автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Основы построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий в массовых производствах

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СОРОКИН ПАВЕЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКЙХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В МАССОВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула 1996

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Е.Шатерников; доктор технических наук Е.Н.Фролович;

доктор технических наук, профессор Б.В.Сухишш.

Ведущая организация - Государственное научно - производственное предприятие "Сплав".

Зашита состоится "25" июня 1996 г. в 14 часов в учебном корпусе №9 ауд. 101 на заседании диссертационного совета Д.063.47.04 Тульского государственного университета (300600, г.Тула, пр.Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан "]•/- мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.М.Мазуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_проблемы, Анализ современного массового

Гфоизводства йзделйй~на автоматическнх роторных (АРЛ) ЛГроторшТ-конвейерных линиях (АРКЛ) и системы контроля качества продукции, рложившейся в нем, выявил противоречие между прогрессивным

уровнем производственного процесса изготовления изделий, и

визуальным органолептическим контролем поверхности заготовок, элементов и готовых изделий на наличие дефектов, объем которою составляет более 20% от всего объема контрольных операций.

В результате увеличивается трудоемкость контроля качества поверхности изделии, составляющая 21.7% от обтцрй трудоемкости изготовления изделий, снижается достоверность контроля, не превышающая 43%, снижается эффективность автоматизированных нризводств, за счет привлечения значительного числа контролеров, не обеспечивается достаточная информационная надежность и стабильность результатов контроля, а так же безопасность люден в зоне взрыво- и экологически опасных технологий. Диссертационная работа направлена на разрешение этого противоречия путем разработки научных основ построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности в массовых произволе-!пах, методов п систем контроля, соответствующих уровню технического оснащения массовых производств на базе АРЛ и ЛРКЛ.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами научного совета по проблемам машиноведения и технологических процессов РАН и Российского национального комитета по теории машин и механизмов. Диссертация явилась результатом исследований, выполненных в рамках хоздоговорных работ ТулГУ (темы .K:>.N?84-259, 86-428, 90-988, 51101) и проблемы 01.51.ТУ научно-технической программы "Технические университеты".

Наиболее перспективными для автоматизации контроля дефектов поверхности в высокопроизводительных автоматизированных производствах признаны оптические рефлектометрические методы контроля, обеспечивающие максимальную, по сравнению с другими физическими методами, чувствительность и разрешающую способность при наивысшей производительности контроля и относительной простоте технической реализации. Однако, показатели надежности обнаружения дефектов у существующих автоматов контроля поверхности изделий не соответствуют требуемым из-за слабой помехозащищенности оптических датчиков. Необходимая надежность обнаружения н распознавания дефектов поверхности оптическим рсфлектометричсским методом в

условиях действия помех и влияющих факторов может быть обеспечена двумя путями.

Первый связан с поиском новых физических принципов построения контрольных устройств, в свою очередь подверженных воздействию тех же или других влияющих факторов. Перспективен второй путь, основанный на построении оптимальных рефлектометрических систем контроля на базе известных физических принципов, особенно аффективный при ограниченном объеме априорной информации о влияющих факторах и в условиях их иестационарности.

В связи с изложенным, особую актуальность приобретает научно -техническая проблема разработки научных основ построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий, обеспечивающих повышение эффективности автоматизированного контроля дефектов поверхности изделий массовых производств в условиях действия помех н влияющих факторов.

Цель работы. Целью работы является решение крупной Научно -технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в разработке научных основ построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий, обеспечивающих повышение эффективности автоматизированного контроля дефектов поверхности изделий массовых производств в условиях действия помех и влияющих факторов. Автор зшитвг

- принципы построения оптимальных структур и алгоритмов систем контроля дефектов на реновации анализа соотношений между текущими значениями интенсивностей зеркальной и диффузной составляющих индикатриссы рассеяния, Их взаимной корреляционной функции и автокорреляционной функции профиля поверхности;

методики сравнительного анализа эффективности алгоритмов обнаружения дефектов при последовательном сканировании и анализе изображения контролируемой поверхности;

- принципы построения адаптивных систем контроля дефектов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований алгоритмов обнаружения дефектов;

- новые способы и устройства контроля дефектов;

- аппаратурную и программную реализацию оптимальных систем и устройств контроля.

Методы исследования. Решение поставленных в работе теоретических задач проиодилось методами теории рассеяния волн на

статистистически Неровной поверхности, теории случайных функций, корреляционного анализа, теории принятия статистических решений. Проведение и обработка результатов экспериментов основывались на использовании метода статистических испытаний, теории погрешностей, методов математической статистики.

Научная нозизна. Системный подход к решению проблемы дал новые научные результаты, полученные лично автором:

- разработаны основные научные положения построения структур и алгоритмов оптимальных систем обнаружения и идентификации дефектов поверхности оптическим рефлектометрическим методом, учитывающие соотношения между текущими значениями иптеиснвиостей зеркальной и диффузпой составляющих ивднкатриссы рассеяния, их взаимную корреляционную функцию и автокорреляционную функцию микрогеометрии поверхности;

- на основе исследования разработаной математической модели процесса обнаружения дефектов поверхности оптическим рефлектометрическим методом, включающей модели дефектов поверхности, определены новые информативные параметры, регистрация которых обеспечивает оптимальное обнаружение дефектов поверхности;

- получены теоретические зависимости, определяющие условия инвариантности и принципы построения оптимальных структур и алгоритмов систем контроля дефектов формы поверхности изделий;

- разработан способ адаптивного обнаружения дефектов поверхности корректируемой системой контроля для нестационарных условий функционирования;

- разработаны новые способы контроля дефектов поверхности, инвариантные, в пределах ограничений, к внешним влияющим факторам.

Практическая ценность работы:

- разработанные на основе построенных математических моделей структуры и алгоритмы систем контроля, обеспечивающие высокую степень защиты от помех в условиях их стационарности, нестационарности и априорной неопределенности;

методики и программное обеспечение сравнительного анализа эффективности и выбора оптимального алгоритма обнаружения дефектов заданного типа или группы дефектов, предъявленных для обнаружения, для класса поверхности при контроле методами последовательного сканирования и анализа изображения поверхности;

- методики и программное обеспечение синтеза инвариантных систем контроля дефектов формы поверхности с мультипликативной И функциональной коррекцией;

системы, устройства и программное обеспечение рефлектометрнческого контроля дефектов поверхности.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации принципы построения и способы реализации оптимальных систем контроля положены в основу реализованных в промышленности устройств и систем:

- устройства для контроля дефектов взаимного расположения поверхностей в системах неразрушагощего контроля качества боеприпасов спортивного и охотничьего оружия (ПО "Тульский патронный завод" , ЦНИИТМ, г.Климовск, Московской обл.);

- устройство для обнаружения дефектов поверхности изделий (СКТБ, г.Алексин, Тульской обл.);

- информационно-измерительная система для контроля внешнего вида изделий, пакет программ анализа изображения поверхности Е1ЛЭЕР (СКТБ, г.Алексин, Тульской обл.);

- макет автоматизированной системы контроля дефектов поверхности (ТНИИТМ "Прогресс", г.Тула).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на республиканской НТК "Проблемы автоматизации перестраиваемых производств в машиностроении", Волгоград, 1988г.; на республиканской НТК "Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении", Волгоград, 1989г.; на Всесоюзной НТК "Автоматизация механо-сборочных процессов в машино- и' •приборостроении", Севастополь, 1989г.; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Методы интенсификации производства в приборостроении", Тернополь, 1990г.; на республиканской НТК "Разработка и внедрение автоматических производственных систем", Севастополь, 1990г.; на международном конгрессе "Конверсия, наука и образование", Тула, 1993г.; на международном симпозиуме "Новое в роторных технологиях", Тула, 1993г.; на НТК с международным участием "Приборостроение-94", Симферополь, 1994г.; на межвузовской НТК "Приборы и приборные системы", Тула, 1994г.; на 9-м международном конгрессе по ТММ, Милан, 1995г.; ряде других республиканских НТК и семинарах; на ежегодных научно-технических конференциях Тульского государственного университета в 1976- 1996гг.

