автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерные сканирующие системы контроля геометрических параметров изделий массового производства

На правах рукописи

ТАРАСОВ Виктор Васильевич

ЛАЗЕРНЫЕ СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

05 Л 1.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Государственном Центральном научно-исследовательском институте «Циклон»

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор В.А Зверев доктор технических наук, профессор Г.М.Мосягин доктор технических наук, профессор Ю.М.Климков

Ведущая организация: ЦНИИ Точного Машиностроения, г. Климовск Московской обл.

Защита диссертации состоится « декабря 1998 года в, мин. на

заседании специализированного совета Д 053.26.01 «Оптические и оптико-электронные приборы» при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (технический университет) по адресу: 109071 г Санкт-Петербург, ул.Саблинская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » ноября 1998 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 053.26 01 кандидат технических наук, доцент

В.М.Красавцев

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Основными преимуществами оптических методов и средств являются, как известно, высокая скорость измерений, бесконтактность (дистанционность), высокое пространственное разрешение, разнообразие форм взаимодействия оптического излучения с изделиями (поглошение, отражение, дифракция, преломление, поляризация и др.), возможность вести многомерные измерения в реальном масштабе времени. Эти методы и средства обеспечивают большую достоверность информации о размерах и форме контролируемого изделия и взаимном расположении отдельных его элементов, нежели широко распространенные сегодня в робототехнике телевизионные датчики.

Дальнейшее распространение оптических методов, а также средств контроля и измерений сталкивается с рядом трудностей общего и частного характера. Во-первых, отсутствует обобщенная методика расчета основных параметров этих средств контроля, необходимая для инженерного проектирования новых систем, т.е. для решения часто возникающих новых производственных задач. Во-вторых, наблюдаемая тенденция к повышению точности измерений геометрических параметров изделий массового производства требует определения рациональных путей борьбы с влиянием перечисленных выше факторов, снижающих эту точность. Это определение должно базироваться на тщательном анализе источников основных погрешностей контроля и измерений и исследовании разнообразных способов учета ослабления их влияния на результаты измерений.

Настоящая диссертация посвящена обобщению большого накопленного к настоящему времени опыта разработки и исследования оптических средств и методов контроля геометрических параметров изделий массового производства и созданию достаточно общих методов расчета и выбора основных параметров таких средств, обеспечивающих прежде всего высокую точность измерений. Учитывая большую перспективность лазерных сканирующих систем контроля, что более подробно будет рассмотрено ниже, основное внимание при проведении диссертационных исследований уделялось именно этим системам.

С учетом всего сказанного выше основной целью диссертации является разработка методов проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, а также исследования этих

систем для выявления наиболее рациональных путей повышения точности измерений, рамках решения этой важной народнохозяйственной проблемы основными задачам диссертационных исследований являлись:

• выявление методов высокоточных измерений геометрических параметров издели массового производства, наиболее рациональных для использования их современной практике с учетом состояния существующей элементной базы;

• определение путей повышения точности измерений, учитывающих специфик лазерных сканирующих систем;

• разработка инженерных методик расчета основных конструктивных параметре важнейших узлов лазерных измерительных устройств - оптической системы сканатора;

• создание обобщенной методики расчета и проектирования лазерных сканирующи систем, предназначенных для проведения указанных выше измерений;

• апробация этой методики в процессе разработки новых систем и их эксплуатации.

Работа проводилась в рамках реализации ряда государственных 1 межведомственных программ, выполнявшихся в соответствии с постановлениями : решениями директивных органов.

Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, полученны лично автором:

1. Получены аналитические зависимости, описывающие информационный сигнал н, выходе первичного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающе] проекционным методом, и позволяющие провести точностный анализ процесс; измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий.

2. Впервые обращено внимание на существование одной из важнейших составляющи; общей погрешности измерения размеров объемных изделий, зависящей о' конфигурации и отражающих свойств поверхности изделия. Получены формулы ши оценки этой составляющей. Предложен способ компенсации ее влияния на точносп измерений.

3. Показано, что искажения энергетического профиля лазерного сканирующего пучк; при выборе оптической схемы телецентрического сканирования и двойной дифференцирования как способа обработки информационного сигнала ■ ш сказываются на общей точности измерений.

4. Предложено использовать взаимную компенсацию остаточной сферической аберрации объектива сканирующей системы и дефокусировки, вносимой сканатором, что заметно ослабляет влияние последней на точность измерений.

5. Предложена методика расчета оптических одно- и двухкомпоненгных оптических систем лазерных сканирующих устройств с использованием вариантов. Для трехкомпонентных систем сформулирована методика их габаритного расчета с использованием конфокального параметра.

6. Разработана обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий для проекционного (теневого) метода измерений.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в

следующем:

1. Разработана пригодная для проектирования широкого класса лазерных измерительных сканирующих систем инженерная методика расчета и выбора их основных звеньев, т.е. их важнейших конструктивных параметров.

2. Получены аналитические и графические зависимости, пользуясь которыми можно оценить величину погрешности измерений размеров из-за влияния конфигурации и отражающих свойств поверхности объемных (не плоских) изделий. Предложен способ компенсации этой погрешности, позволяющий вести измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий практически с одинаковой точностью.

3. По предложенной методике рассчитан объектив, позволяющий исключить влияние непостоянства скорости сканирования лазерным пучком измерительного пространства на общую погрешность измерений.

Предложен алгоритм обработки информационного сигнала, позволяющий исключить или заметно ослабить влияние непостоянства скорости сканирования и дефокусировки на точность измерений.

5. Получены формулы для расчета диаметра лазерного пучка в плоскости сканирования - основного исходного параметра для проектирования оптической системы лазерного сканирующего устройства. Разработан метод и устройство для экспериментального определения этого диаметра.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется:

♦ проверкой предлагаемых методов и методик проектирования лазерных сканирующих систем при разработке ряда систем контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроения;

♦ сравнением результатов аналитических расчетов точности измерений разработанных систем и результатов их экспериментальных исследований;

♦ хорошим совпадением результатов физического моделирования основных узлов лазерных сканирующих систем, работающих проекционным (теневым) методом, с результатами их машинного моделирования (на ЭВМ) по алгоритмам и формулам, предложенным в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах, среди которых:

♦ Международный форум по проблемам науки, техники, образования (Москва,1997г.),

♦ Третья международная конференция «Распознавание-97» (Курск, 1997 г.),

♦ Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления (Датчики-98)» (Гурзуф, 1998 г.),

♦ Всесоюзное совещание «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе» (Барнаул, 1981 г.),

♦ Межвузовская всесоюзная конференция «Измерения и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983 и 1984 гг.),

♦ а также публиковались в ряде научно-технических изданий (см. ниже).

Апробация основного научно-практического результата диссертационной работы, а именно, предложенной методики инженерного расчета и проектирования высокоточных лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, при разработке и внедрении в промышленность ряда лазерных сканирующих устройств, подтвердила ее рациональность и эффективность.

На защиту выносятся следующие основные научные положения: 1. Полученные зависимости, описывающие информационный снгнал на выходе первичного измерительного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, позволяют оценить потенциальную точность измерений, производимых с помощью такой системы.

1. Результаты анализа отдельных составляющих общей погрешности измерений подтверждают целесообразность использования способа двойного дифференцирования информационного сигнала. При использовании оптической схемы с телецентрическим ходом лучей такая обработки сигнала исключает погрешность из-за дефокусировки, а также погрешность из-за искажения энергетического профиля сканирующего лазерного пучка. !. Один из важнейших параметров, исходных для проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий, а именно, диаметр лазерного пучка в плоскости контролируемого размера может быть рассчитан из условий оптимального согласования параметров оптико-механического и электронного блока и заданной точности измерений по методике, предложенной в диссертации.

I. Методики габаритного расчета одно-, двух- и трехкомпонентных оптических систем, формирующих лазерный сканирующий пучок, позволяют установить требования к основным элементам лазерных сканирующих систем - лазеру, телескопической или квазителескопической коллимируюшей оптической системе, формирующей системе и сканирующему устройству. >. Разработанная методика коррекции объектива устройства телецентрического сканирования позволяет рассчитать оптическую систему, в которой сферическая аберрация и дефокусировка, вносимая сканатором, взаимно компенсированы. 1. Предложенный способ компенсации вредного влияния отраженной от поверхности контролируемого изделия составляющей сканирующего лазерного пучка позволяет практически полностью исключить одну из важнейших составляющих общей погрешности измерений. '. Предлагаемая обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем пригодна для разработки новых высокоточных систем контроля геометрических параметров изделий машиностроительного и приборостроительного производства.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 [ечатных работах, приведенных в списке литературы в конце автореферата.

По материалам диссертации получено 11 авторских свидетельств на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего аключения и приложений. Текст изложен на &^~страницах и сопровождается

рисунками. Общий объем диссертации, включая приложения и список литературы и: 118 наименований- ш страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В начале главы 1 рассмотрены основные требования, предъявляемые i оптическим методам контроля геометрических параметров изделий крупносерийного i массового производства. В качестве таких методов сегодня чаще других используютс; фотограмметрические, дифракционные, растровые и муаровые со структур ированиы.ч освещением изделия, триангуляционные и проекционные (теневые). Анали: принципиальных особенностей и схем практической реализации этих методов описанных в многочисленной отечественной и зарубежной литературе, позволщ выявить их достоинства и недостатки, области возможного применения и, как результат составить таблице их сравнительных оценок (см. табл. 1).

Таблица 1

Оценки различных оптических методов контроля геометрических параметров изделий

Метод Параметры"!*^ хараетериспжи^-^^ Триангуляционные Фотограмметрические Проекционные (теневые) Растровые Дифракцио]

Относительная погрешность измерений (3...5)-10"5 3-Ю"5 10"* <1.2)10-* 10"*... 10"

Время измерения (контроля одной точки или элемента), с Ю-3...КГ1 Ю-6 KTLlO"4 10"3 10J...10"

Скорость обработки результатов измерений высокая низкая высокая средняя средняя

Сложность форм изделия и качество его поверхности сравнительно простые геометрические формы произвольная, сложная форма произвольная сравнительно простые геометрические формы, отсутствие зон затенения или диафрагмирования контролируемых размеров сравиитель простые reo: рические фо] преимуществ малоразмер] изделия с чел контуром:.\ор качество пов ности или Об] шей профи

Стоимость высокая средняя средняя высокая средняя

Объем обработки результатов измерения малый большой малый средний средний

На основании такого анализа был сделан вывод о том, что наиболее предпочтительными в условиях крупносерийного и массового производства представляются триангуляционный и проекционный (теневой) методы, являющиеся наиболее простыми по способу обработки получаемых данных и достаточно быстродействующими.

