 1496 p.

91. Method and arrangement for tactile-optical determination of the geometry of a measurement object [текст]: пат. US 20120327221 A1 / Ralf Christoph; WERTH MESSTECHNIK GMBH; заявлен 26.11.2010; опубл. 13.08.2012

92. Multipoint Measurement in Coordinate Metrology [текст]. Werth Messtechnik GmbH // Quality Engineering, 2010/02. - 4 p.

93. R. Bullock LeastSquaresCircle Fit // Developmental Testbed Center -2004 [Электронный ресурс]. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. — URL:www.dtcenter.org/met/users/docs/write ups/circle fit.pdf (дата обращения 21.06.2011).

94. Shulepov A.V., Teleshevsky V.I., Bogomolov A.V., Sokolov V.A. Optoelectronic methods of geometrical parameters measurements with micro- and nanometric resolution [текст]// Abstracts. 10th European Conference on Non-Destructive Testing. Moscow. June 7-11, 2010. JSC "Publishing House SPEKTR". Part 2. 444 pages, p. 312-314

95. Topography measurements of microfeatures [текст]. Werth Messtechnik GmbH // LASER+PHOTONICS 2010/04, Page 38-40, 2010. -3 p.

96. Understanding Optical Measurement [текст]. Werth Messtechnik GmbH// Quality Digest, 2009/04, Page 32-35, 2009 -4 p.

97. Up to New Horizons [текст]. Werth Messtechnik GmbH // 2004/02 Page 54-55, 2004. -2 p.