В полном объеме диссертация доложена и одобрена на международной школе-семинаре "Проблемные вопросы автоматизации", Севастополь, 1995г. и на кафедрах "Автоматические роторные линии" и

"Проектирование и производство элементов" Тульского государственного университета в рамках работы международного семинара "Автоматизация: проблемы, идеи, решения", Тула, 1996;

Публикации. По материалам диссертации опубликована 54 работы в том числе получено 12 патентов РФ и 6 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи разделов, основных результатов и выводов, изложенных на 256 страницах машинописного текста, списка литературы из 202 наименований и приложения на 90 страницах. Работа содержит 81 рисунок и 19 таблиц. Общий объем работы 346 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена ее структура И кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первой разделе дан анализ современного состояния дефектоскопии поверхности изделий в массовых автоматизированных производствах и сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели исследования.

Проведен метрологический и дефектоскопический анализ обьектов контроля в автоматизированных производственных комплексах на базе АРЛ. Определены типы дефектов, подлежащие выявлению, даны их размерные характеристики, сделан анализ причин их появления.

Дефекты поверхности контролируемых деталей можно условно разделить на две группы:

- дефекты сплошности поверхности изделия;

- дефекты не нарушающие сплошность поверхности.

К первой группе относятся трещины, царапины, забоины, раковины, сколы, вмятины, складки, наплывы, плены, дефекты формы поверхности: волнистость, овальность, неплоскостность. Ко второй -локальные изменении цветности, инородные включения, например, дерева, бумаги, металла, воздуха и т.д. в поверхностный или приповерхностный слой материала изделий.

Наиболее часто встречающимися дефектами являются: складки, трещины, забоины, вмятины, царапины, причем трещины, складки и забоины доминируют среди дефектов, размеры которых превышают допустимые эталонами.

В таблице 1 приведены размерные характеристики типичных дефектов поверхности изделий массового производства на АРЛ на примере гильз патронов.

в

Таблица 1

Размерные характеристики дефектов поверхности гильз

№№ п/п Тип дефекта Длина мм Раскрытие мм Глубина мм

1 Трещины на дульце 1,0-6,0 0,02-1,5

2 Трещины на скате 1,0-6,0 0,02-1,5 -

3 Трещины на корпусе 1,0-6,0 0,02-1,5 -

4 Складки на дульце 2,0-8,0 0,5-2,0 0,1-0,7

5 Складки на скате 1,0-4,0 0,5-2,0 0,1-0,7

6 Складки на корпусе 2,0-30,0 0,5-2,0 0,1-0,5

7 Кольцевые складки на дульце 1,0-2,0 0,1-0,5 -

8 Кольцевые складки на корпусе 0,5-3,0 0,5-2,0 0,1-0.5

9 Царапины 5.-38,0 0,02-0,5 0,005-0,5

10 Наплывы металла 5,0-10,0 3,0-6,0 0J-0.3

И Плены 1,0-38,0 0,02-1,5 0,01-0,02

12 Раковины 1мм2 и более

13 Забоины на корпусе 1мм2 и более

14 Забоины на фланце 1мм2 и более

Анализ средств автоматического контроля дефектов поверхности показал, что :

- в основе большинства современных разработок роторных линий контроля и автоматов контроля дефектов дискретного типа лежат оптические рефлектометрические методы контроля;

показатели надежности и точности автоматов контроля несоответствуют требуемым из-за низкой помехозащищенности оптических датчиков;

- исследования, на основании которых выполнено большинство проектов, не носят системного характера, в результате чего выбор структуры и алгоритмов системы контроля не является оптимальным.

Обзор состояния работ по оптической дефектоскопии в России и среди основных зарубежных производителей оптических автоматизированных систем контроля, таких как: Leitz (Германия), Battle Pacific Northwest Laboratories, Bell-Laboratories, Fairchild, Gianini Control Corp., RSA- Laboratories, View Englnering (США), Fuitzu-Laboratories, Nippon, Nissan Oyko, Toshiba, Tokio Sibauro Electric (Япония) подтвердил перспективность для автоматизации

контроля дефектен поверхности оптических рефлектометрических способов контроля, определяемую практической безинерционностью, высокой чувствительностью и разрешающей способностью.---------------------------------------------

Как альтернативные оптическим методам контроля, в работе рассмотрены электрические, вихретоковые, акустические, радиоволновые, радиационные методы дефектоскопии. Область использования рассмотренных методов ограничена относительно низким быстродействием в одних случаях (акустические), требованиями безопасности в других (радиополновые, радиационные), высокой чувствительностью к действию влияющих факторов и электрических свойств материала изделия (электрические, вихретоковые).

Основы теории автоматического контроля рефлсктометрическнми методами представлены в трудах Л.Н.Воронцова, В.В.Клюева, А.А.Кетковича, С.Ф.Корндорфа, И.В.Харизоменова, Ю.Г.Якушенкова. Известны работы в области исследования высокопроизводительного рефлектометрического контроля С.Д.Амромина, И.Г.Гилевича, Ю.М.Голубовского, В.С.Котлярова, Е.М.Салминой, М.П.Цапенко.

Рассмотрены методы и алгоритмы обработки сигналов в задачах оптической дефектоскопии поверхности при контроле методами последовательного сканирования и анализа изображения. Для высокопроизводительных автоматов контроля предпочтительным является метод последовательного сканирования контролируемой поверхности, не требующий запоминания изображения всей поверхности детали с последующим его анализом методами теории распознавания образов, а заключающийся в выделен пи и анализе о реальном масштабе времени сигнала детектора на фоне шумов методами пространственно-временной и спектральном фильтрации. Такой подход требует полного знания, вплоть до параметров, законов распределения сигнала и шума. При Неполном знании законов распределения задача решается адаптивным обнаружением сигналов на фоне шумов, включающем процедуру обучения, требующую большого объема обучающей выборки. Это значительно увеличивает время контроля, снижая его производительность. Кроме того, методы пространственно - временной фильтрации в системах обработки изображения промышленного назначения практически не применяются из соображений быстродействия, гак как анализ спектральной плотности сигнала и шума требует выполнения Фурье- преобразования.

Сформулирован муть достижения оптическими методами необходимой надежности обнаружения дефектов в условиях действия помех и влияющих факторов: применение оптимальных оптических рефлектометрических систем контроля.

Оптимизация может быть достигнута путем компенсации возмущений (параметрическая адаптация) или выбора некоторой структуры системы или алгоритма обработки сигнала (структурная адаптация), минимизирующей на множестве вариантов заданную функцию потерь.

Математическим выражением явления компенсации возмущений стал принцип инвариантности введенный в теорию и практику измерений и контроля работами В.С.Кулебакина, Б.Н.Петрова, А.Г.Ивахненко, 10.М.Туза. Однако работы в области структурных методов построения инвариантных систем оптического контроля носят единичный характер и в основном посвящены методам аддитивной коррекции.

Теоретической базой структурной адаптации систем контроля является теория адаптивных систем с дискретным управлением, исследования в области которых были начаты Г.Роббинсом, Р.Бушем и Ф.Мостеллсром, М.Л.Цейтлиным и продолжены в работах В.И.Варшавского и И.П.Воронцовой, В.Г.Сраговича и Ю.А.Флерова, К.Нарсндры и И.Шапиро, Я.З.ЦшЛкина, А.В.Назина, А.С.Позняка и других исследователей. Суть структурной адаптации состоит в использовании текущей информации, получаемой в результате осуществления отдельных актов выбора, что позволяет компенсировать с течением времени недостаток априорной информации и тем самым реализовать оптимальную стратегию контроля.

На основе вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Целью работы является решение крупной научно - технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в разработке научных основ построения оптимальных . рефлектометричсскнх систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий, обеспечивающих повышение эффективности автоматизированного контроля дефектов поверхности изделий массовых производств в условиях действия помех и влияющих факторов.