В главе 2 диссертации рассматриваются схемы построения лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров, работающих проекционных и триангуляционным методами. Учитывая, что при наиболее рациональных способах их конструктивной реализации измерения геометрических параметров изделий производятся путем сканирования лазерным пучком, особое внимание в этой главе уделено вопросам формирования геометро-оптической и энергетической структуры сканирующих пучков, т.е. оптической системе устройств контроля, а также устройствам (элементам), непосредственно осуществляющим сканирование - сканирующим системам (сканаторам).

В начале формулируются основные требования к узлам достаточно обобщенной оптической схемы лазерной сканирующей системы, показанной на рис. 1, где 1 — источник излучения, 2 — формирующая оптическая система, 3 — сканирующий элемент (элемент сканирования), 4 —- объектив, О — угол сканирования, Ь — линейный размер сканируемого пространства (длина строки сканирования).

4

L

Рис. 1. Обобщенная оптическая схема лазерной сканирующей системы

Входной зрачок располагается вне объектива (на сканирующем элементе), что приводит к отличию конструкции объектива по сравнению со схемами, где действующая диафрагма располагается внутри объектива. Это отличие приводит к усложнению конструкции объектива и увеличению его размеров даже при попытках уменьшить расстояние между объективом и сканирующим элементом.

Основными параметрами и характеристиками, которые необходимо рассматривать при проектировании объектива сканирующей системы, являются:

1. диапазон сканирования (длина строки сканирования),

2. линейность траектории сканирования,

3. угол сканирования,

4. рабочая длина волны,

5. размер сканирующего пятна,

6. глубина резкости (глубина фокусировки),

7. степень телецентричности,

8. ограничения размеров, массы, другие конструктивные ограничения,

9. стоимость.

Объектив должен иметь по возможности большее угловое поле. При увеличении углового поля объектива при заданном или выбранном фокальном числе объектива (/ '/ £>) уменьшается его фокусное расстояние, а также могут быть уменьшены диаметр входного зрачка объектива и размер отражающей грани сканирующего элемента. Уменьшение фокусного расстояния ведет к уменьшению вредного влияния неточностей изготовления отражающих граней и погрешностей узла подшипника привода сканирующего элемента.

Очень часто требуется, чтобы оптическая система создавала телецентрический ход лучей на выходе объектива, т.е. чтобы ось выходного пучка была перпендикулярна плоскости изображения по всему полю. Это обеспечивает постоянство длины траектории (строки) сканирования при заданной глубине резкости, сохраняя постоянство увеличения системы. Телецентрическая система необходима в тех случаях, когда требуется измерить расстояние между двумя точками изображения, а не просто осуществить наведение на некоторую одиночную точку объекта или изображения.

Для обеспечения телецентричности входной зрачок должен располагаться в передней фокальной плоскости объектива, а размер объектива должен быть близок к Ь + £>«.

Это условие приводит к усложнению объектива для сохранения сравнительно высокого качества изображения. Требования по ограничению габаритов объектива, величинам его заднего фокусного расстояния (заднего отрезка) и расстояния между объективом и сканирующим элементом определяют конкретный тип и конструкцию используемого объектива. Если эти требования обязательны, то могут ухудшиться некоторые качественные показатели системы, а также увеличится ее стоимость.

Особое внимание следует уделять формированию лазерного сканирующего пучка, т.е. получению пучка с определенными формой, размерами, распределением интенсивности в поперечном сечении, длиной волны и т.д., что часто связано с необходимостью получения предельно допустимых параметров, например, минимально возможного сечения пучка или минимально возможной расходимости излучения. В диссертации рассмотрены особенности фокусирования гауссова пучка, важные для реализации оптимальных схем при работе триангуляционным методом или фотограмметрическим методом центральной перспективной проекции, а также коллимирование пучка и его формирование с заданным размером перетяжки в определенной плоскости, что важно для реализации не только триангуляционного метода, но и других. В качестве одной из наиболее рациональных оптических схем для устройств, работающих проекционным (теневым) методом рекомендуется схема, предложенная Ю.М.Климковым, в которой пучок лазера сначала коллимируется (расширяется), отражается от сканирующего элемента и формируется с помощью сканирующего объектива (сканирование возможно и после объектива) таким образом, чтобы получить заданный размер перетяжки на определенном расстоянии. Ось пучка за объективом (в пространстве измерений) при этом перемещается параллельно самой себе (телецентрический ход луча) или совершает помимо перемещения еще и угловые развороты (нетелецентрический ход луча). Затем излучение концентрируется с помощью приемного объектива на приемнике излучения. При этом предпочтительным является телецентрический ход луча в пространстве измерений, который позволяет контролировать изделия различных размеров и расположенных на различных расстояниях при минимальных переналадках измерительной системы.

Как уже отмечалось выше, наряду с выбором рациональной оптической схемы при разработке лазерных сканирующих систем большое внимание необходимо уделять выбору сканирующего элемента (сканатора) и его параметров. Этому вопросу посвящен

отдельный параграф главы 2, где проводится краткий обзор и сравнительный анали различных типов сканаторов, описанных в многочисленной литературе.

В таблице 2 дана сравнительная характеристика различных типов такн сканаторов, а таблица 3 иллюстрирует возможности различных сканаторов с точи зрения их использования в системах контроля геометрических параметров различны: изделий.

Оценивая всю совокупность факторов, приведенных в таблицах 2 и 3, можн! утверждать, что в условиях крупносерийного и массового производства предпочтени следует отдать вращающимся оптико-механическим сканаторам. В указанных условия: невозможно изменять частоту и амплитуду сканирования в реальном масштабе времен! не является определяющим недостатком, как и сложность задания случайного закон; сканирования. По остальным критериям и параметрам этот тип сканатора либо имее-определенные преимущества перед другими, либо не уступает им.

Таблица:

Сравнительная характеристика различных типов электромеханических сканаторов

Тип сканатора Торсионный Вибрацион- Гальвано- Пьезоэлект- Вр;

ный метрический рический ш

(пружинный, зе]

Типовые параметры/^-- с магнитным (пр!

хар-ки, возможности приводом) пир;

Частота сканирования > 400 Гц - 5 Гц - 0 - 25 Кгц, 0 - 45 Кгц, 0 - 5(

20 Кгц, 1 Кгц, изменяемая, изменяемая изме

фиксирован- фиксирован- уменьшается

ная, ная, с ростом

резонансная резонансная частоты

Предельный угол до ±15° до ±30° ±30° - ±60° до 1°- 2° до

отклонения сканирующего

зеркала, +а

Возможность изменять закон

сканирования (развертки):

=> гармонический + + + + + +

треугольный ■ — — + +

=> пилообразный + — + — + +

=> меандр — — + +

=> случайный — — + +

Размеры сканирующих умеренные большие большие умеренные МОП

зеркал < 25 мм < 50 мм сд<

бол:

гребляемая мощность 10- 200 мВт

Ц сканирования хороший при гармонической развертке, умеренный при линейной хороший хороший хороший

(ейность хорошая при гармонической развертке хорошая при использовании обратной связи очень хорошая

терезис хороший хороший хороший умеренный —

бильность параметров вертки очень хорошая хорошая и очень хорошая при использовании обратной связи очень хорошая при использовании прецизионных элементов

1К службы практически не ограничен ограничен сроком службы подшипников практически не ограничен ограничен сроком службы подшипников

овня эксплуатации -эужающая среда) разнообразные, включая космические обычные промышленные любые, кроме радиацнонно -опасных п некоторых температур обычные промышленные, бортовые

ариты и масса очень малы малы умеренные малые большие по сравн.с другими

говные принципиальные остатки (ограничения к менению) работают на заранее заданной частоте; параметры сканирования ухудшаются при работе: на низких на высоких частотах частотах для достижения хорошей точности нужна цепь обратной связи малые углы сканирования, высокое управляющее напряжение обычно работают на одной частоте и с одним углом сканирования (без специальной переналадки)

имостъ умеренная очень низкая умеренная высокая изменяется в широких пределах в завис, от требований к качеству

Таблица

Соответствие отдельных типов электромеханических сканаторое требованиям, предъявляемым к системам контроля геометрических параметров изделий

Тип сканатора Требования Торсионные Вибрационные Гальванометрические Пьезоэлектрические Вращают еся зеркал ныешш пирамида ные

Высокая частота сканирования (> 3 Кгц) + — + +

Невысокая частота сканирования (от 100 Гц до 3 Кгц) + + + + +

Низкая частота сканирования (< 100 Гц) — + + + +

Изменяемость частоты сканирования — — + + —

Стабильность (зафиксированность) угла отклонения (сканирования) + + +

Большие углы сканирования + + + — +

Изменяемость угла сканирования в процессе сканирования -ь -ь +

Возможность сканирования в ограниченном угловом секторе(колебательного закона сканирования) + +

Возможность согласовать фазу сканирования для нескольких сканаторов + + + +

Возможность использования растра при сканировании + + + — +

Возможность варьировать формой траектории сканирования в реальном масштабе времени + + +

Обеспечение линейности развертки + + + — +

Возможность использовать сканатор в режиме подслеживания + +

Возможность работы с широкими пучками — + + + +

Возможность задавать случайный закон сканирования + +

Перспективам развития триангуляционного метода измерений посвящаны два подраздела главы 2. Применение условия Аббе к когерентной сканирующей оптической системе, схема которой в основном совпадает с представленной на рис. 1 (отличие состоит в том, что пучок лучей после объектива 4 может фокусироваться на поверхности контролируемого изделия), показывает, что для увеличения точности триангуляционного метода целесообразно увеличивать апертуру объектива и угол сканирования, а также использовать малоконтрастную спекл-структуру в сечении лазерного пучка.

Для увеличения диапазона углов сканирования О, увеличения глубины резкости формирующей системы и уменьшения габаритов лазерной системы контроля, работающей триангуляционным методом, можно предложить использовать схему синхронизации работы передающего (сканирующего) и приемного (анализатора изображения) каналов схемы. В такой модернизированной схеме (рис. 2) мгновенное угловое поле анализатора, например, позиционно-чувствительного элемента, изменяет свое положение (поворачивается) синхронно с перемещением изображения лазерного пятна по поверхности контролируемого изделия.

Н~М~2

Рис. 2. Триангуляционная схема с синхронизацией:

1 - лазер, 2 - формирующая пучок оптическая система, 3 - сканатор, 4 - контролируемое изделие, 5 - объектив, 6 - анализатор изображения

Любая точка, находящаяся на оси проекционной системы, находится в фокальной плоскости объектива приемной системы. Это заметно увеличивает глубину резкости системы, уменьшает эффект влияния спеклов и способствует увеличению точности измерений.

