автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей

Введение.

1. Факторы, влияющие на погрешность измерения бесконтактными триангуляционными системами.

1.1. Вводные замечания.

1.2. Конструктивные параметры триангуляционных измерителей, влияющие на погрешность измерения.

1.2.1. Структурная схема триангуляционного измерителя.

1.2.2. Обоснование величины угла триангуляции.

1.2.3. Значение рабочего расстояния и диапазона измерения

1.2.4. Влияние плоскости и базиса триангуляции.

1.2.5. Ошибки оптико - электронной приемной системы.

1.3. Влияние параметров источников и структуры излучения.

1.3.1. Типы источников излучения.

1.3.2. Влияние размера и структуры зондирующего лазерного пятна.

1.3.3. Принципиальные факторы, ограничивающие предельно достижимую точность триангуляционных систем.

1.4. Параметры оптической системы переноса изображения пятна в активную область фотоприемника.

1.4.1. Параметры оптической системы.

1.4.2. Типы и параметры приемников.

1.5. Влияние формы, геометрии, микротопологии поверхностей измеряемых деталей.

1.6. Влияние шумов при считывании сигналов.

1.7. Выводы.

2. Оценка влияния на погрешность измерения параметров и характеристик триангуляторов.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Исследование характеристик диффузного отражения лазерного луча от стальных эталонных образцов шероховатостей типовых поверхностей при различных видах механической обработки.

2.2.1. Цель экспериментальных исследований.

2.2.2. Объект, оборудование и приборы для проведения исследований.

2.2.3. Исследование диффузного отражения зондирующего пятна различных размеров.

2.3. Оценка геометрического смещения энергетического центра пятна изображении

2.4. Точность оценки энергетического центра пятна в зависимости от порога и времени экспозиции

2.5. Снижение уровня помех при оптическом переносе зондирующего пятна в плоскость активной области фотоприемника.

2.6. Методические положения по обеспечению соответствия структур изображения и объекта

2.7. Математическая модель триангуляционного измерителя, позволяющая определить его конструктивные параметры, соответствующие минимальной погрешности измерения.

2.8. Выводы.

3. Принципы проектирования бесконтактных триангуляционных измерительных систем.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Организационная структура измерительной системы для типовых деталей машиностроения.

3.3. О влиянии степени точности изготовления конструкции триангуляционных измерителей на погрешность измерения.

3.4. Обоснование выбора параметров приемной оптической системы

3.5. Общая методика обработки сигналов при считывании информации с ПЗС приемника.

3.5.1. Структурная схема обработки сигнала

3.5.2. Повышение точности измерений путем ограничения помех.

3.5.3 Влияние фильтрации сигнала на точность измерений.

3.6. Программное и математическое обеспечение работы триангуляционных измерительных систем.

3.6.1. Программный комплекс лазерной электронной триангуляционной измерительной системы.

3.6.2. Математическое обеспечение обработки результатов измерения поверхностей деталей.

3.7. Метод обеспечения параметров точности измерения различных деталей.

3.8. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем.

3.9. Выводы.

4. Практические аспекты использования результатов исследований при внедрении разработок в производство.

4.1. Вводные замечания.

4.2. Общие характерные признаки лазерных триангуляционных измерительных систем и особенности конструктивных решений основных подсистем их составляющих.

4.3. Триангуляционная система измерения параметров колесных пар «Профиль».

4.4. Триангуляционная система измерения параметров колесных пар на ходу поезда «Экспресс-Колесо».

4.5. Триангуляционная система измерения параметров пружин.

4.6. Триангуляционная система измерения геометрических параметров тележек грузовых вагонов «Спрут-М»

4.7. Триангуляционная система измерения параметров автосцепок

Кит».

4.8. Триангуляционная система измерения геометрических параметров тормозного башмака «Скан-1»

4.9. Триангуляционная система измерения геометрических параметров фрикционных клиньев «Клин-М».

4.10. Выводы

Актуальность темы. Показатели качества изделий в машиностроении и машиноремонтировании тесно связаны с применяемыми методами и средствами размерного контроля. Используемые в настоящее время на большинстве предприятий ручные контактные средства измерения геометрических размеров деталей не обеспечивают требуемую точность и оперативность измерений, повышают удельный вес ручного труда. Как следствие, возникает необходимость перехода на более эффективные и точные бесконтактные средства измерений.

Перспективными и получающими все большее распространение бесконтактными средствами размерного контроля являются лазерные триангуляционные измерители, обеспечивающие на расстоянии 30 - 600 мм погрешность измерения 10 - 500 мкм. Монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность лазерного излучения, делают указанные устройства идеальным инструментом размерного контроля. Основные преимущества лазерных триангуляционных измерителей -бесконтактность, высокая точность и быстродействие, возможность зондирования поверхности объекта лазерным излучением, структурированным как в пятно, так и в линию и получение информации о трехмерном профиле измеряемой детали в реальном масштабе времени, возможность контроля любых сред и измерения параметров объектов в динамике, простота реализации, компактность, невысокая стоимость.

Использование лазерных триангуляционных измерителей позволяет исключить из процесса измерения субъективный фактор, что важно при контроле ответственных деталей, рабочие параметры которых в большой мере влияют на безопасность работы различных машин и оборудования, в частности, железнодорожных вагонов, самолетов, автомобилей, тракторов и др.

Значительный вклад в разработку лазерных триангуляционных измерителей внесли К.И. Крылов, С.В. Плотников, G. Haussler, Е. Trucco, К. Harding, D. Svetkoff, М. Rioux и др. [1 .20].