В соответствии с целыо работы в основные задачи исследования входят:

анализ процесса контроля на множестве состояний функционирования и определение стратегий контроля;

- построение математической модели процесса обнаружения дефектов поверхности оптическим рефлектометричсским методом, включая модели дефектов поверхности и выбор информативных параметров;

- разработка способов обнаружения и идентификации дефектов поверхности;

- исследование эффективности и оптимизация алгоритмов контроля ефектов поверхности;

- разработка принципов построения оптимальных систем контроля в условиях неполной информации и априорной неопределенности;

- разработка программного обеспеспечения исследования систем контроля!

Во втором разделе приведены результаты разработки теоретических п методологических основ построения оптимальных рефлектометрических систем обнаружения дефектов поверхности. В реальных условиях функционирования оптические

рефлектометрические системы контроля дефектов на поверхности деталей подвержены воздействию различных внешних влияющих факторов. Условно их можно разделить на две группы:

- дестабилизирующие факторы той же природы, что и энергия носителя информации от объекта контроля к датчику (шумы);

- дестабилизирующие факторы, энергетическая природа которых отлична от природы энергии носителя информации.

Для рассматриваемых систем наибольшую трудность представляет борьба с оптическими помехами.

Различие физической природы и механизма воздействия на систему контроля рассмотренных двух групп факторов определили различные подходы к построению оптимальных систем контроля с целью снижения их влияния: оптимальная фильтрация и структурные методы с использованием многоканальности, различного типа обратных связей, делающих систему избыточной в нормальных условиях функционирования. Второй подход может быть использован для снижения влиянии факторов первой группы, обладая при этом рядом преимуществ, одним из которых является способность структурных методов компенсировать влияние факторов обеих групп, используя одно техническое решение.

Первым шагом в решении проблемы оптимизации системы контроля дефектов структурными методами является этап формализации, заключающийся в построении модели системы контроля, связывающей неопределенные, в общем, входные помехи с системой контроля и последующий анализ формальной модели с целью определения стратегии контроля,

. С позиций системного похода исследовано поведение системы

рефлектометрического контроля на множестве состояний функционирования, определяемом внешними влияющими факторами. Доминирующими факторами являются флуктуации интенсивности входного светового потока, определяемые, преимущественно, шероховатостью поверхности. Рассмотрена модель системы, представленная динамической пятеркой, включающей множество

значений траекторий изменения сходных воздействий, представляющих собой аддитивную смесь сигнала и шума на входе системы контроля, множество значений фазовых координат, множество значений выходной переменной, оператор - переходную функцию и оператор -выходное отображение, в которую, для учета изменения условий функционирования и параметров системы контроля, введена эквивалентная переменная состояния функционирования Лэ. Множество ее значений Ьэ € Нэ является эквивалентным множеством состояний функционирования и определяет такие изменения параметров и структуры системы, которые эквивалентны действию входных помех.

Знание, возможность идентификации и характер использования информации о Лэ определяют выбор стратегий контроля, которые включают:

- некорректируемую стратегию, алгоритм которой не использует текущих значений Лэ, а контроль происходит с учетом ее вероятных значений;

- адаптивную стратегию, алгоритм Которой использует в Процессе контроля текущие значения Лэ Для корректировки параметров или структуры системы контроля.

Внутри адаптивной стратегии контроля выделены:

- корректируемая стратегия, отличающаяся от адаптивной тем, что обучение происходит на этапе анализа процесса контроля, при этом для

каждого значения Ьэ определяют оптимальную структуру, алгоритмы и

параметры системы, а в процессе контроля, после идентификации Ьэ, производятся соответствующие переключения;

- структурно - некорректируемая стратегия, в соответствии с которой в процессе контроля параметры системы с постоянной структурой непрерывно корректируются в зависимости от значения эквивалентной

переменной состояния функционирования определяемой шумами на входе системы;

Преимущественное влияние на достоверность контроля оказывает шероховатость контролируемой поверхности, Представляющей собой случайный процесс, аддитивный с механическими дефектами, посторонние засветки, флуктуации степени прозрачности среды и источника излучения подсвета. Рассеянное поверхностью электромагнитное поле, несущее информацию о наличии или отсутствии дефекта на поверхности, является Некоторым функционалом характеристической функции поверхности Н представляет собой

решение задачи дифракции на случайной границе раздела двух сред, не найденное до настоящего времени. Для решения задачи оптической

дефектоскопии не_______требуется____определения______тонкой____структуры_______

рассеянного поля, а достаточно знания некоторых его интегральных характеристик, определяемых множеством переменных состояния функционирования.

С целью определения этих характеристик в работе разработана математическая модель обнаружения дефектов на поверхности изделия.

Теоретической базой для обнаружения дефектов поверхности методом оптической рефлектометрии является пространственное распределение интенсивности оптического поля, рассеянного шероховатой поверхностью с дефектами (индикатрисса рассеяния). В качестве базовой математической модели отражения электромагнитного излучения от статистически неровной поверхности принята модель П.Бекмана для изотропных поверхностей, с микрорельефом, образованным непрерывным, стационарным, случайным процессом с гауссовскими функцией распределения высот микронеровностей и автокорреляционной функцией. Модель адекватна как для поверхностей с высоким классом шероховатости, так и для оптически грубых поверхностей.

Схема падения и диффузного отражения светового пучка от элементарного участка поверхности показана на рис.1.

Информационный сигнал о наличии или отсутствии на контролируемой поверхности дефектов содержится в световом потоке, формируемом рассеянным контролируемой поверхностью оптическим полем на входе приемной части рефлектометрического фотопреобразователя. Полный световой поток (рис.2), входящий в оптическую систему, с учетом яркости световой марки, выраженной через коэффициент яркости равен:

F = пг2Щ р(в, ср, у/, а, а, Л) sin вбв, (1)

-<р Ъ

где /?( в, (р, цг, а, а, Л) - коэффициент яркости, определяемый в соответствие с моделью П.Бекмана; Bq - яркость идеального непоглащающего рассеивателя; г - радиус входного зрачка оптической системы; ( у/, 0, <р) - углы, соответствующие падающему и

отраженному световому пучку на рис.1; а - корреляционный интервал профиля микронеровностей контролируемой поверхности; <т -

среднеквадратическое отклонение высот микронеровностей; Л - длина волны излучения подсвета.

Пределы интегрирования в (1) определяются размерами световой марки подсвета:

Рис.1. Схема падения и диффузного отражения светового пучка

Рис.2: Схема формирования входного светового потока

в = в - в2 = 0 + —; кв = — СОБ И

1_________1________2 ________ ______и 2 В 0

окончательно: вх = вй - — соз в0; в2 = в0 + сов О0

2 Я 2 И

(р = агсСд

С г

2 Ь ,

где £ - ширина световой марки

подсвета; Ьу - длина световой марки подсвета; К - расстояние между элементом поверхности и центром зрачка оптической системы; Ь -расстояние по нормали между центром зрачка оптической системы и контролируемой поверхностью.

Результирующий световой поток, воспринимаемый оптической системой, является интегральной функцией коэффициента яркости в заданном направлении, в свою очередь определяемого статистическими параметрами контролируемой поверхности внутри световой марки: среднеквадратическим отклонением высот микронеровностей сг, корреляционным интервалом а, характеризующим угол наклона граней микронеровностей и отношениями этих характеристик к длине волны излучения подсвета Я и между собой. Параметры сг и а определяются как неровностями бездефектной поверхности, так и наличием на поверхности дефектов и их размерами.

Контролируемая поверхность с дефектами представляет собой поверхность, включающую области с разномасштабными неровностями. Разработаны математические модели для различных типов дефектов поверхности. Для крупных дефектов (вмятина, складка, забоина, плена, раковина) с размерами, значительно превышающими сг построены модели на основании допущений геометрической оптики. Подстилающая поверхность характерных дефектов аппроксимирована рядом финитных функций: косинусным импульсом; косинус-квадратным импульсом; симетричной /?- функцией, аргументы которых в геометрическом представлении вызывают такое же изменение углов падения у/ и отражения 0 световой волны, как и размеры дефектов.