Используя уравнения проективного трансформирования, известные в фотограмметрии, можно получить выражения для определения координат лазерного пятна (х , у), измеряя величину рассогласования ха и углы сканирования при постоянной измерительной базе - расстоянии между осями сканатора 3 и объектива 5.

Отдельный параграф главы 2 посвящен обзору систем контроля, использующих наиболее распространенный на праюже проекционный (теневой) метод, обобщенная схема которого представлена на рис. 3.

Л

Рис. 3. Обобщенная схема проекционного (теневого) метода

Световой пучок от источника излучения (лазера) 1 формируется оптической системой 2 и поступает на вход сканирующего устройства 3. На выходе устройства 3 пучок перемещается по измерительному пространству, в котором находится контролируемое изделие 4. На выходе фотоприемного устройства 5 образуется информационный сигнал, поступающий затем на вход устройства вторичной обработки информации 6, включающего ЭВМ. Здесь производится измерение длительности сигнала, которая известным функциональным образом (например, линейно) связана с контролируемым геометрическим параметром (размером) изделия 4. Важным компонентом, участвующим в процессе измерения, является также калибровочная рамка 7.

В таких устройствах возможно использовать различные способы определения длительности информационного сигнала, например, способы стробирования, следящего порога, двойного дифференцирования и т.п. Точность выбранного метода во многом

зависит от качества формирования сканирующего пучка лучей и, как следствие, от формы фотоэлектрического импульса (времяимпульсного сигнала), образующегося на выходе фотоприемного устройства, поскольку энергетический профиль сканирующего пучка определяет форму и длительность фронтов информационного сигнала.

Аналитический обзор лазерных сканирующих систем контроля, использующих проекционный (теневой) метод измерений, показал, что при их проектировании не уделялось достаточного внимания устранению ряда источников погрешностей измерения геометрических параметров объемных (не плоских) изделий, в частности, снижению влвдния непостоянства и нелинейности скорости сканирован!« путем надлежащей коррекции объектива формирующей лазерной системы, а также учету неплоскостности контролируемого изделия и качеству его поверхности.

Действительно, если рассмотреть схему сканирования лазерным пучком объемного изделия (рис. 4), то можно видеть, что в момент времени, когда луч пересекается с краем контролируемого объемного изделия (точка а), и при дальнейшем его перемещении световой поток не должен был бы попадать на фотоприемник ф (как это происходит при сканировании плоского изделия). Однако в действительности этого не происходит вследствие того, что чувствительный слой фотоприемника обладает конечными размерами, а также потому, что часть лучей, падающих на поверхность контролируемого изделия под углом £, отразившись от поверхности последнего, через объектив "Об" попадает на чувствительный слой фотоприемника. Диапазон углов падения луча на поверхность контролируемого изделия, при которых последний попадает на фотоприемник, нетрудно определить, воспользовавшись представленной на рис. 4 схемой. При размере чувствительного слоя фотоприемника Дб и фокусном расстоянии объектива /' углы падения £ будут лежать в пределах

9СГ — й arctg фф / 2f) <£<90Р. ( 1 )

Иначе говоря, в случае контроля плоского изделия световой поток не будет попадать на фотоприемник при координатах луча у0 относительно оптической оси объектива меньшего радиуса (размера) изделия г , т.е. при у„ < г, а в случае контроля объемного изделия такого же размера — при координатах

у о <r cos [w2 arctg (Рф / 2f)] . (2)

Это приводит к дополнительной погрешности измерений.

В последней части главы 2 рассматривается влияние дифракционных эффектов на вид информационного сигнала, образующегося после прохождения лазерным пучком края контролируемого изделия. Степень искажения этого сигнала зависит от вида дифракционной картины, возникающей в плоскости анализа (фокальной плоскости приемного объектива, где установлена чувствительная площадка приемника излучения).

Точный расчет информационного сигнала с учетом дифракционных эффектов возможен лишь в том случае, когда дифракционное распределение поля представлено в аналитическом виде. Однако такое представление поля встречает огромные математические трудности, которые до сих пор не преодолены.

При использовании лазерного сканирующего метода дифрагирующую волну можно считать плоской, так как в плоскости контролируемого изделия формируется перетяжка лазерного пучка. Но распределение поля в плоскости анализа радикальным образом отличается от однородного: во-первых, оно подчиняется закону Гаусса, а во-вторых, оно ограничено не только краем изделия, но и естественным образом. Анализ литературных источников показывает, что для данного случая задача дифракции точно не решена. Однако рассматриваемая в диссертации задача существенно упрощается по сравнению с точным решением дифракционной задачи, если принять во внимание следующие обстоятельства:

1. Нас интересует распределение поля не вблизи экрана, а в дальней области излучения, так как приемник излучения установлен в фокальной плоскости приемного объектива.

2. Дифракционные эффекты приводят к перераспределению излучения, но не меняют величину обшей энергии излучения.

Дифракционный угол расходимости излучения имеет очень небольшую величину, а значит, размер пучка на чувствительной площадке приемника излучения мало отличается от размера недифрагированного пучка. Так как размер чувствительной площадки приемника излучения выбирается с запасом, то дифракционное уширение пучка не скажется на величине энергии, воспринимаемой приемником излучения.

Поскольку перераспределение энергии в дифракционной картине также не влияет на величину общей энергии излучения, и она по-прежнему определяется величиной экранирования пучка краем изделия, то можно сделать вывод о том, что вид информационного сигнала не зависит от дифракционных эффектов, возникающих при ограничении пучка контролируемым объектом. Следовательно, для определения времени перекрытия пучка объектом, с помощью которого измеряются геометрические параметры объекта, можно использовать метод двойного дифференцирования сигнала. Можно предположить, что полученный вывод справедлив и при контроле параметров непрозрачных объектов более сложной формы, например, цилиндрической, так как приведенные выше рассуждения имеют место и в этом случае.

Приведенные выше рассуждения справедливы в том случае, если дифракционные эффекты на обоих краях (контурах) контролируемого объекта одинаковы. В силу идентичности пограничных кривых, т.е. изображений краев объекта, в результат измерения расстояния между краями по идентичным точкам пограничных кривых погрешность из-за дифракции не войдет. Однако при ассиметрии профилей пограничных кривых, например, при несоосности оптических осей передающего и приемного объективов и оси симметрии контролируемого сечения объекта, погрешность из-за различия в условиях дифракции на различных краях изделия может стать заметной. Влияние дифракции может стать заметным и при полной симметрии, если контролируемый размер сопоставим с 1/4 длины волны используемого излучения.

Глава 3 диссертации посвящена выявлению основных источников погрешностей и путей повышения точности лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий.

Прежде всего можно получить выражения, описывающие информационный сигнал, образующийся в различных точках системы обработки информации после

сканирования узким лазерным пучком контролируемого размера изделия. Как следует из рис. 3, по мере перемещения по измерительному пространству лазерный пучок с координатами максимума интенсивности уа постепенно диафрагмируется контролируемым изделием. Прошедшая часть потока с помощью объектива собирается на чувствительном слое фотоприемника. В результате информационный сигнал F(yq), образующийся на фотоприемнике при перемещении лазерного пучка вдоль всего контролируемого диапазона, можно представить в общем виде выражением

Г(у.) = ]'(у- у. )<1у + ¡У Су-у„)<1у = 1\(Уо) + Р2(Уо),

(3)

гдег = с!к/2 - размер контролируемого изделия.

В дальнейшем с целью упрощения записи предположим, что контролируемое изделие расположено симметрично относительно оптической оси, а в силу того, что информационный сигнал Р(уа) симметричен относительно начала координат, т.е. ¥,(ус)= Рз(Уо), будем рассматривать только первое слагаемое выражения ( 3 ), т.е. Р[(ус). Тогда при использовании в качестве источника излучения одномодового газового лазера с гауссовым распределением интенсивности в сечении пучка можно записать

{У-Уо?

РАУо)--

— г

ехр

Ау ,

(4)

1/

где г — нормировочный коэффициент;

г, - радиус сканирующего лазерного пучка в сечении, совпадающем с плоскостью анализа, определяемый по уровню снижения интенсивности в е' раз.

Применяя способ двойного дифференцирования информационного сигнала ( 4 ), можно определить размер контролируемого изделия из решения уравнения:

ф:

~ о.

С учетом выражения ( 4 ) представим ( 5 ) в следующем виде

('-лГ

^/Гехр

= 0

(5)

(6)

Решение уравнения ( 6 ) дает значение корня уа - г, и, следовательно, размер контролируемого изделия равен сЬс=2г (в силу симметричности информационного сигнала). Анализируя полученный результат, можно сделать вывод о том, что при

контроле плоского изделия данным методом расстояние между характерными точками информационного сигнала (точками обращения в ноль его второй производной)

F(y.) =

1

-n/л-Г,

fexp

(y-yj

dy+j

exp

{у ~Уof

m m

равно контролируемому размеру и не зависит от конфигурации и отражающих свойств последнего.

Представим теперь, что контролируемое лазерной сканирующей системой изделие является не плоским, а объемным объектом, например, цилиндрической формы, и определим, в какой степени конфигурация и отражающие свойства изделия влияют на расстояние (длительность) между характерными точками информационного сигнала.

Выше было показано, что часть лучей, отраженных от поверхности контролируемого изделия, собирается объективом на чувствительном слое фотоприемника и участвует в формировании информационного сигнала. Как показал А.С.Топорец, зависимость интенсивности зеркальной составляющей излучения I, , отраженного шероховатой поверхностью, от интенсивности падающего на поверхность излучения/,, определяется как

I, = k-I0exp[-кh2 (cos's)/А2/, (8 )

где к - коэффициент пропорциональности, учитывающий средний коэффициент отражения материала, к - числовой коэффициент, равный 9,7, h - средняя высота микронеровностей, X - длина волны излучения, е - угол падения лучей на поверхность.

С учетом выражений (4 ), ( 8 ) информационный сигнал F(y„)0„p определится как

,2

F(y ) =

о ) ото

1

Л.г, i

exp

(У-уоУ

dy +

■fx-г,

exp

(у-уУ

(9)

где /-у2/Г2 = cos's.

Нетрудно заметить, сравнивая ( 9 ) и ( 4 ), что второе слагаемое выражения ( 9 ) обуславливается влиянием конфигурации (параметр г) и отражающих свойств (параметры Д Я, к ) контролируемого изделия.