Однако темпы развития и внедрения лазерных триангуляционных измерителей в производство сдерживаются рядом причин, главной из которых является отсутствие научно - методической базы, обеспечивающей создание высокоточных измерителей. В настоящее время практически отсутствует как методология обоснования рабочих параметров лазерных триангуляционных систем, так и технологические рекомендации по их использованию применительно к измерениям различных типов деталей, а положения и рекомендации по обработке сигналов, настройке, тарировке и юстировке триангуляционных измерителей носят достаточно противоречивый и спорный характер. Фактическая погрешность измерений большинства лазерных триангуляционных измерителей существенно отличается от паспортных значений.

Детали машиностроения характеризуются большим разнообразием формы и топологии поверхностей. При создании бесконтактных лазерных измерительных систем важно обеспечить получение с требуемой точностью информации о поверхности, форме и размерах деталей, что представляет сложную научно - техническую задачу. В первую очередь, необходимо обосновать истинную картину диффузного отражения лазерного излучения от различных поверхностей деталей, разработать методологию приема отраженного излучения, обработки сигналов, считываемых с приемника, с обоснованием алгоритмов математического и программного обеспечения.

Замена ручных контактных средств размерного контроля автоматизированными бесконтактными триангуляционными измерителями позволит полностью исключить субъективный фактор. Поэтому научные исследования, целью которых является разработка методики проектирования и разработка лазерных электронных триангуляционных измерительных систем с высокой точностью измерения, являются в настоящее время актуальными.

Цель работы заключается в разработке методики проектирования высокоточных лазерных электронных триангуляционных измерительных систем для промышленного размерного контроля формы изношенных деталей на основе исследований основных факторов, влияющих на погрешность измерения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить взаимосвязь конструктивных параметров триангуляционных измерителей и их влияния на погрешность измерения;

- оценить влияние шероховатости поверхностей на параметры диффузного отражения и связанные с ними оптические помехи, искажающие сигнал на приемнике;

- определить параметры оптической системы переноса изображения зондирующего пятна в активную область фотоприемника;

- оценить влияние формы, размерных характеристик и микротопологии поверхностей измеряемых деталей;

- оценить влияние шумов от оптических помех при считывании сигналов и разработка комплексного метода с целью их устранения для снижения погрешности измерения.

Методы исследований. В работе использовались методы теоретико -множественного и эвристического подходов, математической статистики, спектрального и функционального анализа. Данные теоретические методы сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования и физического эксперимента.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Разработаны теоретические и практические основы проектирования триангуляционных измерительных систем при рабочих расстояниях 30-600 мм, в том числе метод обеспечения заданной точности измерения параметров различных деталей.

2. Установлены взаимные связи основных параметров триангуляционных измерителей и определено их влияние на погрешность измерения.

3. Установлены закономерности влияния топологии и микротопологии типовых поверхностей различного класса чистоты механической обработки на их свойства диффузного отражения.

4. Разработана методика определения размеров зондирующего пятна и масштаба его переноса в активную область фотоприемника.

5. Предложен комплексный метод обработки сигналов и алгоритм его реализации, включающий ограничение помех, фильтрацию и определение центроиды пятна изображения.

На основе разработанных методических материалов созданы действующие лазерные электронные триангуляционные системы, проведена их апробация и осуществлено внедрение в производство.

Новизна технических решений по созданию триангуляционных измерительных систем подтверждается патентами № № 2262660 от 20.10.2005 г., 2270979 от 27.02.2006 г., 18850 от 20.07.2001 г., 18851 от 20.07.2001 г, 30970 от 10.07.2003 г., 32874 от 27.09.2003 г., 33814 от 10.11. 2003 г., 35435 от 10.01.2004 г., 36508 от 10.03.2004 г., 37550 от 27.04.2004 г., 37555 от 27.04.2004 г., 43357 от 10.01.2005 г., 43360 от 10.01.2005 г., 45520 от 10.05.2005 г, 50650 от 20.01.2006 г., 50651 от 20.01.2006 г.

Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили определить типовые схемы триангуляционных измерителей для различных групп деталей, объединенных по общим конструктивным признакам, и разработать методику проектирования триангуляционных измерительных систем. В настоящее время внедрены в производство ООО «АГРОЭЛ» следующие лазерные электронные триангуляционные измерительные системы для измерения различного типа деталей различной формы, составляющих ходовую тележку грузовых вагонов, что подтверждается соответствующими актами:

-триангуляционная система измерения параметров колесных пар «Профиль»; триангуляционная система измерения параметров колесных пар на ходу поезда «Экспресс-Колесо»; триангуляционные системы измерения параметров пружин «Лазер-М» и «Стрела-М»; триангуляционная система измерения геометрических параметров тележек грузовых вагонов «Спрут-М»; триангуляционная система измерения параметров автосцепок «Кит»; триангуляционная система измерения геометрических параметров тормозного башмака «Скан-1»; триангуляционная система измерения геометрических параметров фрикционных клиньев «Клин-М».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем, обеспечивающая с точностью 50-500 мкм измерение параметров деталей сложной формы и движущихся объектов.

2. Математическая модель триангуляционного измерителя, позволяющая определить его конструктивные параметры, соответствующие минимальной погрешности измерения.