Для малых дефектов (царапина, трещина) в качестве модели

предложена функция затенения. Функция затенения &) имеет

смысл вероятности того, что точка поверхности с наклоном СС и прозвольной высотой г не затеняется другими участками этой же поверхности. Для бездефектной поверхности рассматриваемого класса деталей, как следует из результатов статистического анализа, выполняются допущения Кирхгофа о малых углах наклона неровностей, вследствие чего затенения отсутствуют. Учет затенений

при наличии дефекта сводится к введению в модель рассеяния света шероховатой поверхностью, в качестве множителя, функции затенения Ц/, в), определяемой статистическими свойствами дефектной поверхности.

Проведенные в работе исследования индикатрисе рассеяния дефектных поверхностей с классами шероховатости от 3 до 9, пример которых приведен на рис.3, позволили сделать вывод о том, что

<2= 36;28;17;8;4 мкм; <Т=0,7;1,32;2,91;6;14 мкм; п = 50; Ьх= 4 мм

дефектность поверхности определяет следующие характеристики, которые могут быть достаточно просто количественно оценены путем регистрации рассеянного поверхностью света:

- корреляционная функция дефектной поверхности;

- форма индикатриссы рассеяния дефектной поверхности.

----------В — качестве- __ информативных параметров, характеризующих

дефектность поверхности, предложенье -------------------

- оценки корреляционного интервала и коэффициента корреляции функции профиля поверхности а,

-параметры формы индикатриссы, определяемые суммой или разностью между текущими значениями интенсивностей составляющих рассеянного поля в зеркальном н диффузном направлениях , а так же ИХ произведением ила отношениями между ними:

- ^Л * ад. ' К2 - ад х ад.

с, _ ад

ад

где операторы преобразования соответственно зеркальной и

диффузной составляющих;

- параметр флуктуации формы индикатриссы, определяемый отношением дисперсии интенсивности зеркальной составляющей к дисперсий интенсивности диффузной на некотором интервале

£ (ад, - "ЖУ

V - ¿^--- .

I [кАи - »лТ

1=1

- параметр связности формы индикатриссы, представляющий собой нормированный коэффициент взаимной корреляции между зеркальной и диффузной составляющими на некотором интервале

£ {"Лх - - ад)

л )2 £ (

■ 1

В третьей разделе рассмотрены вопросы разработки способов обнаружения дефектов поверхности рсфлектометричсским методом. Разработанные в диссертаций способы обнаружения дефектов поверхности рсфлектометричсским методом базируются на диагностике отклонений параметров рассеянного поверхностью светового потока от некоторых значений, характерных для бездефектной поверхности. Вследствие шероховатости.поверхности, нестабильности коэффициента отражения поверхности, внешних засветок и флуктуаций прозрачности среды рассеяние света бездефектной поверхностью _ так же носит случайный характер, поэтому основной задачей рефдектометрнческой

дефектоскопии является выделение флуктуаций информативных параметров Ли2, ЕиЪ, Кс, а, Кр(т) на фоне флуктуаций,

вызванных неидеальностью характеристик контролируемой поверхности и условий контроля. Использованы следующие принципы селекции флуктуаций индикатриссы:

- использование данных о корреляционной функции поверхности;

- анализ соотношений между мгновенными значениями зеркальной и диффузной составляющих индикатриссы рассеяния поверхности;

- анализ стохастической связи между значениями зеркальной и диффузной составляющих индикатриссы на некотором интервале.

Способы, использующие данные о корреляционной функции поверхности, основаны на вероятностном предсказании величины сигнала на интервале корреляции (Пат.РФ №№1239568,1388725). Технически это реализуется формированием двух сигналов от участков поверхности, расположенных друг от друга на некотором расстояний, меньшем корреляционного расстояния, и последующим сравнением этих сигналов, с учетом значения коэффициента корреляции Кр( г), оцененного по выборке Поверхностей бездефектных изделий. Информативным параметром этих способов является корреляционный интервал <3. На рис.4 приведена схема корреляционного способа контроля дефектов. Для реализации способа необходимо априорное знание корреляционной функции профиля поверхности, оценкой которой может служить корреляционная функция коэффициента отражения, определяемая каким - либо методом, например, методом статистических испытаний. Из условия равенства нулю частной

производной среднеквадратической разности (¿г, г), рис.5,

оптимальное значение К, соответствующее экстремуму среднеквадратической разности равно

х(^х(с - г) , ч

Копт - 7/ ч = кр\*)>

где Кр (г) - коэффициент корреляции между случайными

величинами коэффициентов отражения в точках поверхности детали, . расстояние между которыми определяется скоростью вращения детали и временем задержки сигнала Г. При этом среднеквадратическое значение шума на выходе системы минимально и равно

= -кЦт)}

Эффективность способа определяется теснотой стохастической связи

x(t-t)

A e(t,x) >

x(t) N Kx(t)

К

/

Рис.5. Структурная схема корреляционного способа контроля

пространственной функции коэффициента отражения, определяемого

неровностями контролируемой поверхности.

Разработаны способы, основанные на анализе мгновенных значений параметров иидикатриссы, которые используют статистические зависимости между зеркальной и диффузной составляющими иидикатриссы рассеяния, присущие поверхности с определенными характеристиками (Пат.РФ 1495693,1059796,835209). В частности, при сканировании световым лучом шероховатой поверхности, изменения зеркальной и диффузной составляющих в среднем нротивофазны, а на поверхности с цветовой неоднородностью - синфазны. Выбирая соответствующим образом операции преобразования результатов

измерений интенсивности зеркальной н диффузной составляющих, можно ослабить влияние помех того или иного вида на результат контроля. Информативными параметрами этих способов являются параметры индикатриссы рассеяния , Яи2 > ЯцЗ- Например,

использование параметра формы индикатриссы рассеяния поверхности, определяемого произведением текущих значений интенсивностей составляющих рассеянного поля в зеркальном и диффузном направлениях ~ ^Рв * ^Дг реализовано в системе

обнаружения дефектов Р линейной коррекцией, принцип работы которой заключается в управлении коэффициентом преобразования канала обработки одной из составляющих рассеянного поверхностью поля, являющегося каналом контроля, а функции текущих значений другой составляющей по каналу обработки информации, являющегося каналом коррекции. В работе рассмотрено прохождение сигнала и помехи через систему. Структурная схема системы Приведена на рис.6. Считая, что:

к = (2); ра « сД,, (3); 4&-« -сЩ, Ц).

где с - коэффициент пропорциональности; ДДЙ, ДД,- флуктуации яркости изображения световой марки в зеркальном и диффузном направлении, для системы с полностью скомпенсированной помехой справедливы уравнения Д^ X «= и

(Д, + АД>Й х (Д, - Ьфв)па = ц

решением которых получены условия и и вариантности системы контроля к помехам:

АД, Д^ V

^ - -р^Ж^ = = (А^Ж) <5)

Для обеспечения инвариантности системы обнаружения к помехам необходимо выполнить операцию обращения входного сигнала Д. — АД, канала коррекции. С этой целью в структурную схему введен дополнительный блок перемножения, рис.7. Для этой схемы имеют место следующие соотношения:

_ Ау _ _V_

=~дд, =(да-дд5)-1' (7)

которые при обеспечении условия (Д. — ЛД, ) >> 1 совпадают с условиями инвариантности— (5).__ Система^ обнаружения дефектов, соответствующая структурной схеме на рис.7 и ~ реализующая

регистрацию параметра/?„3 = - , приведена на рис.8.

КА

Ра+ДРа ^

X

Ы"

м.

Рис.6. Структурная схема системы обнаружения дефектов с линейной

коррекцией

Рд+ДРа

X

Рз -Др5

X

у- ДУ

Рис.7. Структурная схема инвариантной системы с коррекцией

усиления

Системы обнаружения дефектов, анализирующие параметры КЯ2, Киз являются системами с параметрической адаптацией.