Взяв вторую производную от информационного сигнала ( 9 ) и опуская промежуточные преобразования, получим уравнение ( 5 ) в следующем виде

„„. , 2(т--у0) Р СУ.Ът = г: /ехР

+ ехр

и -у°)

я Г. 1

(г-У.) г!

¿■(У, ~Л)

Цг-уА

ехр

('-»Г

-1

ехр

кТгг{\-у*1гг)

г~Уо)

-1

=0

(10)

Следует отметить, что уравнение ( 10 ) было получено с учетом допущения, заключающегося в том, что функция, описывающая вторую производную от информационного сигнала, имеет линейный характер в районе точки ее обращения в ноль.

Предположим, что координата положения одной из характерных точек сигнала (Ус)отр сместилась по отношению к информационному сигналу 1'"(Уо), полученному без учета отраженной от поверхности контролируемого изделия составляющей потока (т.е. при к= 0), на величину Л =г-у/.

Опуская промежуточные преобразования, запишем уравнение ( 10 ) в виде

>-У,П Г *Й2(1-//г2)] [2(Д-г+у,)

лг

2А , г-у, 4я г,3 л/я г?

2Д2

— 1

+ ехр

■ехр

= 0

Решение этого уравнения относительно А получим в виде

Д = -

2рд~г,2 К~2г?рд(2+д) 2 рд-г?

2 + У 4р(1 + д) где р=г2{1- «и [0,5 агЩ(Бф/2/)]}2,

к%г ¡Ь^0,5агс1^[Рф /2/')]

2(1 +^

(П)

(12)

<7 =ехр

ехр

Напомним, что анализ погрешности метода проводился только по одной половине информационного сигнала, поэтому общая погрешность Зотр запишется в виде

(13)

где Дги Д - величины, определяемые по формуле ( 12 ), но при различных значениях р, вычисленных для различных радиусов п и Г2 , ограничивающих края изделий.

При контроле изделия, у которого один край является объемным, а другой -плоским, потенциальная погрешность определяется по формуле (12 ).

В результате проведенного анализа можно сделать вывод о том, что конфигурация и отражающие свойства контролируемого изделия заметно влияют на погрешность лазерного проекционного сканирующего метода контроля, причем это влияние тем больше, чем больше отношение радиусов кривизны, ограничивающих края контролируемого изделия, к сканируемому размеру.

Анализируя ( 9 ), можно сделать следующий вывод. Все отраженные от верхнего края контролируемого объемного изделия и прошедшие оптическую систему лучи пересекут ее заднюю фокальную плоскость выше оптической оси, а все отраженные от нижнего края - ниже оптической оси. Этот вывод позволяет предложить способ компенсации вредного влияния отраженной составляющей сканирующего светового пучка на длительность информационных сигналов.

Способ заключается в том, что поочередно перекрывается половина светового потока, попадающего на фотоприемник, расположенный симметрично относительно оптической оси, причем когда световой пучок пересекает верхний край изделия, перекрывается верхняя половина фотоприемника, а когда световой пучок пересекает нижний край изделия - нижняя половина. В общем случае амплитуда информационного сигнала, формируемого на выходе фотоприемника, уменьшается, но при этом в сигнале отсутствует составляющая, вносимая отраженным от контролируемого изделия световым пучком.

Этот способ относительно несложно реализуется с помощью фотоэлектрического селектора отраженного светового потока, в качестве которого могут быть использованы, например, планарно-ориентированный нематический жидкий кристалл, работающий на эффекте динамического рассеяния, за которым расположен интегральный фотоприемник, или двухплощадочный (разрезной) фотоприемник, управляемые блоком электронной селекции сигналов.

Следующим фактором, чье влияние на точность измерений было рассмотрено в главе 3 диссертации, являлось искажение профиля лазерного пучка.

Оценим влияние искажений гауссова пучка на величину Д смешения точки обращения в ноль второй производной от информационного сигнала, полученного сканированием изделия лазерным пучком с произвольным энергетическим профилем.

В случае искаженного гауссова пучка с учетом нулевой и первой мод распределение освещенности в пучке описывается выражением

1(у) = Е3(У) = (а,у>о + а,щ)2 . ( 14 )

где я, и а; - коэффициенты нулевой и первой моды в разложении амплитудного распределения поля лазерного пучка.

Используя предположение, что в/ « в0, ранее полученное выражение для информационного сигнала в случае гауссова пучка можно привести к виду

ЯУо)»™ ="

ехр

(у-у»У

4у + Л |

ехр

[у-УоУ кУ^-уЧг1) г} Хг

(у-у,У

У1

(у-Л)1 к*{\-у4г*)

Хг (15)

Ф

Для вычисления интегралов, входящих в выражение ( 15 ), заметим, что

ехр

-ехр

О^оГ

(16)

Это равенство позволит записать два интеграла во вторых фигурных скобках в виде производных по у„ от интегралов в первых фигурных скобках выражения ( 15 ). В результате с учетом (16) выражение (15) запишется в виде

= ^(УоЬ, + -1га, я, г, ■ ( 17)

Как было показано ранее, для определения величины Д, характеризующей потенциальную погрешность лазерного сканирующего метода контроля в случае искаженного гауссова профиля лазерного пучка (а0*1, а^О), необходимо взять вторую производную от выражения ( 17 ) и, приравняв ее нулю, решить уравнение

«о + л/2а0 а,г,Р'"(у,)стг = 0 . (18 )

Решение уравнения ( 18 ) позволяет определить погрешность метода в случае сканирования плоского неотражающего контролируемого изделия лазерным пучком, энергетический профиль которого отличен от гауссова. Для этого необходимо найти третью производную по у0 от ранее полученного выражения ( 10 ) и подставить ее в уравнение ( 18 ). Опуская промежуточные преобразования, получим решение уравнения в следующем виде

г

Так как мы ограничились рассмотрением только одного слагаемого выражения, описывающего информационный сигнал, то следует провести аналогичные преобразования и для другого слагаемого с тем, чтобы определить общую погрешность 6 метода.

Проводя аналогичные математические преобразования и опуская промежуточные вычисления, получим значение Д2 для другого слагаемого информационного сигнала в виде

Д, = -

72 а, л,

(20)

Складывая (19 ) и ( 20 ), получим суммарную погрешность 8 равной нулю, т.е. 5=0.

Для того, чтобы определить погрешность лазерного сканирующего метода

контроля с учетом искажений энергетического профиля лазерного пучка, а также конфигурации и отражающих свойств изделия, необходимо проделать аналогичные преобразования и вычисления, предварительно определив третью производную Р"'(у0)отг, которая описывается следующей формулой:

Р"'(Уо)от, =

■ехр

(г-лУ

'Ф-у.Г

-3

4у,-

У.)

-ехр

г,1

(у, -УоУ

*(г-Уо) 2(Г~Уо)

--Г~Т~г-ехР

4пг) л,

(г-У.У

2 (У,-Л)2

-3

ехр

кПг{\~у\1гг) Л2 (21)

Подставляя выражения (21)и(10)в(18)и решая (с учетом принятых ранее допущений) уравнение относительно Дотр, получим для одного слагаемого информационного сигнала

Д, =ДГ+-

и для другого

Д, = А,. -

■Я а, г,

(22)

(23)

Тогда с учетом формул ( 22 ), ( 23 ), выражение, характеризующее результирующую погрешность ёот, лазерного сканирующего метода, определится как

<LP=A,,+A,

или с учетом ( 13 )

Из полученного выражения ( 24 ) в рамках принятых допущений следует, что на погрешность метода не оказывает влияния энергетическое распределение профиля сканирующего лазерного пучка. Симметричные искажения энергетического профиля гауссова лазерного пучка приводят к смещениям в одном направлении точек обращения в ноль второй производной от информационного сигнала на величину, равную л/2 а, г, 1а0.

В подавляющем большинстве систем контроля, реализующих проекционный лазерный сканирующий метод, используется оптическая система, включающая в свой состав объектив, в переднем фокусе которого расположена отражающая грань сканирующего элемента (плоского зеркала или зеркальной многогранной призмы). В таких системах даже при постоянстве скорости вращения сканатора скорость перемещения лазерного пучка по измерительному пространству не постоянна, что может быть причиной возникновения существенной составляющей общей погрешности измерений.

Относительная величина этой составляющей является функцией координаты Ь„ центра контролируемого изделия и определяется как

где г агсэш——--агсБШ - интервал времени, необходимый для

перемещения лазерного сканирующего пучка на расстояние ¿4 = 2 г, равное размеру изделия, со - угловая скорость вращения сканатора,/ - фокусное расстояние объектива сканирующего устройства 3 (см. рис. 3), т, - интервал времени, соответствующий измеряемому размеру при условии, что скорость перемещения лазерного пучка по измерительному пространству постоянна, г, = 2 г/(со/).

Легко видеть, что

(25)

f arcsm——

-arcs

2r

Разлагая в ряд Тейлора выражение для г^, являющееся четной функцией параметра И„ / f , и ограничиваясь первыми двумя членами разложения, при условии г«/ можно считать, что

%) = ^7-100%. (26)

Из анализа выражений ( 25 ) и ( 26 ) следует, что погрешность 8 (И,) может достигать ощутимой величины. Компенсировать влияние указанной погрешности можно либо с помощью специально рассчитанного объектива (см. ниже), что существенно упростит конструкцию системы, либо с помощью процессорного устройства измерителя.

Для схемы, представленной на рис. 3, очень важно учитывать остаточную сферическую аберрацию объектива сканирующей системы. Если рассмотреть работу этой системы в обратном ходе лучей (рис. 5), то очевидно, что временной интервал, характеризующий контролируемый размер, будет определяться временем, необходимым для перемещения луча на угол,

Ла'=сгв - <Уа ■

Тогда, с учетом принятых обозначений зависимость между И„ и а0' в области аберраций третьих порядков запишется в виде

К =/„' сУ + ц>а=/а'&-'/2 & ст/3 а, ( 27 )

где 5/ - первая сумма Зейделя.

Тогда для точек а и в, соответственно

Ъо + т =/»' сгв'— '/2 Я/ сгв'3 а, К-г =//сг/ — 7?5/ ой'3а .

Представим выражение ( 27 ) в виде "неполного" кубического уравнения относительно сг/:

а„'3 + р «г»' + ? = 0, ( 28 )

2/„' 1К

где р = —; ц = — . аЪ1 аЪ,

Решение уравнения ( 28 ), удовлетворяющее рассматриваемому случаю, можно представить в следующем тригонометрическом виде

, „ - / 3М *

Плоскость

Рис. 5. К выводу формул (32), (33), (36), (37)

где а = 2^/2/0'/3.