3. Комплексный метод обработки сигнала и алгоритм его реализации, включающий адаптивное ограничение помех, фильтрацию и определение центра пятна изображения, позволяющий повысить точность измерений на (25-40) %.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, среди которых: международная конференция «Неразрушающий контроль и компьютерное моделирование в науке и технике» (Санкт-Петербург, 1999 г.), отраслевая конференция «Лазеры, измерения, информация» Санкт-Петербург, 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г.), конференция «Лазеры для медицины, биологии и экологии « (Санкт - Петербург, 2001 г., 2002 г.), Первый международный Радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, 2002 г.), семинар «Неразрушающий контроль и безопасность на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2004 г.), Второй международный

Радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, 2005 г.), Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий» (Владимир, 2005 г.), 14-я международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, из них 33 статьи, 15 тезисов докладов на конференциях, 16 патентов, 3 свидетельства о регистрации программ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 147 наименований и 11 приложений. Диссертация содержит 172 стр., в том числе основного текста 137 стр., 8 таблиц и 69 рисунков.

4.10. Выводы

Современные требования к практике машиностроительного и ремонтно-обслуживающего производства, а также требования безопасности движения железнодорожных составов обусловили необходимость обеспечения качественного контроля параметров ответственных деталей вагонов без субъективного влияния на его результаты со стороны рабочего.

Это обстоятельство выдвинуло на передний план задачи создания бесконтактных автоматизированных триангуляционных измерительных систем. Практическое решение этих задач было осложнено отсутствием методических материалов и поиском путей успешной их реализации для контроля деталей грузовых и пассажирских вагонов железнодорожного транспорта ОАО «РЖД».

Пятилетний опыт создания и успешного внедрения на ремонтных заводах и депо восьми наименований бесконтактных лазерных электронных триангуляционных измерительных систем позволил получить экономический эффект в сумме 190 537 тыс. рублей. В ходе выполнения этих сложных работ возникали научно - технические вопросы, поиск решения которых создавал методическую основу для дальнейшего развития практики их создания и вытекающей из нее тематической направленности. Обобщение опыта создания таких систем и параллельное проведение необходимых исследований позволили разработать и обосновать методику их проектирования.

Рассмотренные выше лазерные электронные триангуляционные измерительные системы, внедренные в вагонных и локомотивных депо и на ремонтных заводах ОАО «РЖД» обеспечили:

- экономический эффект от повышения производительности труда, предотвращения брака в технологии ремонта подвижного состава и, как следствие, предотвращения аварийности и предупреждения непроизводительных расходов и потерь и материальных издержек;

- социальный эффект, исключающий ручной труд низкой квалификации рабочего и предполагающий труд технического специалиста;

- качественный эффект, который существенно повысил качество выполняемых работ и исключил субъективный фактор при контрольных операциях в ходе ремонта.

Повышение производительности труда и качества контроля за счет внедрения бесконтактных триангуляционных измерительных систем обеспечивает соответствующее снижение годового объема ремонтных работ, приводит к высвобождению резерва мощностей, и, как следствие - к возможности увеличения объемов работ последующих периодов, повышения пропускной способности депо и снижения простоев вагонов, ожидающих ремонта.

156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в диссертации теоретические исследования, подтвержденные экспериментом, по:

- геометрическому смещению энергетического центра в изображении зондирующего пятна в зависимости от порога и времени экспозиции; взаимосвязи конструктивных параметров триангуляционного измерителя и их влиянии на погрешность измерения;

- свойствам диффузного отражения поверхностей на примере стандартных эталонных металлических образцов шероховатости различных классов чистоты механической обработки;

- отражению зондирующего пятна различного размера, попадающего на приемник;

- анализу шумов при регистрации отраженного излучения на приемнике;

- алгоритму фильтрации помех, оптимальности выбора порога, уточнения расчета центроиды и разработке комплексного метода обработки сигналов, обеспечивающего повышение точности измерений; зависимости погрешности измерения дальности от размера зондирующего пятна и шероховатости поверхности;

- снижению помех при оптимальном переносе зондирующего пятна в плоскость активной части приемника методом апертурных диафрагм;

- определению зависимости интенсивности распределения яркости пятна изображения на приемнике, установленном под различными углами Шеймпфлуга;

- обеспечению соответствия структуры объекта структуре изображения; разработке общей методики и принципов проектирования триангуляционных измерительных систем, в целом представляют собой решение важной научно - технической задачи, имеющей больше прикладное значение в связи с востребованностью производством бесконтактных измерительных средств и необходимости опережающей разработки технической документации для их производства.

Создание и внедрение по этой методике восьми лазерных электронных триангуляционных измерительных систем в ОАО «Российские железные дороги» позволило получить экономический эффект более 190 млн. руб.

В диссертационной работе решена проблема разработки на основе экспериментальных и теоретических исследований методики проектирования бесконтактных триангуляционных измерительных систем для промышленного размеренного контроля формы изношенных деталей в интересах повышения уровня безопасности движения железнодорожных составов, технического уровня работ и снижения издержек производства. Показана возможность контроля с помощью бесконтактных триангуляционных систем деталей и узлов со сложным пространственным профилем, в том числе в динамике.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Установлены закономерности влияния топологии и микротопологии типовых поверхностей различного класса чистоты механической обработки на свойства диффузного отражения.

2. Разработан способ апертурных диафрагм, позволяющий исключить влияние оптических помех в пятне изображения и повысить точность измерения.

3. Разработана математическая модель триангуляционного измерителя, позволяющая определить его конструктивные параметры, соответствующие минимальной погрешности измерения.

4. Обоснованы типовые функции организационных структур триангуляционных измерительных систем и их системных составляющих.

5. Разработаны типовые схемы триангуляционных измерителей для различных групп деталей, объединенных по общим конструктивным признакам.

6. Обоснован метод выбора углов наклона фотоприемника при использовании плоского зондирующего лазерного луча.

7. Разработан комплексный метод обработки сигнала и алгоритм его реализации, включающий адаптивное ограничение помех, фильтрацию сигнала и определение центра пятна изображения, позволяющий повысить точность измерений на (25-40) %.