Способы, основанные на анализе стохастической связи между значениями зеркальной и диффузной составляющих нндикатриссы на некотором интервале тая же используют статистические зависимости между зеркальной и диффузной составляющими нндикатриссы рассеяния, присущие поверхности с определенными характеристиками. При этом информативным параметром является параметр связности формы нндикатриссы Яс. Разработан способ обнаружения Дефектов

анализом оценки корреляционного момента между зеркальной и диффузной составляющими индикатриссы рассеяния на некотором интервале, определяемом из условия достаточной точности И надежности оценки корреляционного момента (Полож. рещ. от 10.01.96 по заявке №94045194/25/045523/ от 27.12.94.).

Для контроля дефектов формы поверхностей (некруглости, волнистости и т.п.) разработаны системы, построенные по Принципу систем с параметрической адаптацией. Управление параметрами канала контроля производится ц функций текущих флуктуаций яркости световой марки подсвета (Пат.РФ №№785645, 1803724).

Разработана система идентификации дефектов поверхности (Пат.РФ №1548725), принцип работы которой основа»! на анализе Комбинаций зеркальной и диффузной составляющих индикатриссы рассеяния. Ее схема приведена на рис.9. Система позволяет обнаружить и идентифицировать шесть типов дефектов:

1 - пятна с повышенным спектральным коэффициентом отражения;

2 - пятна с пониженным спектральным коэффициентом отражения;

3 - механические дефекту с резкими границами Между бездефектной поверхностью и зоной дефекта (трещины , Царапины, плены, участки с пониженной чистотой обработки, забоины и т.д.);

4 - участки с повышенной чистотой обработки;

5 - наплывы лака, масляная пленка;

6 - дефекты с плавными переходами между бездефектной поверхностью и зоной дефекта (складки, вмятины, нанльшы металла ).

Разработанные способы и системы контроля работают в режиме

Рис.9. Система идентификации дефектов поверхности

реального времени, реализуют относительно простые алгоритмы, не требующие больших затрат времени на вычисления, обладают высокой надежностью обнаружения дефектов на фоне мощных шумов. Это

позволяет обеспечить требуемую производительность контроля поверхности деталей в контрольных автоматах роторного типа и рекомендовать их при проектировании датчиков и систем обработки информации.

В четвертом разделе выполнено исследование эффективности и решена задача выбора оптимальных алгоритмов некорректируемой и структурно- некорректируемой стратегий контроля дефектов поверхности изделий. В работе используется байесовский подход и в качестве функции потерь принят средний риск Л, представляющий собой математическое ожидание потерь в процессе принятия решения о годности или негодности контролируемого изделия.

В качество дополнительного критерия эффективности обнаружения дефектов принято отношение максимального значения сигнала к среднеквадратическому значению шума на выходе алгоритма

¡Л = Задача выбора оптимального варианта алгоритма

%

формулируется как поиск такого алгоритма обнаружения дефектов л", который минимизирует на конечном множестве вариантов X целевую

функцию - значение среднего риска: Н(х) —* min и обеспечивает

хех

наибольшее значение критерии /л(х)-^>, где Хх е X.

•Кб*!

В качестве целевой функции при выборе оптимального алгоритма обнаружения группы дефектов использована линейная комбинация средних потерь при контроле различных дефектов с соответствующими весовыми коэффициентами (рейтинг алгоритма): л

0Х= 2 AA->min,

Д=1

х ех

где - весовой коэффициент средних потерь при контроле i-ro дефекта; Ri - средний риск при контроле i-ro дефекта; i - число дефектов.

Для сравнительного анализа эффективности контроля различных дефектов поверхности ■ способами, рассмотренными в разделе 3, разработаны диалоговые системы оценки эффективности и оптимизации алгоритмов обнаружения дефектов DEFEKT й FEANO.

Системы реализованы в среде TURBO - PASCAL для IBM -совместимых компьютеров.

Библиотека алгоритмов обнаружения дефектов поверхности включает восемь алгоритмов, построенных на базе способов и систем контроля дефектов, рассмотренных в разделе 3, кроме дефектов формы поверхности. Алгоритмы, входящие в библиотеку, приведены в таблице 2. В работе проведены исследования эффективности некорректируемых и структурно - некорректируемых алгоритмов обнаружения дефектов новерхости на примере поверхностей, класс шероховатости которых соответствует классу шероховатости поверхности гильз патронов стрелкового и спортивно-охотничьего оружия, а также для поверхностей, параметры шероховатости которых определены стандартом ГОСТ 2789 - 73. При исследовании эффективности алгоритмов обнаружения группы дефектов строятся поверхности отклика функций:

(l- Ffl^J = f^Ndt.Na,),! = l,,..,8;j - 1,..,,8 ■ (8)

f \

lg;

Чг ртах

= Г2(щ,щ), i e 1,,,., 8; j = 1,,.., 8 (9)

где Ыс1± - номер дефекта в системе координат графика; N3j -номер алгоритма в системе координат графика. При исследовании эффективности алгоритмов обнаружения

Таблица 2

Библиотека алгоритмов обнаружения дефектов

1 2 3 4

7 45 и.(<:-т) Ц х Ь к ие ^чиПсо ис = - г) - -Ли, Б = Д. + .ЙГ2Д. - 2Я К = ГВ3, к = Г

8 11( иа(1>т) Н т Ь кис ис = Ц,(с - г) --ки^с) V = + К2Па - 2 К К = гВа, к - г

• • « ... ... ...

N Ц ш Уи8 (1 и. = - X - X л - 1 х I Ч, А, ~ ОД, I ) г _ ^ + ^ п - 1

отдельных дефектов на поверхностях с различной шероховатостьк строятся поверхности отклика функций:

(1 - я/Лщах) = Лйу), 1 = 1/ • • • / 7; .7 = 1, . . ., 8

1д

ч У

— ( / .МЗу ), л — 1, . . . , 7; У —

где - номер класса шероховатости поверхности в системе

координат графика; АГау - номер алгоритма в системе координат графика.

На рис. 10 и рис.11 показаны поверхности отклика целевых функций (8), (9) для поверхности, параметры шероховатости которой соответствуют изделиям, изготавливаемым на АРЛ. Для данного классг поверхностей, дефекты: трещина, вмятина, наплыв металла, складка, забоина наиболее эффективно обнаруживаются группой алгоритмов, включающую алгоритмы 8, 4, 1 (таблица 2). За исключением случаев обнаружения плены, раковины и цветности наибольшее отношение сигнал/шум, во много раз превышающее аналогичный показатель конкурирующих алгоритмов имеет алгоритм 4. Стабильно высокие значения этого критерия при контроле всех предложенных для

Рис. 10. График функции (1 - /?/ ) = Иа^) для

поверхности с параметрами = 0.63 мкм; <3 = 36 мкм

?Яа»0.63 ткт •'

-40-.-" 2

О • .

Ч 20---'

1311§||

, „ - *1

Рис. и. График функции 1д

ШШш

Р

¡Як

ш

Л

\ 7

4 (, Ыа^ ) для

поверхности с параметрами Я = 0.63 мкм; а = 36 мкм

/

обнаружения дефектов имеет алгоритм 8, 1д

Ц? шах

ч

2 12.

Минимум средних потерь при контроле группы дефектов (рейтинг алгоритма), предложенных для обнаружения на поверхности изделий АРЛ, соответствующей классу шероховатости Ла = 0.63 мкм, <3 = 36 мкм определен на алгоритме 8, реализующем анализ корреляционной функции поверхности

Оопт = Оа = 2.33.

Расчеты рейтингов проводились без учета весовых коэффициентов

Л1 = 1, ¿ = 1.....8.

В работе исследована эффективность обнаружения дефектов на поверхностях, с большей, чем у рассмотренного класса деталей крутизной наклона неровностей. Для этого построены поверхности отклика функций среднего риска и отношения сигнал/шум для случаев обнаружения дефектов поверхностей с параметрами шероховатости На = 0.63 мкм, <3 = 11 мкм и а = 5 мкм.