Тогда временной интервал тк , характеризующий контролируемый размер ¿4=2)

изделия, центр которого смещен относительно оптической оси объектива на величин; И0, определится как

3

Л\ < ть = — со^

£

АП i 3

-СО£| ^аГССОг

А /,'

3

(29)

а временной интервал т^=0, характеризующий размер контролируемого изделия расположенного на оси объектива, —

2 а

1 ( 3 г) я

з-Н, -тягз

(30)

Нужно отметить, что при отсутствии сферической аберрации (5; = 0), уравнение (27 ) запишется следующим образом

"¿А • (31)

/о

С учетом выражений ( 29 ) и ( 30 ) определим относительную погрешность 5(ТгД измерения контролируемого изделия в зависимости от смещения координаты центра на произвольную величину И0

/УЛ|С05

1

З^-гЛ к /с•Л Г 3

Г 3(/г0+г)"| | *

ПА

-2 г

2г

и относительную погрешность 5(г), измерения контролируемого изделия (расположенного на оси) в зависимости от г

гS¿A\йo% 8{г)т = —

1 ■ ( 3#-] я

1шс0\-7гаг 7

-2 г

--100%. (33)

2 г

Для проведения инженерного точностного расчета рассматриваемой системы контроля полученные выражения весьма громоздки и неудобны. Для упрощения этих выражений найдем решение уравнения ( 27 ) в виде ряда

аа'=&+ Л о}' + Я/ сг/ + а/ + ... + <г„'.

Для этого представим уравнение ( 27 ) следующим образом

„ ,з 2/»' . гк . ЗД —+~7- = 0 ■

а а

Не приводя промежуточных преобразований, получим решение уравнения в виде А„ 1 И. а 3 , а1

Выражение для аа' представим в виде суммы, ограничившись двумя членами разложения. Тогда, с учетом принятого допущения, выражения ( 30 ) и ( 31 ) преобразуются к виду

2г ( я(г2+ЗЛ,2)1

^щ^'чг1]- (34)

2г \ „ агг

Приближенные формулы для определения 5 (7г„)„ и 8 (г)„ с учетом ( 34 ) и ( 35 ) имеют вид 8(Ъ0)„ = В (г2 + 3 Иа2) ■ 100%, (36)

8(г)„ =ВР-100%, (37)

гле В =

Из выражений (36)и(37) следует, что погрешности 8 (Ъ„)п и 5 (г)„ растут прямо пропорционально и а и уменьшаются обратно пропорционально/а'3 .

На рис. 6а,б представлены графики 8 (Ь0)тл и 8 (г)тл , построенные для различных расстояний а при использовании в сканирующем устройстве одно-, двух- и грехлинзовых объективов, рассчитанных на минимум сферической аберрации с

относительным отверстием V = 1:4. Для сравнения графики построены по точным формулам ( 32 ) и ( 33 ) и приближенным ( 36 ) и ( 37 ). Нетрудно заметить хорошую сходимость этих выражений, исходя из чего следует рекомендовать приближенные формулы ( 36 ) и ( 37 ) для определения 8 (Ио)„ и 8 (г)„ при оценочных расчетах на стадии проектирования систем контроля.

Хорошо известно, что при использовании в качестве сканирующего элемента плоского зеркала, ось вращения которого проходит через точку фокуса объектива, но не проходит через отражающую поверхность зеркала, а также при использовании в качестве сканатора правильной многогранной призмы, ось вращения которой пересекает оптическую ось объектива на расстоянии от его точки фокуса Р, равном радиусу Л вписанной в многогранник окружности, возникает дефокусировка. Это приводит к тому, что после объектива (даже при исправленной сферической аберрации) луч перемещается непараллельно самому себе и оптической оси.

Дефокусировка Д) связана с углом поворота сканатора-призмы зависимостью

1

4,= Л,

(38)

4cos(cr012)

где R - радиус вписанной в сечение многогранника окружности.

В результате дефокусировки луч на выходе объектива пойдет под углом у> относительно оптической оси объектива и пересечет плоскость анализа (О) в точке Qa, координата h0 которой будет связана с углом <га выражением

К = f¿a, +{a-fa)~r ■ (39)

J о

При условии, что о,«1 и с учетом ( 38 ), уравнение ( 39 ) преобразуется к виду

ст/R (a -fo) + 8 aj0'2~ 8 h0f0' = 0. ( 40 )

Решая уравнение ( 40 ) по аналогии с ( 27 ), получим решение относительно а0 е

виде

К _(a-/o')4i?

ао ~ f « f> Ja °Jo

Тогда время, характеризующее контролируемый размер dk = 2 г изделия npt произвольном положении последнего, определится как

R{a-J0)-{lh¡ +гг)~

2 г

wf¿

1--

8/0'4

(41)

а) 5)

•г/П^ШО; Зг-0,1;

7 а-- Ж I

а-15 К

IV а--(о ? а--0,5^

6(Ьс)Т,6(?)г

——*-

Рис. 6. Графики зависимости относительной погрешности измерений от координат положения и размеров изделия

(42)

а при условии, что координата центра изделия расположена на оптической оси (Н„ = 0), как

2 г

Относительные погрешности измерения д (Ъа) и 3 (г), обусловленные дефокусировкой Д) (с учетом выражений (41 ), ( 42 ), ( 25 ), ( 26 )), определятся как <5(7д = N(3 Ис2 + г) 100% , ( 43 )

ё(г)=Ыг2 100%, (44)

где Ы= 4 .

8Л

Анализ выражений ( 43 ) и ( 44 ) показывает, что влияние дефокусировки можно свести к нулю при совмещении плоскости анализа с фокальной плоскостью объектива устройства телецентрического сканирования. Полученные инженерные формулы в результате этого анализа могут быть применены для предварительных расчетов величины относительной погрешности измерений.

Устранение ряда составляющих общей погрешности измерений или, по крайней мере, существенного их уменьшения можно добиться путем ввода в систему калибровочной рамки 7 (см. рис. 3).

Размер контролируемого изделия в случае использования в системе калибровочной рамки или эталона размером вычисляется по формуле, которая в принятых выше обозначениях запишется следующим образом

(45)

где ц - длительность интервала, пропорционального размеру ¿4 контролируемого изделия;

г; - длительность интервала, пропорционального размеру калибровочной рамки.

С учетом формулы ( 45 ) можно записать выражение, характеризующее

дисперсию измерения параметра <4 в следующем виде

, т2, , ¿1 2 с^т] . = -уст, +— сгг, + ——<7М . ( 46 )

т, т, г,

где сг,2, о*к и а', - дисперсии величин, входящих в ( 45).

Рассмотрим случай накопления данных. Пусть за одну секунду производится п

измерений. Можно показать, что дисперсия результата измерений в этом случае а]Л

определится как

где 5 = кф сс /а2 , кф - коэффициент связи длительности фронта информационного сигнала Тф и ширины полосы пропускания Л f электронного тракта, а - спектральная плотность мощности шума на входе электронного тракта, а ~ амплитуда сигнала, V -скорость перемещения лазерного пучка по измерительному пространству.

Количество измерений и, производимых системой за одну секунду, с учетом количества кг граней сканатора, например, вращающейся зеркальной призмы, связано со скоростью V следующей зависимостью

П =/V, (47)

где у - коэффициент пропорциональности, определяемый выражением к,

V = -

27Г/0'СО5И'/

Подставляя ( 47 ) в выражение ( 46 ), получим

Л г ,

^¿г7'' (48)

где р - постоянный множитель, определяемый по формуле М=2В/у.

Анализируя выражение ( 48 ), можно сделать вывод о том, что величина агш при эсушествлении процесса накопления не зависит от скорости перемещения лазерного тучка по измерительному пространству.

Для определения рационального соотношения между размерами ф и <4 с помощью формулы ( 48 ) найдем зависимость, определяющую относительную среднюю свадратическую погрешность измерений

ст< , ( 1 1

+ 7Г + ^Г ■ (49)

Вследствие того, что контролируемый размер ¿4 задан, с точки зрения минимальной ¿»¿-, целесообразно выбрать размер калибровочной рамки много больше сонтролируемого размера <Л\ » ¿4 , но, исходя из анализа выражения ( 49 ) и сонструктивных соображений, разумно пользоваться следующим соотношением с/, >3*4. (50)

Анализ выражения ( 48 ) показывает, что величина диаметра лазерного пучк; должна быть, по возможности, минимальной. На практике при разработке лазерно1 сканирующей системы контроля с заданным значением средней квадратическо! погрешности оь,2 , для определения рационального размера с1п следует пользоватьс; следующей формулой

полученной на основе выражения (48 ).

Полученные зависимости (50 ) и ( 51 ) позволяют рациональным образом согласовать параметры отдельных элементов системы.

Глава 4 диссертации посвящена разработке методик расчета и проектирование лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий. Здеа прежде всего рассматриваются методики габаритного расчета оптических систеи сканирующих устройств. Для расчета одно- и двуххомпонентных систем предлагаете: метод вариансов, основанный на способе описания гауссовых пучков комплексны» параметром - вариансом. Для таких систем, формирующих сканирующий лазерньп пучок, предложены достаточно обобщенные схемы.

Однокомпонентная оптическая формирующая система используется в первичны; измерительных преобразователях в тех случаях, когда требуется обеспечить болыпо1 диапазон перемещений лазерного пучка, сравнимый со световым диаметром объектив; устройства телецентрического сканирования, и нет повышенных требований к величит диаметра лазерного пучка в плоскости анализа. Двухкомпонентная схема более сложна 1 предполагает формирование более качественной структуры лазерного пучка, п< сравнению с однокомпонентной схемой. При этом диапазон перемещений лазерной пучка будет меньшим. С помощью однокомпонентной системы можно получить пучо) минимального размера, но на небольшом расстоянии от компонента (при коротком /О Второй компонент (длиннофокусный) только увеличит то, что получено с помощьн первого компонента. Двухкомпонентная система позволяет получить пучок заданной диаметра на сравнительно большом расстоянии от второго компонента. В главе • рассмотрены основные этапы методики габаритного расчета этих систем.

При расчете оптической формирующей системы задается, как правило, диапазо! перемещения лазерного пучка по измерительному пространству, соответствующи!

<1 -

(51)

контролируемому диапазону. При заданном диапазоне, равном /*, и относительном отверстии V для определения фокусного расстояния /' оптической формирующей системы предлагается следующая формула:

где Гуа— радиус лазерного пучка на выходе резонатора, определяемый по уровню снижения амплитуды в 4е раз.