8. Предложен метод обеспечения заданной точности измерения параметров различных деталей триангуляционными измерительными системами.

9. Разработана методика проектирования триангуляционных измерительных систем.

10. Разработаны, изготовлены и внедрены в производство восемь наименований 118 единиц лазерных электронных триангуляционных измерительных систем в филиалах ОАО «Российские железные дороги» Московской, Октябрьской, Приволжской, Куйбышевской, Западно -Сибирской, Горьковской, Красноярской железных дорог, на Владикавказском вагоноремонтном заводе им С.М. Кирова и Московском заводе по модернизации и строительству вагонов им. Войтовича, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

1. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение, - 1978. - 336 с.

2. С.В.Плотников. Разработка и исследование лазерных триангуляционных приборов для промышленного размерного контроля. Диссертация на соискание ученой степени канд. тех. наук. Новосибирск, 2000 г, 190 с.

3. С.В. Михляев. Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности // Автометрия. 2001. - № 1. С. 67 - 74.

4. С.С. Волосов и др. Активный контроль размеров. М.: Машиностроение, 1984; 223 с.

5. R.G.Dorsch, G. Hausler, J.M.Herrmann. Laser triangulation: fundamental uncertainty in distance measurement. Appl. Optics. Vol. 33, N 7, pp. 1306 1314. -1994.

6. G. Bickel, G. Hausler, M. Maul. Triangulation with expanded range of depth. Optical Engineering, 24 ( 6 ), 975-977, 1985.

7. G. Hausler. About the scaling behavior of optical range sensors. Proc. of the 3r Int. Workshop on Automatic processing of Fringe Patterns, Bremen, September 15-17, 1997, pp. 147- 155.

8. G. Hausler et al. New range sensors at the physical limit of measuring uncertainty. Proc. Of the Topical Meeting on Optoelectronics Distance Measurements and Applications, Nantes, July, 8-10,1997.

9. M.-C. Amman, M. Rioux et al. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. Optical Engineering, Vol. 40, No. 1, pp. 10-19.

10. М. Rioux and R. Baribeau. Centroid fluctuations of speckled targets. Applied Optics. Vol. 30, N 26, pp. 3752- 3755.-1991.

11. J. Clark and E. Trucco. Polarization-based peak detection in laser triangulation range sensors. Proceedings of SPIE, Vol. 2599, pp. 81-92.

12. J. Clark, E. Trucco, H.F. Cheng. Improving laser triangulation sensors using polarization. Proc. IEEE Intern. Conference on Computer Vision ICCV95, Cambridge (MA), 1995, pp. 981 986.

13. H.Clark, E. Trucco , L.B.Wolff. Using light polarization in laser scanning. Image Vision Comput. 15(2), pp. 107-117, 1997.

14. Trucco and R.B.Fisher. Acquisition of consistent range data using local calibration. Proc. IEEE Int. Conf. Rob. Autom. 1994, pp. 3410 3415.

15. B.T.Kilgus, D. Svetkoff. Imaging geometry and error sensitivity in triangulation based optical receivers. Proceedings of SPIE, Vol. 2599, pp. 106-119.

16. K. Harding, D. Svetkoff. 3D laser measurement on scattering and translucent surfaces. Proceedings of SPIE, Vol. 2599, pp. 217-227.

17. D.Svetkoff and D. Kilgus. Influence of object surface structure on the accuracy of 3D systems for metrology. Proceedings of SPIE. Vol. 1614, 1991.

18. D. Svetkoff, T.G.Xydis, D. Kilgus. Noise statistics of ratiometric signal processing systems. Proceedings of SPIE. Vol. 1385. 1990.21. www.sitek.se.

19. А.З.Венедиктов. Лазерный триангуляционный измеритель для установки обмера геометрических параметров протеза // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, № 7,2004.С. 50-52.

20. J.E.Romanie, E.I.Chaleff. Object Dimensioning Using Scanned Laser and Linear CCD Triangulation. Proc of SPIE, Vol. 3131, pp. 232- 240.

21. Патент № 5905567 США. МКИ GO 1С 3/00. Method and apparatus for optimizing sub-pixel resolution in a triangulation based distance measuring device / B. Dewan.-1999.

22. Патент № 4575237 США. МКИ G01C 3/00. Distance measuring device / K. Suzuki.-1986.

23. G.L.Oomen and W.J.P.A.Verbeek. A real-time optical profile sensor for robot arc welding. Proceedings of SPIE, Vol. 449, pp. 62 71.

24. Патент № 6784441 США. МКИ G01N 21/64. Handsensor for authenticity identification of signets on documents / B. Ahlers et al.- 2004.39. www.mti-instruments.com.40. www.intecu.de41. www.dynavision.com42. www.vieweng.com.

25. B.F. Alexander, K.C.Hg. Elimination of systematic error in subpixel accuracy centroid estimation. Optical Engineering, Vol. 30, N 9, 1991,pp. 1320- 1331.

26. R.L. Cook and K.E.Torrance. A reflectance model for computer graphics. ACM Trans, on graphics. Vol. 1, No. 1, pp. 7-24, 1982.

27. Патент № 4643578 США. МКИ G01B11/24. Arrangement for scanned 3D measurement / H. Stern.-1987.

28. Патент № 4553844 США. МКИ GO IB 11/24. Configuration detecting method and system / Y. Nakagawa etal-1985.

29. Франсон M. Оптика спеклов. M.: Наука, 1980. 171 с.

30. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1985. 527 с.

31. С. С. Ульянов. Что такое спеклы. Соросовский образовательный журнал, №5, 1999.С.112-116.