Оптимальным алгоритмом обнаружения дефектов для таких поверхностей является алгоритм 4, реализацией которого является инвариантная система обнаружения дефектов с коррекцией усиления канала контроля.

Оптимальным алгоритмом, минимизирующем функцию среднего риска при контроле группы дефектов на поверхностях изделий, относящихся к различным классам шероховатости с Яа= (0.32 - 20) мкм и фиксированном значении корреляционного интервала а = 5 мкм, является алгоритм 8, 0Опт = £?8 = 20.15. Все алгоритмы, кроме алгоритма 4 регистрируют посторонние засветки как дефект поверхности. Алгоритм 4 инвариантен к посторонним засветкам.

В пятом разделе рассмотрены вопросы разработки способов реализации адаптивной стратегии контроля дефектов поверхности в условиях неполной информации и априорной неопределенности. Сформулирована задача выбора оптимального алгоритма контроля в случае нестационарности эквивалентной переменной состояния

функционирования Ьэ, выраженном в нестационарности помех на входе рефлектометрического датчика, вызванных наличием на контролируемой поверхности нескольких областей с различными классами шероховатости поверхности, в границах каждой из которых неровности имеют один масштаб, либо контролем потока деталей с разным масштабом неровностей. Предложен способ определения

дефектов на поверхности изделия, реализующий идею корректируемой стратегии контроля (рис.¡2). По результатам сравнения интенсивноеи-й зеркально— и - диффузно отраженных- све товых. потоков в нескольку:; т'. 'псах penicrpauiiii, вычислительный блок выбирает m 6 «»на iiüciciauiuü памяти программу, по которой определяют дефекты на поверхности изделия. Программа реализует алгоритм обнаружения дефектов из библиотеки алгоритмов обнаружения дефектов, !.нляющнпся оптимальным для текущего значения Л~\ Мерой оценки ен текущею значения, определяемого шероховатостью поверхности изделия, служит параметр формы нндикагриссы рассеяния поверхности, определяемый отношением амплитуд отраженных поверхностью световых потоков

R

и г

= lg

Результаты

контроля

поверхности

отображаются в блоке регистрации. Алгоритм определения дефектов на поверхности изделия находится из условия

N =

1: Is « ftJ, , • « Tdi * IdN ?

2: Is ~ T -M 1 . * Idl > ;

к-. >. . • > lai > > ^cш '

m Is > ldl >> ...» IdJ » IJN

¡де N - номер алгоритма обнаружения дефекта; I- интенсивность зеркальной составляющей отраженного светового потока; -^с? 1' -З-сИ ' сШ ~ интенсивности диффузных составляющих отраженного светового потока в различных точках регистрации.

Процедура обучения, т.е. назначение соответствия номера оптимального алгоритма обнаружения дефектов каждому значению оценки эквивалентной переменной состояния функционирования на некотором дискретном интервале, производится на этапе исследования эффективности алгоритмов обнаружения дефектов, предъявленных для контроля. I] работе рассмотрен пример процедуры обучения для стандартных значений параметра шероховатости контроле В = (0.32 -20) мкм.

Для случая выбора оптимальною варианта алгоритма контроля в условиях априорной неопределенности, в работе рассмотрен адаптивный Подход, суть которого состоит в использовании текущей

_ ьычвслет. / блок

~тг

блох репктрални

блок

□йСТ.ОЗМЯТИ

Рис.12. Способ обнаружения дефектов поверхности с переключением

алгоритмов

информации, получаемой в результате осуществления последовательных актов выбора, что позволяет компенсировать, с течением времени, недостаток априорной информации и реализовать оптимальную стратегию контроля. В качестве алгоритма адаптивного выбора вариантов выбран рекуррентный алгоритм Варшавского Воронцовой, обеспечивающий наибольшую скорость сходимости алгоритма по сравнению с другими с единичной вероятностью. Рекуррентный алгоритм Варшавского -. Воронцовой имеет вид:

Рп+1 - Рп + ИРМ*л)[е(хп) - рм}{1- 2дп).

где/ е (О, 1]-шаг алгоритма^« £ « х(д));

^ =

О, . . .0, 1, о,..., о

V-„-.-„-^

. 1 N-1

= {0:ДЛ > 0. \11 Я„ £ 0.

бинарные потери, Ля - средние ожидаемые потери на Л-ом шаге

алгоритма; И = 1, 2, . . < ; Рп - вектор условных вероятностей

выбора вариантов х(1), Л"(2), » . . , x{N) в момент времени £:п|

X - множество возможных вариантов; -Хл+1 - очередной вариант алгоритма контроля; X - индикаторная функция.

На каждом шаге выбора оптимального алтритм.ч контроле выполняются^следующие процедуры:

- процедура AU ГО M пчтрйруёт" номер" ппрпзнта-алгпрптма -N~m_______

условию с учетом значений условных вероятностей Рп{ 7). рагсчитпных Hit предыдущем шаге для каждого париантл;

- процедура POTF.ÏÎI определяет величину бинарных потерь ;ыл сгенерированного варианта контроля N ;

- процедура VARVOil рассчитывает условные неровности P-1 + i {l)

для каждого варианта.

S шсстотт приведены результаты исследования

эффективности и син'»"»>» шпкмалышл систем контроля др>рнкти формы поверхности, работающих в условиях действия влияющих факторов и входных помех, результирующим действием которых является нестабильность светового потока F на входе рефлектометрического датчика, приводящая к появлению дополнительной погрешности контроля. Для исследования характера дополнительной погрешности контроля рсфлектометрическпми преобразователями, измерительные функции которых состоят в фотоэлектрической регистрации положения световой марки в плоскости изебражепич прибор;!, а работе построена модель дополнигельнчй погрешности контроля. Уравнение приведенной, отоепте.тыкж, дополнительной погрешности конфоы дпфекю» формы пох'-рхностн имеет вид

А =

АЕ х--

M с Ро " Ро

■ 1 — А ) +

2 . (л ± ар) ла (l - Агс) ДЕ-

- ><

(1- Агс)

Ро

т

Р.

+ G

N „ N т ,

£ QvPv + iGV^sin

/=1 и=1 L

cOyZ -

-р COS (0^

J f> rrn

/ / /Aj'-'Q ...

il , 42 J A£\ (l - Arc) х(1-Дгс) + --i---

л Г/- A ,

! ' i - A Г.. ! + ----- X

где Е0{х, у), Ех{х, у, t), Е2{х, у, t), Е3{х, у, t) -

яркости и освещенности прямоугольной световой марки в плоскости формирующей диафрагмы, на поверхности изделия и в плоскости анализатора; АЕа, АЕг, áЕ2 - флуктуации яркости и освещенности;

Pv< Pv " коэффициенты канонического разложения случайной функции коэффициента отражения р( х); Л - длина волны первой гармоники разложения; ZQ - диапазон контроля; Z - величина контролируемого

дефекта; р0 - спектральный коэффициент отражения; Дгс -

• ? i

флуктуации коэффициента пропускания среды; Т = 7гг0 s m и ; т0 -спектральный коэффициент пропускания оптической системы и

промежуточной среды; и - задний апертурный угол объективов;

„ 271

2тг Л Sa—vzb (Dv = — V ; Qv - —----r0 - радиус кружка

Н»)

рассеяния объектива.

Анализ дополнительной погрешности показал, что она включает аддитивную, мультипликативную и степенные, составляющие. Для изделий, изготавливаемых на АРЛ, • в структуре дополнительной погрешности преобладает мультипликативная составляющая, что делает необходимым применение структурного метода мультипликативной коррекции дополнительной погрешности при построении оптимальной системы контроля. Полная инвариантность может быть обеспечена-комбинацией способов коррекции дополнительной погрешности.