С помощью вариансов, рассматриваемых для различных плоскостей (сечений световой трубки), составляется система уравнений относительно фокусного расстояния объектива, расстояния а' от главной плоскости объектива до перетяжки в измерительном пространстве, продольного размера г измерительного пространства. Решение этой системы уравнений позволяет при заданных исходных параметрах г„ 4, а' провести габаритный расчет основных конструктивных параметров одно- и двухкомпонентных оптических формирующих систем лазерных сканирующих систем.

Необходимо отметить, что разработанная методика расчета справедлива для гауссовых пучков и не учитывает дифракционных явлений на оправах объективов и аберрационные характеристики систем. При этом влияние дифракционных эффектов целесообразно исключить путем выбора соответствующих световых диаметров компонентов.

Габаритный расчет трехкомпонентных оптических систем предложено выполнять с использованием конфокального параметра. Исходными данными для расчета являются: размер (диаметр) перетяжки в плоскости анализа Ып , удаление плоскости анализа от объектива с1' и длина сканирования 4 . Все эти величины зависят от фокусного расстояния объектива, выбор которого является основной задачей при расчете.

Предлагаемая методика сводится к следующей последовательности действий:

1. По заданному (выбранному из конструктивных соображений) положению плоскости анализа (плоскости измерений) относительно объектива, т.е. значению определяется фокусное расстояние объектива

2. По заданному (выбранному в соответствии с размерами контролируемого изделия) значению рассчитывается угол сканирования 9 = <¿/2/'

В. По заданному (рассчитанному в соответствии с ( 51 ) или выбранному из соображений точности работы измерительной системы) размеру пучка с/,

рассчитывается расходимость лазерного пучка на выходе коллимирующей системы = d,/2f.

4. Зная 9кт и расходимость пучка лазера вяаз, рассчитывается увеличение коллимирующей системы Г = вко„!вг,са-

5. Зная параметры лазера и увеличение, рассчитывается телескопическая или квазителескопическая коллимирующая системы.

6. Зная дкал , рассчитывается размер перетяжки на выходе коллимирующей системы W» = Л/т$кол.

7. По величинам^, #, Wn находится диаметр объектива D = 20d + 2IV,.

8. Определяется относительное отверстие объектива D/f и оценивается возможность коррекции аберраций.

9. По известным в\\ W„ выбираются параметры сканатора.

Следует заметить, что предложенная методика основана на свойствах гауссова пучка, которые сохраняются, если степень ограничения пучка (гранью сканатора или оправой объектива) равна a/W = 2. В этом случае потери мощности практически равны нулю.

Влияние аберраций на точность измерений для рассматриваемой схемы реализации проекционного (теневого) метода измерений достаточно мало, так как измерения проводятся не по всему полю, а только в одной точке (другая ей симметрична).

Далее в главе 4 рассмотрены способы коррекции аберраций и дефокусировки, что необходимо для устранения или ослабления ряда составляющих общей погрешности, рассмотренных выше. В основу предлагаемого способа коррекции положена взаимная компенсация сферической аберрации объектива (в обратном ходе лучей) и дефокусировки.

Выразим отступления от условия синусов через первую Si и вторую Su суммы Зейделя, как ¿7 + Su = - 2 А,

a'-sina'

где для апертурного угла а А к——2—:—,

sin сг

а величину дефокусировки определим как

sin2 (а/2) , .„ .

Д„=2 R---(52)

cosa

где R - радиус окружности, вписанной в сечение многогранной призмы, ось вращения которой пересекает оптическую ось в точке О, отстоящей от фокуса F объектива на расстоянии, равном Л

Продольная сферическая аберрация Л? объектива в обратном ходе в общем случае может быть представлена выражением

AS = -В-/'sin2 а , (53)

где а- величина угла отклонения луча, а В- коэффициент пропорциональности.

Поскольку угол поворота грани сканатора а = а/2 , то ( 53 ) можно переписать в

виде

AS = -В-/'йпг2а . (54)

Для того, чтобы сферическую аберрацию объектива компенсировать дефокусировкой, т.е. обеспечить при любых поворотах призмы (в пределах заданного апертурного угла) равенство нулю угла в, необходимо выполнить условие

Л() + Д?=0. (55)

В связи с тем, что объектив обладает сферической аберрацией AS в обратном ходе, равной и противоположной по знаку величине As, то, подставляя в последнее равенство значения Лди AS из ( 52 ) и ( 54 ), преобразуем ( 55 ) к виду sin2 (я/ 2)

2R---- - В ■/' sm2a = 0. (56)

cosa

В виду малости угла а (в реальных системах а , как правило, порядка 10° и менее), выражение ( 56 ) может быть упрощено и представлено как R = 8 В f.

Таким образом, если в качестве сканирующего элемента будет использоваться зеркальная многогранная призма с радиусом R окружности, вписанной в сечение призмы, или плоское зеркало, ось вращения которого отстоит от отражающей поверхности на расстоянии R, то для того, чтобы лазерный пучок перемещался по измерительному пространству параллельно самому себе, его продольная сферическая аберрация в обратном ходе должна определяться выражением

AS = -%R-ún1a . (57)

Нетрудно получить выражение первой суммы S¡ Зейделя для коррегируемого объектива: S¡ = R/ 4f .

По разработанным формулам и соотношениям, полагая Si = R/ 4f ,

sino-'-a' R " =2 sin3 а' ~4Г'

был рассчитан вариант двухлинзового несоеенного объектива с/=150 мм, V = 1:5

и выполнена его коррекция для Я = 0,6328 мкм. Объектив имеет следующие

конструктивные параметры:

«д

г, = 157,723

d, = 3,85 СТФЗ 2,15676

г2 =-856,733

d2 = 0,44

r¡ = - 261,950

</j = 3,00 СТФЗ 2,15676

/■, = -482,745

На рис. 7 представлены графики дефокусировки Лд и сферической аберрации AS' рассчитанного объектива. Нетрудно заметить, что влияние этих факторов практически

Способ коррекции отрицательного влияния дефокусировки обладает тем положительным качеством, что в рассматриваемых объективах нет необходимости при коррекции максимально уменьшать сферическую аберрацию, а лишь достаточно либо обеспечить ее требуемое значение, определяемое по формуле ( 57 ), либо по уже известной величине ЛУ, полученной в результате коррекции заданного закона отступления от условия синусов, рассчитать указанным образом радиус Я окружности, вписанной в сечение призмы.

В случае использования в качестве сканирующего элемента плоского одиночного ¡еркала, ось вращения которого не проходит через отражающую поверхность, объектив >ассчитывается аналогичным образом. При совпадении оси вращения зеркала с пражающей поверхностью и фокусом объектива у последнего необходимо исправлять сферическую аберрацию (5/ = 0) и коррегировагь отступление от условия синусов.

Отдельный параграф главы 4 посвящен методике расчета основных параметров >птико-механических сканаторов. Для определения габаритных размеров сканатора [редлагается воспользоваться описанной выше методикой расчета диаметров лазерных [учков с использованием вариансов. Например, радиус Я вписанной в сечение странной зеркальной призмы окружности для однокомпонентной формирующей штической системы предлагается определять по формуле

де к = 2 к /X - волновое число, а остальные обозначения давались выше.

В диссертации приводятся также формулы для расчета крутящего момента и юмента инерции сканатора в виде функции заданного разрешения, частоты канирования и требований к механическим свойствам материала сканатора.

В этой же главе описывается метод динамической автокалибровки лазерных канирующих систем, направленный на максимально возможное уменьшение истематических составляющих погрешности и обеспечение долговременной габильности характеристик системы. Предложенный метод позволяет исключить еобходимость точного позиционирования изделия.

Суть метода заключается в том, что в процессе передвижения калибра известного иаметра с! по измерительному пространству, в произвольных точках положения алибра измеряется координата его положения и диаметр. Затем составляется система равнений, решение которой дает коэффициенты, определяющие нелинейность радуировочной характеристики или функции взаимно однозначного соответствия 5ВОС). В дальнейшем использование этих коэффициентов позволит вычислительной микропроцессорной) системе внести коррекцию в результаты текущих измерений и тем 1мым повысить точность измерений.

В заключение главы 4, как результат исследований, описанных в главах 3 и 4, злагается обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем

Я =

tg(Ш° /т)

контроля геометрических параметров изделий. Предлагается следующая последовательность ее основных этапов.

1. На основании технического задания определяются исходные данные для расчета:

• размер контролируемого изделия <4,

• диапазон смещений контролируемого изделия 4,

• средняя квадратическая погрешность измерений а*р2 ,

• быстродействие системы (количество измерений в секунду) п ,

• мощность лазера Р,

• длина волны излучения Я,

• конструктивные параметры резонатора лазера /,ер',

где Ь - расстояние между зеркалами резонатора, фокусное расстояние которых /,ер' ,

• коэффициент, характеризующий средний коэффициент отражения материала контролируемого изделия к ,

• средняя высота микронеровностей поверхности контролируемого изделия к .

2. Исходя из заданного диапазона смещений контролируемого изделия, определяется размер калибровочной рамки ф .

3. Диаметр с(, лазерного пучка, формируемый оптической системой в плоскости анализа, выбирается с помощью выражений ( 48 ) и ( 51 ) как можно меньшим; при этом необходимо, чтобы он был меньше, чем контролируемый размер ¿4 изделия. Уменьшая диаметр с1,, мы тем самым приходим к усложнению оптической формирующей системы, поэтому при выборе с/, необходимо также руководствоваться конструктивными соображениями. (Помимо аналитического метода определения величины Ы, возможно использовать и предложенный экспериментальный метод, описанный в Приложении к диссертации.)

4. Пользуясь рекомендациями, содержащимися в главах 2 и 3 диссертации, выбирается принципиальная оптическая схема системы, и по методикам, изложенным в разделах 4.1 и 4.2, проводится габаритный расчет оптической системы.

5. По методике, описанной в разделе 4.3, проводится аберрационная коррекция объектива устройства телецентрического сканирования.

6. С учетом рекомендаций, содержащихся в разделе 2.3, в частности, с помощью таблиц 2 и 3, выбирается тип конструкции сканирующего устройства. Для оптико-

механических вращающихся сканаторов по методике, изложенной в разделе 4.4, рассчитываются их основные параметры.

7. По формуле (13) определяется потенциальная погрешность и решается вопрос о необходимости применения в проектируемой системе разработанного способа и устройства компенсации влияния конфигурации и отражающих свойств контролируемого изделия, описанных в разделе 3.2 диссертации.