32. D. Gabor. Laser speckle and its elimination. IBM Journal Research and Development. September 1970, pp. 509 514.

33. Hamano et al. Development of deep range and high resolution laser 3D measurement system. Proceedings of SPIE, Vol. 4902, pp. 60-67.

34. Ji-Tao Li et al. Computer simulation study of distance uncertainty in laser triangulation. Proceedings of SPIE, Vol. 2866, pp. 520 523.с

35. H. Fujii et al. Computer simulation study of image speckle patterns with relation to object surface profile. Journal Opt. Soc. Am. Vol. 66, No. 11, pp. 1222 -1236,1976.

36. Патент № 5870191 США. МКИ G01B 9/02. Apparatus and methods for surface contour measurement / Shirley.-1999.

37. Патент № 6031612 США. МКИ G01B 11/24. Apparatus and methods for surface contour measurement / Shirley.-2000.

38. H.M. Pedersen. On the contrast of polychromatic speckle patterns and its dependence on surface roughness. Opt. Acta. 22, pp. 15 24.- 1975.

39. С. Топорец. Оптика шероховатой поверхности,- JI.: Машиностроение,! 988- 191 с.

40. G. Hausler. Three-dimensional sensors potentials and applications. Handbook of Computer Vision and Applications, Vol. 1, pp. 485-506, 1999.

41. В.Плотников и др. Оценка конкурентоспособности лазерных триангуляционных измерителей расстояний. Датчики и системы. № 6, 2001 г., С.46-49.

42. A.Z. Venediktov, V.N.Demkin, D.S. Dokov. Choice of optimum modes of laser triangulation meter at control of surface form. Proceedings of SPIE, Vol. 5381, pp. 103- 109.

43. Kyung-Chan Kim et al. Accuracy enhancement of point triangulation probes for linear displacement measurement. Proc. of SPIE, Vol. 3945, pp. 88 95.

44. F. Blais, M. Lecavalier, J. Bisson. Real-time processing and validation of optical ranging in a cluttered environment, 1С SPAT, Boston, MA, pp. 1066-1070, 1996.

45. A.3. Венедиктов, В.Г. Андреев, О.В.Пальчик. Адаптивная калибровка систем промышленного зрения // Материалы третьей междисциплинарной конференции с международным участием ( «НБИТТ-21» ). Петрозаводск, 21 -23 июня 2004 г., С.59

46. А.З.Венедиктов, В.Г.Андреев, О.В.Пальчик, В.Н. Тирешкин / Двухпараметрическая калибровка лазерных триангуляционных измерителей. Рязан. гос. радиотех. академия,- Рязань, 2004- 14 с.:- 8 ил.- Библиогр.: 8 назв.- Рус.-Деп. в ВИМИ, 12.10.2004, № Д08975.

47. А.З. Венедиктов, О.В.Пальчик. Проблемы калибровки лазерных триангуляционных измерителей // В мире неразрушающего контроля. 2004, № 4.С. 62-63.

48. Патент № 37550 на полезную модель «Устройство для калибровки лазерных триангуляционных измерителей», МКИ GO 1В11/00, А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков. Заявл. 19.01.2004., Опубл. 27.04.2004, Бюл. 12.

49. А.З.Венедиктов, О.В.Пальчик, В.Н.Тирешкин. Многокритериальная процедура минимизации собственной засветки триангуляционных измерителей //Приборы. 2004, № 10.С. 39-41.

50. В.А. Кизель. Отражение света. М.: Наука, 1973 г. 352 с.

51. М.И. Эпштейн. Измерения оптического излучения в электронике. М.: Энергоатомиздат, 1990 г. 256 с.

52. Патент № 45520 на полезную модель «Лазерный триангуляционный измеритель» МКИ G01B 11/00, А.З. Венедиктов. Заявл. 27.12.2004, Опубл. 10.05.2005, Бюл.№ 13.

53. Проектирование оптических систем. Под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайанта. М.: Мир, 1983.432с.

54. Фотолитография и оптика. М.: Советское радио, 1974. 392 с.

55. Jentzch F. Der Greuzowiker der regularen Reflexion // Z. fur technische physik. 1926. Bd. 7. N 6. S. 310 312.

56. Патент № 18850 на полезную модель «Лазерный профилометр» / МКИ G01B21/00. / А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков, Заявл. 14.08.00, Опубл. 20.07.01., Бюл. 20.

57. Патент № 18851 на полезную модель «Лазерный дальномер» / МКИ G01C 3/00. / А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков, Заявл. 14.08.00, Опубл. 20.07.01., Бюл. 20.

58. Берталанфи Л. Общая теория систем критический обзор / Исследования по общей теории систем /Сборник переводов под ред. В.Н. Садовского, Э.Г. Юдина. -М.: Прогресс, 1969. С. 23-82.

59. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик, М.С. Горбылев. Анализ физических характеристик тел вращения // Мир измерения. 2005, № 7.С.15-18.

60. Патент № 2270979 на изобретение «Устройство для определения профиля внутренней поверхности объекта». МКИ G01B11/24. А.З. Венедиктов,

61. B.Н. Демкин, Д.С. Доков. Заявл. 11.07.2003, Опубл. 27.02.2006, Бюл. № 6.

62. Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах / Автометрия. 1995. - № 6.1. C. 58 63.

63. D.K.Naidu, R.D.Fischer. A comparative analysis of algorithms for determining the peak position of a stripe to subpixel accuracy. Proc. British Machine Vision Conf., Glasgow, 1991, pp. 217-225.