Разработана система контроля с мультипликативной коррекцией дополнительной погрешности, основанной на принципе управления функцией преобразования канала контроля. Разработаны структуры систем контроля дефектов формы поверхности с мультипликативной коррекцией с линейным и нелинейным управлением, определены границы их использования, получены условия инвариантности систем с мультипликативной коррекцией. Теоретические исследования показали высокую эффективность нелинейной мультипликативной коррекции. . Величина нескорректированной погрешности составила менее 1% при уровне шума на входе системы контроля, превышающим номинальный световой поток в 5 раз. Теоретические результате! подтверждены экспериментально. Результаты исследования эффективности методов мультипликативной коррекции степенных составляющих

дополнительной погрешности, показали слабое влияние этого вида коррекции на них.

~ В процессе контроля часть световой марки виньетируется диафрагмой анализатором канала контроля, и флуктуации яркости згой части, вызванные микрогеометрией поверхности, не регистрируются. В то же время, в сигнале управления коэффициентом усиления присутствует составляющая, в которой учтены эти флуктуации, следствием чего является некомпенсированный шум на выходе канала контроля -степенные составляющие дополнительной погрешности контроля. Проблема их компенсации решается в работе введением в систему Контроля с мультипликативной коррекцией флуктуационного канала.

Для системы с флуктуационным каналом коррекции разработана структурная схема, определены условия инвариантности, экспериментально подтверждена высокая эффективность коррекции мультипликативной и степенных составляющих дополнительной погрешности.

В седьмом разделе; приведены примеры реализации полученных в диссертации результатов, выраженных в конкретных разработках автоматизированных систем и устройств контроля дефектов поверхности.

Дано описание проекта роторного автомата контроля дефектов поверхности гильз патрона ПМ, приведены характеристики датчика автомата контроля. В основу конструкции датчика положен корреляционный, рсфлектометрическнй способ контроля, определенный, в результате проведенных исследований, как оптимальный для класса деталей изготовленных на АРЛ. Датчик конструктивно размещен внутри автономного блока контроля, что практически исключает влияние на достоверность контроля вибраций движущихся частей автомата контроля. Производительность роторного контрольного автомата со встроенным датчиком определяется как N = рВа / б, где р - число рабочих позиций в роторе; а - угол ротора на котором происходит цикл измерения, град;

1

В = - - быстродействие датчика , измерение/с;

Сх + ¿2 + £э

£} , ¿з, £з - время установки детали на измерительной позиции, время измерения, время удаления детали с измерительной позиции соответственно. Быстродействие датчика регламентируется, исключительно, временем установки, удаления и сканирования поверхности детали, так как собственное быстродействие опго-электронного канала системы контроля составляет десятки килогерц, в

¿вязи с нем его достоянная времени ничтожно мала по сравнению с темпом работы линии. Разработанный датчик имеет быстродействие В, а 2 измерения/с, что позволяет при шести рабочих позициях контрольного ротора и рабочем угле ск *" 240 град обеспечить теоретическую производительность автомата контроля N = 480 шт/мнн.

Датчик обеспечивает разрешающую способность обнаружения: трещин - 0.01 мм; царапин - 0.005 х 0.01 мн>* плен - 0 01 х 0.02 мм; складок - 0.1 к 0.2 мм; забоин - < 0.25 мм3.

Описано устройство контроля дефектов взаимного расположения поверхностей, являющегося составной частью комплекса неразрушающего контроля качества боеприпасов спортивного и охотничьего оружия. В основе конструкции устройства лежит система Контроля дефектов формы поверхностей с мультипликативной коррекцией. Приведены результаты исследования Методической погрешности контроля. Предельная погрешность контроля составила ±6.5 мкм.

Рассмотрены вопросы реализации микропроцессорной системы контроля качества поверхности изделий. Описана компоновка специализированного вычислительного комплекса, т реализующего Корректируемую стратегию контроле дефектов в нестационарных условиях контроля. Испытания системы контроля показали следующие результаты «о разрешающей способности выявления дефектов:

- раскрытие трещин, царапин * М мм;

- высота наплыва, глубина вмятины, перепад краевого гофра - 0.2 мм;

- минимальная площадь вкраплений -1 мм2\

- толщина масляной пленки на поверхности -0.01 мм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Ц ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена научно - техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в разработке научных основ построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий, способствующих повышению эффективности автоматизированного контроля дефектов поверхности изделий Массовых производств в условиях действия помех и влияющих факторов.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Предложен новый принцип построения оптимальных рефлектометрических систем контроля дефектен поверхности,

состоящий в учете соотношений между текущими значениями ------------

интенсивностей зеркальной и диффузной составляющих индикатриссы рассеяния, их взаимной корреляционной функции, и автокорреляционной функции профиля поверхности.

2. Определены следующие основные стратегии контроля, в зависимости от объема информации, возможности идентификации и характера использования информации об эквивалентной переменной состояния функционирования: некорректируемая и адаптивная, а в рамках последней структурно - ^Корректируемая и корректируемая.

3. Разработана математическая модель процесса обнаружения дефектов поверхности оптическим рефлектометрическим методом, включающая модели дефектов поверхности, на основе исследования которой определены информативные параметры, регистрация которых обеспечивает оптимальное обнаружение дефектов поверхности. В качестве модели рассеяния света статистически неровной поверхностью принята модель П.Бекмана. Для крупных дефектов (вмятина, складка, забоина, плена, раковина) построены модели на основании допущений геометрической оптики. Подстилающая поверхность характерных дефектов аппроксимирована рядом финитных функций: косинусным импульсом, косинус-квадратным импульсом; симетричной //- функцией. Для малых дефектов (царапина, трещина) в качестве модели предложена функция затенения.

4. Разработаны способы и устройства обнаружения и идентификации дефектов поверхности, инвариантные, в пределах ограничений, к внешним влияющим факторам, реализующие регистрацию и обработку новых информативных параметров. Получены условия инвариантности. Способы и системы обнаружения дефектов построены по принципу выделения флуктуации информативных параметров

> ' ^лЗ' ^с ' а> т) на фоне флуктуаций, вызванных

неидеалыюстью характеристик контролируемой поверхности и условий контроля.

5. Разработаны методики и программное обеспечение сравнительного анализа эффективности алгоритмов некорректируемой и структурно -некорректируемой стратегии обнаружения дефектов, позволяющие определить оптимальный алгоритм контроля для любых типов дефектов поверхности и класса шероховатости поверхности при контроле методом последовательного, сканирования или методом анализа изображения. Диалоговые системы оценки эффективности и

оптимизации алгоритмов обнаружения дефектов DEFEKT и FEANO позволяют:

- исследовать эффективность работы каждого алгоритма при контроле одного или нескольких типов дефектов по выбору в отдельности;

- проводить сравнительный анализ эффективности группы или всех алгоритмов для контроля выбранного типа дефекта при действии различных вариантов входных помех;

- выбрать оптимальный алгоритм для контроля одного или нескольких типов дефектов;

расширять библиотеку алгоритмов, пополняя ее любыми известными или вновь предлагаемыми способами обнаружения дефектов, основанными на рефлектометрическом методе.

6. Исследована эффективность алгоритмов обнаружения дефектов поверхности изделий для различных классов шероховатости. К наиболее эффективным алгоритмам обнаружения дефектов на поверхности класса изделий, изготовленных на АРЛ относятся алгоритмы основанные: на анализе корреляционной функции поверхности; на анализе отношения диффузной и зеркальной составляющих рассеянного света; на анализе диффузной составляющей рассеянного света. Оптимальным алгоритмом рефлектометрической дефектоскопии поверхности изделий массового производства на АРЛ является корреляционный способ обнаружения дефектов поверхности ( пат. РФ №№ 1239568, 1388725).

7. Получены теоретические зависимости, определяющие условия инвариантности и принципы построения структур и алгоритмов систем контроля дефектов формы поверхности на основе анализа дополнительной погрешности измерения.