8. Определяется длительность фронта информационного сигнала Тф , а затем полоса пропускания усилительного тракта Р.

9. По известным и неоднократно описанным в литературе по оптико-электронным приборам методикам рассчитываются значения амплитуды информационного сигнала А и спектральной плотности мощности шумов а.

10. Определяется значение средней квадратической погрешности <ты , которое :равнивается с заданным значением т:р~ .

11. При невыполнении условия аь? < сь/ по формуле (51) уточняется значение /,, соответственно ему определяется радиус сканирующего пучка г„ , определяемый по /ровню снижения интенсивности в заданное число раз, а затем, начиная с пункта 4, повторяется аналогичным образом весь расчет.

По разработанной методике был проведен расчет основных параметров лазерных жанируюших систем контроля, описанных в главе 5 настоящей работы.

Заключительная глава 5 диссертации посвящена экспериментальным 1сследованиям, проводившимся, в основном, в процессе разработки и внедрения в 1рактику ряда лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров 1зделий массового и крупносерийного производства. Так, проверка влияния сонфигурации изделия на погрешность измерений проводилась с помощью системы <Спарк», разработанной для контроля линз различного радиуса. Оценки результатов (змерений (объем одной выборки - 10000 измерений) подтвердили как наличие :ущественной составляющей погрешности, так и эффективность предложенного способа :е компенсации путем попеременного включения чувствительных площадок разрезного ¡1 ото приемника.

Разработанные одно- и двухкоординатные системы «Скан-1» и «Скан-2» «¡пользовались для контроля геометрии стекловолокна. Применение в них объектива, ;пециально рассчитанного на взаимную компенсацию сферической аберрации и

дефокусировки, подтвердило эффективность описанного выше метода борьбы соответствующими составляющими погрешности измерений.

По приведенным выше методикам проектировалась и лазерная систеи-считывания результатов физического эксперимента «Сателлит». Здесь особое внимаш уделялось борьбе с нестабильностью скорости перемещения лазерного сканирующег (считывающего) пучка. Применение телецентрической схемы позволило решит поставленную задачу точного позиционирования элементов считывания вдоль строк сканирования.

Принцип динамической автокалибровки был применен и проверен пр разработке сканирующего лазерного измерителя геометрических параметров (СЛИГП Для его реализации были разработаны алгоритмы и программа, «зашитая» в ПЗ' специального микропроцессорного устройства. При калибре произвольного диаметр проводилось позиционирование приблизительно в 10 точках внутри интервал измерений, причем результат осреднялся в сериях из 128 измерений в каждой точк< Максимальная погрешность составляла ± 5 мкм в диапазоне до 0,5 - 70 мм пр: повторяемости результатов для одной детали в 1 - 2 мкм.

В диссертации приводятся схемы, фотографии, результаты испытаний описанны систем, а в Приложении к диссертации - акты о внедрении всех систем крупносерийное и массовое производство.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования и разработки, выполненные для реализации основной цел] диссертации - разработки методов проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий массового производства и выявлени. наиболее рациональных путей повышения точности измерений - позволяют сделат следующие основные выводы, базирующиеся на результатах, приведенных выше: 1. Наиболее рациональными методами высокоточных измерений геометрически параметров изделий массового машиностроительного и приборостроительноп производства в настоящее время с учетом многих технико-экономических фактор о являются проекционный и триангуляционный методы контроля, которые могут быт: сравнительно просто реализованы на практике с учетом современного состояни: элементной базы оптико-электронного приборостроения.

!. Анализ основных источников погрешностей, имеющих место в лазерных сканирующих системах, позволяет учесть влияние каждой из составляющих общей погрешности, предложить эффективные способы ослабления или устранения вредного влияния ряда составляющих, а также аналитически определить ряд исходных данных, необходимых для проектирования систем данного типа.

. Предложенные в диссертации методики расчета параметров важнейших звеньев лазерных сканирующих систем, а именно, оптической системы и сканатора, позволяют достаточно просто определить их конструктивные параметры.

. Ряд изложенных в диссертации методов и способов, в частности, способ взаимной компенсации дефокусировки сканатора и сферической аберрации объектива при построении измерительных лазерных сканирующих систем, способ компенсации влияния конфигурации контролируемых изделий на точностные характеристики системы, метод борьбы с непостоянством скорости перемещения лазерного пучка по измерительному пространству, метод и устройство для экспериментального определения диаметра лазерного пучка, метод динамической автокалибровки лазерных сканирующих систем, позволяют уже в настоящее время и позволят в ближайшем будущем заметно повысить качественные характеристики лазерных измерительных устройств и систем и, в первую очередь, их точность.

. Проведенные экспериментальные исследования, а также результаты эксплуатации ряда систем подтвердили эффективность предложенных способов компенсации отдельных составляющих общей инструментальной погрешности и эффективность предложенных способов компенсации отдельных составляющих общей инструментальной погрешности.

Разработка и эксплуатация внедренных в практику лазерных сканирующих систем подтвердили рациональность предложенной методики расчета и проектирования таких систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авт. Свид. СССР № 1000757, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Фотоэлектрическое устройство для измерения поперечных смещений относительно направления, заданного световым лучом, 1982 г.

2. Авт. Свид. СССР № 1068704, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для контроля отклонения объекта от опорного направления», 1983 г.

3. Авт. Свид. СССР № 1142732, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для контроля линейных размеров», 1984г.

4. Авт. Свид. СССР № 225221, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. « Лазерная сканирующая система контроля» , 1985г.

5. Авт. Свид. СССР № 1216641, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для измерения диаметра объектов», 1985г.

6. Авт. Свид. СССР № 1167423, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для измерения перемещений», 1985г.

7. Авт. Свид. СССР № 1441912, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Бесконтактный прецизионный датчик положения рабочих органов промышленных роботов», 1988г.

8. Авт. Свид. СССР № 1508094, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для задания опорной световой плоскости», 1989г.

9. Авт. Свид. СССР № 1532808, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Устройство для контроля линейных размеров», 1989г.

10. Авт. Свид. СССР № 1551985, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Фотоэлектрический автоколлиматор», 1989г.

11. Авт. Свид. СССР № 1578472, Авт. изобрет. Тарасов В.В. и др. «Лазерный нивелир», 1990г.

12. Крылов АН., Илюхин В.А., Тарасов В В., Шерешев А.Б., Кур В.Р. Методика расчета градуировочной характеристики бесконтактного измерителя продольных смещений-B сб.: Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе. Ч. П. Тезисы докладов к Всесоюзному совещанию, Барнаул, 1981, 0.68-70.

13. Тарасов В.В. Анализ влияния параметров измеряемых объектов на формирование выходных информационных сигналов систем контроля. - В межвуз. сб. : Измерения и автоматизация производственных процессов. АПИ, Барнаул, 1983, с. 49-52.

14. Тарасов В.В. Влияние дефокусировки, вносимой сканирующим элементом, на метрологические характеристики системы контроля геометрических параметров. - В сб.: Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления» (Датчик-98)./ Под редакцией В Н. Азарова. М.:МГИЭМ, 1998, с. 525-526,

том 1.

15. Тарасов .В.В. Выбор принципиальной схемы оптико-электронной системы для контроля геометрических параметров объектов. - В сб.: Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. Под редакцией В.П. Савиных, В.В. Вишневского. М.: Академия наук о Земле, 1997, с. 157159.

16. Тарасов В.В. Потенциальная точность лазерного сканирующего метода контроля геометрических параметров непрозрачных объектов.-В сб.: 3 международной конференции «Распознавание-97»/Под редакцией B.C. Титова,

Т.А. Ширабакиной. Курск.: Курский государственный технический

университет, 1997, с. 181-186

17. Тарасов В.В., Бурмистров Ю.Н. Датчики для контроля параметров технологических процессов. В сб.: Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления» (Датчик-98)./Под редакцией В.Н. Азарова. М.: МГИЭМ, 1998, с. 145-147, том 1.

18. Тарасов В В., Володин С. А. Метод контроля геометрических параметров объектов сложной формы. В сб.: Робототехника и автоматизация производственных процессов. Тезисы докладов к Всесоюзной конференции. Ч. IV. Барнаул, 1983, с. 8-9.

19. Тарасов В.В., Грозов В.В. Исследование лазерного сканирующего устройства для размерного контроля объектов. Там же, 4.V, с. 89-90.

20. Тарасов В В., Егоров С.Н., Шистко А.П. Новый метод динамической автокалибровки и его реализация в сканирующем лазерном измерителе диаметров - СЛИД. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №5, с. 128-135.

21. Тарасов В.В., Жилкин AM., Михалев В.А. Метод повышения точности контроля диаметра стекловолокна. В сб. : Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе. Тезисы докладов к Всесоюзному совещанию. Ч. П, Барнаул, 1984 , с. 197.

22. Тарасов В.В, Жилкин А.М., Лысов А.Б., Шерешев А.Б., Запрягаева Л.А., Свешникова И.О. Методика расчета оптических систем с применением вариансов. Известия вузов. Приборостроение, 1984, № 8, с. 80-85.

23. Тарасов В.В., Илюхин В.А., Шерешев А.Б., Воронин АС. Методика расчета радиуса пучка лазерного излучения. В сб. : Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе. Тезисы докладов к Всесоюзному совещанию. Ч. П. Барнаул, 1981, с. 74-75.

24. Тарасов В.В., Шистко АП. К вопросу о проектировании встроенных микропроцессорных систем. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №4, с. 114-123.

Объем 2,0 печ.л.

Тираж 200 экз.

Ротапринт ГосЦНИИ «Циклон» 107497 Москва, Щелковское шоссе, 77

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Оптические методы контроля геометрических параметров изделий массового производства

1.1. Краткая классификация известных оптических методов контроля

1.2. Принципиальные особенности наиболее распространенных оптических методов контроля геометрических параметров и их сравнительный анализ

1.2.1. Фотограмметрические методы

1.2.2. Дифракционные методы

1.2.3. Растровые (муаровые) методы

1.2.4. Триангуляционные методы

1.2.5. Проекционные (теневые) методы

1.2.6. Сравнение различных методов.

Актуальность темы диссертации. Автоматизированный и автоматический контроль параметров изделий на всех стадиях современного производства давно и прочно занял главенствующее положение в секторе контрольно-измерительной техники. Основными факторами, сдерживающими еще большее его распространение, являются зачастую высокая стоимость требуемого оборудования, особенно высокоточного и работающего в сложных эксплуатационных условиях, недостаточная надежность и стабильность отдельных параметров и характеристик многих современных составляющих элементной базы контрольно-измерительных устройств, а иногда и ряд других факторов.