64. Shortis, M.R. Clarke, T.A., Short, T. 1994., A comparison of some techniques for the subpixel location of discrete target images, Videometrics III. SPIE Vol. 2350. Boston, pp. 239-250.

65. А.З.Венедиктов, В.Н. Тирешкин, О.В.Пальчик. Алгоритм вычисления центра тяжести оптимизированный под архитектуру микроконтроллеров IP2022 М.: ВНТИЦ, 2004.- № ГР50200401286

66. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик. Параметрическая оптимизация алгоритма оценивания положения одиночного видеоимпульса // Цифровая обработка сигналов и ее применения: Материалы докладов VII Международной конференции. Москва,2005-T.II.C.283-285.

67. Каппелини В., Константинис А. Дж., Эмилиани П., Цифровые фильтры и их применение, М. Энергоатомиздат, 1983, 360 с.

68. М. Becker. Signal Processing for Reduction of Speckle-Noise in Light-Stripe-Systems, SPIE Vol. 2598. pp. 191-199.

69. ГОСТ 19.001-77 ЕСПД. Общие положения

70. ГОСТ 19.001-77 ЕСПД. Виды программ и программных документов

71. ГОСТ 19.201-78 ЕСПД. Техническое задание. Требования к содержанию и оформлению

72. ГОСТ 19.502-78 ЕСПД. Описание применения. Требования к содержанию и оформлению.

73. ГОСТ 19.503-79 ЕСПД. Руководство системного программиста. Требования к содержанию и оформлению.

74. ГОСТ 19.701-90 ЕСПД. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения.

75. ГОСТ 19.781-90. Обеспечение систем обработки информации программное.

76. Венедиктов А.З., Пальчик О.В., М.С. Горбылев. Библиотека математических функций Cyclometry. М.: ВНТИЦ, 2005,-№ ГР50200500156

77. А. 3. Венедиктов, О.В. Пальчик, М. С. Горбылев. Восстановление изображения поверхности объектов методом наименьших квадратов // 2-ой Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника.

78. Состояние и перспективы развития» МРФ-2005. Сборник научных трудов. Том III.-Харьков, 2005.С. 301-302.

79. Е.П. Чураков. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987.256 с.

80. А.З. Венедиктов. Основные принципы построения оптико-электронных систем триангуляционных измерителей // Вестник РГРТА. Вып. 15,2004.С.45-51.

81. Венедиктов А.З. Исследование и разработка контрольно -измерительного и испытательного оборудования для ремонта грузовых вагонов на базе бесконтактных лазерных методов // Приборостроение и средства автоматизации. 2004. № 8. С. 66-72.

82. Венедиктов А.З., Демкин В.Н., Доков Д.С., Комаров А.В. Лазерный триангуляционный измеритель поверхности сложной формы // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тез. докл. РНТК. СПб: 2001. С. 43-44.

83. А.З. Венедиктов. Лазерный триангуляционный измеритель для установки обмера геометрических параметров протеза // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы-2004. Тезисы докладов конференции. Рязань, 2004.С.10-11.

84. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио, 1975. 248 с.1110 проекте Стратегической программы развития ОАО «РЖД». Доклад президента ОАО «РЖД» Г.М. Фадеева // Железнодорожный транспорт. 2004, № 7. С. 2-12.

85. А.З. Венедиктов, В.Н. Демкин, Д.С. Доков. Лазерные методы и средства контроля геометрии деталей // В мире неразрушающего контроля. 2004, № 1.С.67-68.

86. Патент № 36508 на полезную модель «Устройство для измерения параметров колесных пар», МКИ G01B11/24, А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков и др. Заявл. 31.10.2003., Опубл. 10.03.2004, Бюл. 7.

87. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик, Д.А. Власов. Опыт внедрения оптикоэлектронных измерительных средств на ремонтных предприятиях // Материалы заочных всероссийских научно-технических конференций, апрель 2005 г. Нижний Новгород, 2005.С.21-22.

88. А.З. Венедиктов. Измерять поможет лазер // Вагоны и вагонное хозяйство. 2005, № 4.С.38-42.

89. А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков и др. Анализ состояния колесных пар вагонов при движении состава // Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции 6-7 июня 2001 г. Санкт-Петербург, 2001.С. 38-39.

90. А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков, А. В. Комаров. Измерение размеров шейки оси колесной пары теневым лазерным методом // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции 2122 ноября 2001 г. Санкт- Петербург, 2001. С. 44.

91. Венедиктов А. 3., Демкин В. Н., Доков В. С. Измерение параметров колесных пар подвижного состава в движении // Железные дороги мира, 2003 г., № 9, С. 33-36.

92. A.Z. Venediktov, V. N. Demkin, D. S. Dokov, V. N. Tireshkin. Measurement of wheel pairs parameters of a rolling stock during movement // Proceedings of SPIE.- Vol.5066, pp. 48-53.

93. Патент № 30970 на полезную модель «Устройство для бесконтактного измерения параметров колес железнодорожного транспорта», МКИ G01B 11/24; А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков, Заявл. 31.03.03, Опубл. 10.07.03., Бюл. 19.

94. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик, В.Н. Тирешкин, Д.С. Доков. Современное состояние и перспективы развития измерительно-диагностических систем на железнодорожном транспорте // Наука и техника транспорта, 2005 г., № 4, С. 18-25.

95. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик, В.Н. Тирешкин, Д.С. Доков. Анализ и диагностика локомотивных колес: автоматический комплекс «Экспресс-Локомотив» // Локомотив, 2005 г., № 12, С.28-29.

96. А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик. Принцип обработки сигналов вибрации в оптических измерителях виброперемещения. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005, № 6.С. 54-56.