8. Разработаны способы реализации корректируемой и адаптивной стратегий контроля дефектов в условиях неполной информации и априорной неопределенности. Корректируемая стратегия контроля дефектов реализуется путем анализа индикатриссы рассеяния, расчета параметра формы индикатриссы и последующего определения оптимального алгоритма обнаружения дефектов из библиотеки алгоритмов. Выбор оптимального варианта обнаружения дефектов при априорной неопределенности состояния функционирования формулируется как задача безусловной минимизации средних потерь, решаемая с помощью рекуррентных алгоритмов.

9. Разработаны системы, устройства и программное обеспечение оптимального рефлектометрического контроля дефектов поверхности. Разработанные способы и системы контроля функционируют в режиме

реального времени, реализуют относительно простые алгоритмы, не требующие больших затрат времени на вычисления, обладают высокой надежностью обнаружения дефектов на фоне мощных шумов, что позволяет обеспечить требуемую производительность контроля поверхности деталей в контрольных автоматах роторного типа и рекомендовать их при проектировании датчиков и систем обработки информации.

10. Разработанные в диссертации принципы построения и способы реализации оптимальных систем контроля положены о основу реализованных в промышленности устройств и систем:

- устройства для контроля дефектов взаимного расположения поверхностей в системах неразрушающего контроля качества боеприпасов спортивного и охотничьего оружия (ПО "Тульский патронный завод" , ЦНИИТМ);

- устройство для обнаружения дефектов поверхности изделий (СКТБ, г.Алексин);

- информационно-измерительная система для контроля внешнего вида изделий, пакет программ анализа изображения поверхности ELDEF (СКТБ, г.Алексин);

- макет автоматизированной системы контроля дефектов поверхности (ТНИИТМ "Прогресс").

Содержание диссертации полностью отражено в 54 публикациях, основными из которых являются:

1. Фотоэлектрический бесконтактный контроль изделий в автоматизированном штамповочном производстве/И.В.Харизоменов, К.С.Рудаков, В.С.Котляров, П.А.Сорокин//Тез.докл. Всесоюз.совещ. "Основы синтеза машин-автоматов". Тамбов: ТИХМ, 1979.- С. 97.

2. Сорокин П.А. Вопросы синтеза фотоэлектрических измерительных преобразователей для контроля размеров изделий//ВОТ. Серия 23, Москва, ЦНИИипформацин.- 1979.- вып. 31.- С. 27-31.

3. Сорокин П.А. Фотоэлектрические измерительные преобразователи с мультипликативной коррекцией дополнительной погрешности/Тула: ТулПИ, 1980.- Деп.в ВНИИКИ. - 1981. - №68.

4. Сорокин П.А. Структурная оптимизация фотоэлектрических устройств для контроля качества изделий АРЛ//Исследования в области безлюдной технологии, гибких производственных и комплексно-автоматизированных систем,- Тула: ТулПИ, 1984,- С. 7579.

5. Сорокин П.А., Горелов A.C., Космодемьянский A.B. Разработка устройств контроля качества изделий на основе энтропийного анализа погрешности измерения//Исследования в области прогрессивной

технологии и автоматизации производства.-Тула:ТулПИ, 1985.- С. 4146.

6. Сорокин П.А. Эффективность структурных методов компенсации помех при контроле качесства изделий//Исследования в области безлюдной технологии, гибких производственных и комплексно-автоматизированных систем.- Тула: ТулПИ, 1986,- С. 65-71.

7. Сорокин П.А. Корреляционный способ в автоматизированной дефектоскопии поверхности штампованных деталей//Безлюдные роторные и гибкие технологии.- Тула: ТулПИ, 1987.- С. 40-57.

8. Сорокин П.А. Методы дефектоскопии штампованных детален в роторных автоматических линиях//Кузнечно-штамповочиое производство,- М: 1988, №9.- С. 34-38.

9. Сорокин П.А. Способ автоматической селекции деталей по видам дефектов новерхности//Исследовапия в области безлюдной технологии, гибких производственных и комплексно-автоматизированных систем.- Тула: ТулПИ, 1988,- С.57-60.

10. Сорокин П.А. Корреляционные способы автоматического контроля дефектов поверхности//Тез .докл. реснубл. науч.-техн. конф. "Проблемы автоматизации перенастраиваемых производств в машиностроении".- Волгоград: ВПИ, 1988. - С. 36.

11. Клусои И.А., Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Оценка качества алгоритмов оптического контроля поверхностных дефектов продукции//ВОТ. Серия 13. Комплексная автоматизация производства н роторные линии. Москва, ЦНИИинформаниа.- 1990,-вьш.2(73). - С. 31-42.

12. Сорокин П.А., Котляров B.C., Чистяков В.Л. Аппаратное и. • программное обеспечение информационно-измерительной системы контроля поверхности изделий//ВОТ. Серия 13 "Комплексная автоматизация производства и роторные линии". Москва, ЦНИИинформации.- 1990,- выи. 1(72). - С. 23-32.

13. Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Оптические способы обнаружения и классификации дефектов поверхности изделнй//ВОТ. Серия 13 "Комплексная автоматизация производства и роторные линии". Москва, ЦНИИинформации,- 1990,- вып. 1(72). - С. 32-45.

14. Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Обнаружение дефектов на статистически неоднородной поверхности//БП. Москва, ЦНИИинформации,- 1990,- №11. - С. 28-38.

15. Сорокпс П.А., Чистяков В.Л. Автоматизация визуального контроля наружного вида//ВСМ. Москва, ЦНИИинформации.- 1990,-вын.5(329). - С. 8-13.

. .Iii, Сорокин H.A., Чистяки» В.Л. Вычисли"-'«neu;* информационно - измерительной гмет'.м коьгг'т.. .¡Г-/"/' поверхности/ /ПСМ. Москва, ЦНИИинфорчашш.- И">1.- выа.Л« ib", С 8-13.

17. Сорокин U.A., Моигсга С. В.. Чистяков ! • - • автоматизированного дефсктосконнрошшня -П1ЛЗЕР//ТосФЛП, и«« № N7/ОФЛП

18. Сорокин П.Д. Адаптивный подход оигачослом дефектоскопнровднни ■ изделий роторной технологии//ВОТ. Серия 13 "Комплексная автоматизация производства И роторные лтшк". Могчпя, ЦНИИ информации,- НШ2 - Rbin.3 U82-83). - С. 28-35.

19. Клусов И,А., Сороки» I1.A., Чистяков В.Л. Высокая технология адаптивного Контроля дефектов поверхности изделий машиностроения//Нг»у><н.-техн.сб. "Оптимизация производственных процессов". Севастополь.- 19!М.- вып.2. - С. 30-31.

20. Сорокин П.А. Корреляционный способ автоматизированного контроля поверхностных дефектов//Сб. научн.труд. Воронежской технологической академии.- Воронеж.- 1995. - С. {46-149.

2: Сорокин U V л.т.отиж!!.:!"! имГ-'ч •>-..••• " ..

дефектов ног.-.-:->•.,.- -......

производственных проиеесоч' Гтеттипь ■ i■ .' '*

14.

22. Сорокин П.А Аитомащ.'нфопаннаи дефгкчн-мжчд (Н.псрхим и, деталей методами корреляционной) анализа . Проблемы машиностроения и надежности машин. Москва, "Наука' . 1995.- №4,-С. 98-103.

23-39. Пат. РФ №№14!Ш>3.1659796.13887/.;.! /WSiiH.H', v«-1548725,1619145,1803724,1475865,1371847,1418211; л.с. №№785645, 727986,185154,186059,20690(; полож. реш. m |П 'И щ- н- .шч; №94045194/25/045523 ' от 27 »2.94.

Подтает в вегжп /J Сi't Формлт Cjrwuv Coisi I/IS. Бутаг» таич>раф. Mi 2. Офсетля вепть. Усл. ист..»- «С 1. Усл. . Уч.над.,». Z С Тн|мж fS~ яп.

Змаз -У/f.

Гумаасб государственный университет. 399600, Тух», вроет. Лепота, 9Z. Оодраадслгнне оперешоной полиграфии Тульского госуджрствгшгого упнпер-atfCTa. 36СШ Тух», ухЛолдшч., 151, '