Среди методов и средств автоматического и автоматизированного контроля одно из первых мест занимают оптические методы и средства, которые широко используются для контроля и измерения самых различных свойств, параметров и характеристик изделий машиностроения и приборостроения: топографии, цвета, химического состава их поверхностей; однородности прозрачных изделий; геометрических размеров и формы изделий; пространственного положения, скорости, ускорений, вибрации изделий и их отдельных частей и т.д.

Основными преимуществами оптических методов и средств являются, как известно, высокая скорость измерений, бесконтактность (дистанционность), высокое пространственное разрешение, разнообразие форм взаимодействия оптического излучения с изделиями (поглощение, отражение, дифракция, преломление, поляризация и др.), возможность вести многомерные измерения в реальном масштабе времени. Эти методы и средства обеспечивают большую достоверность информации о размерах и форме контролируемого изделия и взаимном расположении отдельных его элементов, нежели широко распространенные сегодня в робототехнике телевизионные датчики. Получаемые с их помощью сигналы гораздо меньше зависят от условий освещения, степени загрязненности наблюдаемых объектов, качества обработки или чистоты поверхностей этих объектов, чем это имеет место в телевизионных датчиках. Динамический диапазон этих сигналов, а следовательно, и контролируемых размеров и форм, также гораздо больше, чем в системах, где полезная информация извлекается из амплитуды сигнала (освещенности изображения). При этом проще организуется и вторичная обработка этих сигналов.

Высокое пространственное разрешение позволяет обеспечить при использовании оптических методов и средств принципиально более высокую точность, нежели при использовании радиоэлектронной (радиотехнической) аппаратуры. Однако при оценке возможностей оптических методов контроля и измерений приходится считаться с рядом факторов, снижающих эту точность. Например, при контроле малых линейных размеров к числу этих факторов относятся в первую очередь:

• возможные изменения геометро-оптической схемы измерений (расфокусировки, несоосности, децентрировки и т.п.);

• вредное влияние внешних условий (изменений температуры, вибрации и т.п.);

• неопределенность или трудность определения краев изделия, т.е. положения точек пограничных кривых, фиксирующих эти края;

• изменение параметров контролируемых изделий (размеров, материала, характера поверхности и т.п.);

• принципиально неустранимые или остаточные шумы отдельных звеньев измерительной аппаратуры, а также конструктивно-технологические (инструментальные) погрешности, снижающие разрешающую способность аппаратуры.

Влияние некоторых из этих факторов может быть ослаблено при многократных измерениях и соответствующей статистической обработке их результатов. Другие, например из-за вариаций профиля контролируемых изделий, статистической обработкой не устраняются.

Дальнейшее распространение оптических методов, а также средств контроля и измерений сталкивается с рядом трудностей общего и частного характера. Во-первых, отсутствует обобщенная методика расчета основных параметров этих средств контроля, необходимая для инженерного проектирования новых систем, т.е. для решения часто возникающих новых производственных задач. Во-вторых, наблюдаемая тенденция к повышению точности измерений геометрических параметров изделий массового производства требует определения рациональных путей борьбы с влиянием перечисленных выше факторов, снижающих эту точность. Это определение должно базироваться на тщательном анализе источников основных погрешностей контроля и измерений и исследовании разнообразных способов учета ослабления их влияния на результаты измерений.

Настоящая диссертация посвящена обобщению большого накопленного к настоящему времени опыта разработки и исследования оптических средств и методов контроля геометрических параметров изделий массового производства и созданию достаточно общих методов расчета и выбора основных параметров таких средств, обеспечивающих прежде всего высокую точность измерений. Учитывая большую перспективность лазерных сканирующих систем контроля, что более подробно будет рассмотрено ниже, основное внимание при проведении диссертационных исследований уделялось именно этим системам.

С учетом всего сказанного выше основной целью диссертации является разработка методов проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, а также исследования этих систем для выявления наиболее рациональных путей повышения точности измерений. В рамках решения этой важной народнохозяйственной проблемы основными задачами диссертационных исследований являлись:

• выявление методов высокоточных измерений геометрических параметров изделий массового производства, наиболее рациональных для использования их в современной практике с учетом состояния существующей элементной базы;

• определение путей повышения точности измерений, учитывающих специфику лазерных сканирующих систем;

• разработка инженерных методик расчета основных конструктивных параметров важнейших узлов лазерных измерительных устройств - оптической системы и сканатора;

• создание обобщенной методики расчета и проектирования лазерных сканирующих систем, предназначенных для проведения указанных выше измерений;

• апробация этой методики в процессе разработки новых систем и их эксплуатации.

Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, полученные лично автором:

1. Получены аналитические зависимости, описывающие информационный сигнал на выходе первичного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, и позволяющие провести точностный анализ процесса измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий.

2. Впервые обращено внимание на существование одной из важнейших составляющих общей погрешности измерения размеров объемных изделий, зависящей от конфигурации и отражающих свойств поверхности изделия. Получены формулы для оценки этой составляющей. Предложен способ компенсации ее влияния на точность измерений.

3. Показано, что искажения энергетического профиля лазерного сканирующего пучка при выборе оптической схемы телецентрического сканирования и двойного дифференцирования как способа обработки информационного сигнала не сказываются на общей точности измерений.

4. Для исключения или ослабления влияния на точность измерений непостоянства скорости перемещения лазерного сканирующего пучка по измерительному пространству предложено оригинальное схемотехническое решение.

5. Предложено использовать взаимную компенсацию остаточной сферической аберрации объектива сканирующей системы и дефокусировки, вносимой сканатором, что заметно ослабляет влияние последней на точность измерений.

6. Получены формулы, позволяющие рассчитать один из важнейших исходных параметров для проектирования лазерной сканирующей системы - диаметр лазерного пучка в плоскости измерений.

7. Предложена методика расчета оптических одно- и двухкомпонентных оптических систем лазерных сканирующих устройств с использованием вариансов. Для трехкомпонентных систем сформулирована методика их габаритного расчета с использованием конфокального параметра.

8. Предложена методика расчета основных параметров вращающихся оптико-механических сканаторов - зеркал и призм.

9. Разработана обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий для проекционного (теневого) метода измерений.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана пригодная для проектирования широкого класса лазерных измерительных сканирующих систем инженерная методика расчета и выбора их основных звеньев, т.е. их важнейших конструктивных параметров.

2. Проведено сравнение различных оптических и оптико-электронных методов контроля геометрических параметров изделий с учетом специфики массового производства и современного состояния элементной базы.

3. Дана сравнительная характеристика разнообразных современных сканирующих устройств, позволяющая оценить их возможности с точки зрения использования их в лазерных сканирующих системах.

4. Получены аналитические и графические зависимости, пользуясь которыми можно оценить величину погрешности измерений размеров из-за влияния конфигурации и отражающих свойств поверхности объемных (не плоских) изделий. Предложен способ компенсации этой погрешности, позволяющий вести измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий практически с одинаковой точностью.

5. По предложенной методике рассчитан объектив, позволяющий исключить влияние непостоянства скорости сканирования лазерным пучком измерительного пространства на общую погрешность измерений.

6. Предложен алгоритм обработки информационного сигнала, позволяющий исключить или заметно ослабить влияние непостоянства скорости сканирования и дефокусировки на точность измерений.

7. Получены формулы для расчета диаметра лазерного пучка в плоскости сканирования - основного исходного параметра для проектирования оптической системы лазерного сканирующего устройства. Разработана метод и устройство для экспериментального определения этого диаметра.

8. Предложены способы определения погрешности измерений, возникающей из-за несовпадения траектории сканирования с направлением, по которому измеряется размер контролируемого изделия.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется: проверкой предлагаемых методов и методик проектирования лазерных сканирующих систем при разработке ряда систем контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроения; сравнением результатов аналитических расчетов точности измерений разработанных систем и результатов их экспериментальных исследований; сопоставлением результатов аналитических расчетов (по предложенным в диссертации методикам) точностных характеристик известных по литературе и техническим описаниям зарубежных систем аналогичного назначения и данных этих систем, содержащихся в указанных источниках; хорошим совпадением результатов физического моделирования основных узлов лазерных сканирующих систем, работающих проекционным (теневым) методом, с результатами их машинного моделирования (на ЭВМ) по алгоритмам и формулам, предложенным в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах, среди которых:

Международный форум по проблемам науки, техники, образования (Москва, 1997г.),

Третья международная конференция «Распознавание-97» (Курск, 1997 г.),

Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления (Датчики-98)» (Гурзуф, 1998 г.),

Всесоюзное совещание «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе» (Барнаул, 1981 г.),

Межвузовская всесоюзная конференция «Измерения и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983 и 1984 гг.), а также публиковались в ряде научно-технических изданий (см. ниже).

Апробация основного научно-практического результата диссертационной работы, а именно, предложенной методики инженерного расчета и проектирования высокоточных лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства при разработке и внедрении в промышленность ряда лазерных сканирующих устройств, подтвердила ее рациональность и эффективность.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Из всего многообразия оптико-электронных методов контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроения для условий крупносерийного и массового производства в настоящее время наиболее предпочтительными являются проекционный (теневой) и триангуляционный методы.

2. Полученные зависимости, описывающие информационный сигнал на выходе первичного измерительного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, позволяют оценить потенциальную точность измерений, производимых с помощью такой системы.

3. Результаты анализа отдельных составляющих общей погрешности измерений подтверждают целесообразность использования способа двойного дифференцирования информационного сигнала. При использовании оптической схемы с телецентрическим ходом лучей такая обработки сигнала исключает погрешность из-за дефокусировки, а также погрешность из-за искажения энергетического профиля сканирующего лазерного пучка.

4. Один из важнейших параметров, исходных для проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий, а именно, диаметр лазерного пучка в плоскости контролируемого размера может быть рассчитан из условий оптимального согласования параметров оптико-механического и электронного блока и заданной точности измерений по методике, предложенной в диссертации.

5. Методики габаритного расчета одно-, двух- и трехкомпонентных оптических систем, формирующих лазерный сканирующий пучок, позволяют установить требования к основным элементам лазерных сканирующих систем - лазеру, телескопической или квазителескопической коллимирующей оптической системе, формирующей системе и сканирующему устройству.

6. Разработанная методика коррекции объектива устройства телецентрического сканирования позволяет рассчитать оптическую систему, в которой сферическая аберрация и дефокусировка, вносимая сканатором, взаимно компенсированы.

7. Предложенный способ компенсации вредного влияния отраженной от поверхности контролируемого изделия составляющей сканирующего лазерного пучка позволяет