97. А.З. Венедиктов. Системы бесконтактного мониторинга параметров колесных пар за рубежом // Железные дороги мира. 2004, № 10.С. 61-65.

98. Венедиктов А. 3., Демкин В. Н., Доков Д.С. Влияние нестабильности мощности излучения лазера на точность в теневом методе измерений с ПЗС-линейкой// Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции 5-6 июня 2002 г. Санкт-Петербург, 2002.С.84.

99. Патент № 32874 на полезную модель «Устройство для измерения параметров надрессорных балок и боковых рам тележек грузовых вагонов», МКИ G01B 11/00; А. 3. Венедиктов, В. Н. Демкин, Д. С. Доков; Заявл. 21.04.03, Опубл. 27.09.03., Бюл. 27.

100. А.З.Венедиктов, Д.С.Доков, В.Н.Демкин. Особенности трехмерного измерения геометрических размеров деталей лазерным триангуляционным способом. Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции 23-24 июня 2004 г. Санкт-Петербург. 2004.С.84-85.

101. Патент № 43360 на полезную модель «Устройство для измерения параметров тормозного башмака», МКИ G01B 11/00, А. 3. Венедиктов. Заявл. 07.06.2004. Опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1.

102. Патент № 43357 на полезную модель «Устройство для измерения параметров фрикционного клина тележек грузовых вагонов», МКИ G01B 11/00, А.З. Венедиктов. Заявл. 07.06.2004. Опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1.

103. Патент № 33814 на полезную модель «Устройство для измерения параметров пружин», МКИ G01B 11/00; А. 3. Венедиктов, А. Д. Горячев, В. Н. Демкин, Д. С. Доков; заявл. 22.07.2003г., Опубл. 10.11.2003, Бюл. 31.

104. Венедиктов А. 3., Демкин В. Н., Доков Д. С. Измерение параметров и испытания пружин рессорного подвешивания вагонов // Железные дороги мира, 2004 г., № 2, С. 45-49.

105. Венедиктов А. 3., Демкин В. Н., Доков Д. С. Стенд для измерения геометрических параметров пружин методом лазерной триангуляции.// Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции 25-26 июня 2003 г. Санкт-Петербург. 2003.С.20.

106. Патент № 35435 на полезную модель «Стенд для испытания силовых параметров пружин», МКИ G01M 17/04; А. 3. Венедиктов, А. Д. Горячев, А.В.Деревенский; заявл. 30.09.2003 г., Опубл. 10.01.2004, Бюл. 1.

107. А.З. Венедиктов, О.В.Пальчик. Измерение геометрических параметров сложных цилиндрических объектов // Датчики и системы. 2005, № 1.С.24-28.

108. Патент № 50650 на полезную модель «Устройство для измерения параметров пружин», МКИ G01B 11/00, А.З. Венедиктов; заявл. 27.09.2005 г., Опубл. 20.01.2006 г., Бюл. № 2.

109. Патент № 37555 на полезную модель «Стенд для измерения, сортировки и подбора пружин тележек грузовых вагонов», МКИ G01M 17/04, А. 3. Венедиктов, А.И.Фурцев. Заявл. 27.01.2004., Опубл. 27.04.2004, Бюл. 12.

110. Патент № 50651 на полезную модель «Устройство для бесконтактного измерения расстояния», МКИ G01B 11/24, А.З. Венедиктов; заявл. 22.08.2005 г., Опубл. 20.01.2006 г., Бюл. № 2.

111. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ

112. А яркость изображения пятна

113. Аф амплитуда функции рассеяния точки1. Ач числовая апертура

114. Ai телесный угол от излучаемой площади S3n

115. А2 телесный угол переноса излучения на активную область приемникаал ширина активной области ПЗС линейки

116. В базис триангуляционного измерителя

117. С0б коэффициент, учитывающий потери света в объективесш ширина активной области ПЗС матрицысд длина активной области ПЗС матрицы

118. Е',Е",Е'"- центр линзы объектива

119. ЕфП облученность ( энергетическая освещенность ) в пятне изображения

120. Езп- облученность в зондирующем пятне Е облученность

121. Кос коэффициент ослабления потока квантов при отражении от поверхности детали и прохождении фокальной плоскости объектива М - масштаб изображения Ме - светимость

122. Мев отражательная энергетическая светимость поверхности выступов Мезп - отражательная энергетическая светимость поверхности впадин Мезп - общая отражательная энергетическая светимость зондирующего пятна

123. Мб значение масштаба на ближнем диапазоне Мд - значение масштаба на дальнем диапазоне Мп - число пикселей в сечении ( на ПЗС сенсоре )

124. М среднее значение центра тяжести пятна Мт - точное значение центра пятна Нпр - высота пружины Нп - высота подъема измерительного блока П - порог компарирования

125. Пп степень поляризации зондирующего излучения

126. Пг, П, плотности потока рассеянной и падающей энергииniSin,q поляризованные составляющие потока падающей энергии

127. П3ф поток, затрачиваемый на создание зарядового пакета на ПЗСприемнике

128. П0б поток переноса изображения через объектив1. С контраст спеклов1. Тэ время экспозиции

129. Т0б коэффициент пропускания объектива1. Фоб общий поток отражения

130. Фь общий поток ламбертовского отражения

131. ФМф общий поток отражения зондирующего луча от микрофацет1. Фе- поток излучения пучка

132. АТа, ATh- степени точности угловых допусков

133. D среднеквадратичное отклонение

134. Dp диаметр входного зрачка

135. Ец напряженность электрического поля в падающей волне, параллельная плоскости падения

136. Егц напряженность электрического поля в отраженной волне, параллельная плоскости падения

137. Ех- напряженность электрического поля в падающей волне, перпендикулярная плоскости падения

138. ЕГ1- напряженность электрического поля в отраженной волне,перпендикулярная плоскости падения

139. Ео (х\ у ) идеальное распределение освещенности

140. Еф (ч ) ~ распределение освещенности для идеального объектива скруглым зрачком1. Ev- освещенность

141. Ji функция Бесселя первого рода первого порядка

142. Kf коэффициент обеспечения функции передачи изображения

143. К, минимальный критерий точности для определенного типа деталей

144. Г длина активной части фотоприемникас длина когерентности лазерного излучения

145. N количество пикселей, превышающих порог

146. Np неперпендикулярность пружины

147. Ncn- число сигналов преобразователя угловых перемещений

148. R4 пространственная частота1. Rnp радиус пружины1. R радиус окружности1. Ra параметр шероховатости1. Rz параметр шероховатости

149. R3H положение энергетического центра зондирующего пятнаг радиус условной полусферыru- среднее значение координаты центра пятнагип— яркость п-ого пиксела

150. Snp средний шаг неровностей

151. Бф площадь элемента фотоприемника1. S, размер микрофацет

152. So спектр зондирующего пятна

153. S, спектр изображения пятна

154. S3n излучающая поверхность зондирующего пятна

155. S0 зп площадь зондирующего пятна в ближней плоскости

156. Si3n- площадь зондирующего пятна в дальней плоскости

157. UBC Мах максимальное значение видеосигнала изображения

158. U вш мах максимальное значение видеосигнала шума

159. UBC махфр- максимальное значение сигнала функции распределения

160. U вш махфр- максимальное значение шума функции распределения

161. UB уровень видеосигнала с фотоприемника

162. Зт угол наклона плоскости зондирующего луча относительноплоскости, перпендикулярной ( ортогональной ) плоскоститриангуляции30. угол между излучателем и приемником

163. Az смещение зондирующего пятна на объекте

164. Ах смещение пятна изображения на фотоприемнике

165. Дрц смещение координаты центроиды пятна изображения

166. Дх„ проектный параметр точности системы

167. А аоб, А аоД- изменение расстояния а0

168. Ah' погрешность триангуляционного измерителя

169. Ah" погрешность триангуляционного измерителя, обусловленнаягеометрическим смещением центра пятна

170. A Ne- собственный шум ПЗС приемника1. Д квантовый шум фотонов

171. ДЫШ- полная величина шумового сигнала

172. Дп часть активной области на приемнике, занимаемая расстоянием, равным ДЬ', при его перенесении на приемник

173. Дапр оптическая разрешающая способность многоэлементного фотоприемника

174. ДРЦ смещение координат центроиды пятна изображения

175. ДЛ смещение центра зондирующего пятна

176. СКО среднеквадратичное отклонение

177. ФКЭ функция концентрации энергии в пятне

178. ФРТ функция рассеяния точки

179. ЭПР эффективная поверхность рассеяния

180. ОБЪЕКТ, ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

181. МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

182. При проведении экспериментальных исследований использовались:

183. Приспособление для лабораторных исследований АЭК 50.

184. Средство измерения мощности и энергии лазерного излучения ИМО-3.

185. Модуль лазерный АЭК 10.010 мощностью 30 мВт с блоком питания.

186. Сопротивление изоляции, МоМ не менее 1001. Масса, г не более 10

187. Фотодиод имеет один р-n переход.

188. Фотоприемник типа OV9120 B&W CMOS SXGA (1,3 Мегапиксел ) производства фирмы OmniVision со следующими основными характеристиками:

189. Активная область, мм 6,66 х 5,32

190. Размер пиксела, мкм 5,2 х 5,2

191. Чувствительность, В / лк х сек 11. Уровень сигнал шум, Дб 54

192. Динамический диапазон, Дб 601. Размер линзы, " 1/2

193. Скорость считывания информации, кадр/сек 15-30 Мультиметр Mastech MY-68

194. При фиксированных углах оси лазера 0°, 5°, 10° и 30 и диаметр»ах зондирующего пятна 0,3 -2,0 мм снимались зависимости коэффициента отражения р ( с использованием калибровочных кривых ) от угла триангуляции в интервале от 15° до 35° с шагом 10°.

195. Рис. П2.4. Фотография зондирующего пятна на черненой поверхности

196. При проведении дальнейших опытов положение камеры и настройка объектива на резкость оставались постоянными. Если положение камеры менялось вследствие изменения условий опыта, то производилась калибровка.

197. Одним из важнейших вопросов при использовании триангуляционных измерителей является их калибровка 63.65,147.

198. Калибровка триангуляционных измерителей производится на специальных калибровочных приспособлениях ( рис. П2.5,П2.6).

199. Рис. П2.5. Приспособление для калибровки триангуляционных измерителей со структурированным излучением лазера в виде пятна

200. Рис. П2.6. Приспособление для калибровки триангуляционных измерителей со структурированным излучением лазера в виде линии

201. В зависимости от структурирования лазерного луча ( точечный или линейный ) калибровочные приспособления имеют специфические особенности.

202. На рис. П2.7 приведена калибровочная кривая изменение интенсивности сигнала 10 в зависимости от смещения зондирующего пятна по рабочему диапазону.

203. Рис. П2.7. Калибровочная кривая

204. Методический подход, на основании которого производится установление порога, изложен в разделе 3.5.

205. ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗНОГО ОТРАЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ р ОТ УГЛА |30 МЕЖДУ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ И ПРИЕМНИКОМ