автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение качества термической склейки тонких плёнок на основе цифровой обработки изображений клеевых швов

005536830

На правах рукописи

Цысс Дмитрий Григорьевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ СКЛЕЙКИ ТОНКИХ ПЛЁНОК НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

КЛЕЕВЫХ ШВОВ

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2013

31 ш 2013

005536830

Диссертация выполнена на кафедре «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шулепов Алексей Виленинович ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мельников Владимир Павлович

ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва

кандидат технических наук Косинский Дмитрий Владимирович

ФБУ «Ростест-Москва», г. Москва Заместитель начальника лаборатории

Ведущая организация: ОАО «НИИизмерения»

Научно-исследовательский и конструкторский институт средств измерений в машиностроении Г. Москва

Защита состоится '» ноября 2013 года в /^^часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., 1, ауд. 0622.

Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «23» октября 2013 года.

Ученый секретарь диссещадшш1£п>

совета, к.т.н. Иванов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение качества изготовления изделий из тонких полимерных плёнок является важной задачей, т. к. применение данных изделий связано со здоровьем и безопасностью людей, обеспечением безопасности и обороноспособности государства. В основном качество изделий из полимерных плёнок определяется качеством клеевых (сварных) соединений. Срок гарантийного хранения изделий может достигать двадцати трёх лет. В процессе хранения изделия подвергаются воздействию факторов окружающей среды, которые могут ухудшить полезные свойства изделий: циклические перепады температуры относительно О °С, воздействие повышенной влажности и др. Поэтому прочностные свойства клеевого шва, соответствующие требованиям технической документации на момент выпуска из производства, не могут гарантировать выполнение изделием своего функционального назначения в процессе эксплуатации после длительного хранения из-за скрытых дефектов.

Контроль клеевых швов производится внешним осмотром и экспертной оценкой. В настоящее время инструментальные методы неразрушающего контроля качества клеевых швов изделий из тонких полимерных плёнок не применяются. Существует риск пропуска дефектов, которые неразличимы невооружённым глазом, либо обусловлены усталостью и невнимательностью контролёра. Следует отметить, что имеется описание дефектов, различимых лишь невооружённым глазом (пережог, смятие, непровар и др.). Дефекты, не различимые невооружённым глазом, должным образом не изучены, однако известно их негативное проявление по результатам циклических испытаний изделий после длительного хранения (пузырьки воздуха в зоне шва и др.).

Изделия из тонких полимерных плёнок изготавливаются методом термической склейки (сварки) составляющих элементов конструкции. Качество изготовления обеспечивается за счет поддержания заданной температуры на поверхности рабочего инструмента, создания требуемого усилия контакта

между инструментом и соединяемыми элементами, соблюдения времени воздействия нагретого инструмента на соединяемые элементы. Существует проблема поддержания необходимой температуры поверхности рабочего инструмента в процессе термической склейки швов. Динамика процессов нагрева инструмента и теплообмена при термической склейке в должной мере не изучена, а применяемая система управления не обеспечивает необходимую точность регулирования температуры. Температура рабочего инструмента контролируется без учёта влияния факторов окружающей среды и свойств материала, тепловой инерции инструмента и методической погрешности измерения температуры.

Исходя из вышеизложенного, актуальной является задача построения информационно-измерительной системы (ИИС) для контроля качества клеевых швов и управления параметрами ТП термической склейки.

Цель работы заключается в повышении качества изделий (снижение количества дефектов) из тонких полимерных плёнок, толщиной до 50 мкм, за счёт разработки и применения информационно-измерительной и управляющей системы для контроля клеевых швов на основе средств оптической микроскопии и цифровой обработки изображений, адаптивного управления технологическим процессом термической склейки по результатам контроля клеевых швов.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. исследование дефектов клеевых швов и построение их классификации;

2. построение моделей дефектов клеевых швов;

3. разработка методов контроля дефектов клеевых швов на основе цифровой обработки их изображений, получаемых средствами оптической микроскопии;

4. выбор оптимальной структуры и построение экспериментального образца

информационно-измерительной системы;

5. установление причин возникновения скрытых дефектов клеевых швов;

6. разработка программного обеспечения (ПО) для контроля качества клеевых швов и управления параметрами технологического процесса. Методы исследования. В работе использованы методы цифровой

обработки изображений: яркостные преобразования, фильтрация, пороговые преобразования, алгоритмы морфологической обработки и сегментации; методы теории нечёткой логики, автоматического управления, искусственного интеллекта. Расчёт и моделирование параметров ИИС, разработка программного обеспечения выполнялись в среде МАТЬАВ. Научная новизна работы заключается:

1. в описании дефектов клеевых швов тонких плёнок, не различимых невооружённым глазом (скрытые дефекты);

2. в методике численной оценки качества клеевого шва на основе контроля его характеристик с помощью компьютеризированного микроскопа;

3. в установлении причин возникновения скрытых дефектов и оценке их влияния на качество и сохраняемость изделий.

Практическая значимость работы заключается:

1. в методике контроля дефектов клеевых швов на основе средств оптической микроскопии и цифровой обработки их изображений;

2. в алгоритмах цифровой обработки изображений, осуществляющих автоматизированное обнаружение и наглядное отображение дефектов клеевых швов на экране компьютера;

3. в численных параметрах качества клеевых швов тонких плёнок, используемых при автоматизированном определении оптимальных параметров технологического процесса термической склейки;

4. в экспериментальной информационно-измерительной системе для автоматизированного контроля качества клеевых швов и адаптивного

управления технологическим процессом термической склейки тонких полимерных плёнок;

5. в исследовании метрологических характеристик разработанной информационно-измерительной и управляющей системы. Реализации и внедрения. Материалы исследований и результаты диссертации внедрены и используются в технологических линиях по термической склейке (сварке) тонких полимерных плёнок в ОАО «ДКБА».

Апробация работы и публикации. Основные положения работы обсуждались и докладывались: на заседаниях кафедры «ИИСиТ» МГТУ «СТАНКИН»; на производственных совещаниях в ОАО «ДКБА»; на XI Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений»(МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2011); на X Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы современной техники» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012); на Всероссийской молодёжной конференции «Автоматизация и информационные технологии АИТ-2012» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», Москва, 2012).

По теме исследования опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, основных выводов, списка литературы из 102 наименований и девяти приложений. Общий объём работы 178 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована научная новизна работы, отмечена ее актуальность и практическая значимость.

В первой главе дано определение объекта исследования. Рассмотрено состояние проблемы изготовления и обеспечения качества изделий из тонких полимерных плёнок для нужд машиностроения, лёгкой промышленности, медицины, военной и аэрокосмической техники.

Методологической базой исследований послужили работы В.И. Телешевского и др. в области компьютеризации измерительных микроскопов, Э.Р. Кларка (Великобритания), К.Н. Эберхардта (Великобритания) и др. в области микроскопических методов исследования материалов, Д.А. Форсайта (США), Ж. Понса (США), P.C. Гонсалеса (США), Р.Э. Вудса (США) и др. в области компьютерного зрения и цифровой обработки изображений.

Рассмотрен ТП по производству изделий из тонких полимерных плёнок, в том числе металлизированных (термическая склейка и сварка), выявлены основные проблемы по обеспечению качества изготовления и контроля данных изделий, которые заключаются в следующем:

• отсутствует классификация дефектов клеевых швов, в том числе не различимых невооружённым глазом;

• точность регулирования температуры поверхности рабочего инструмента для термической склейки (сварки) не соответствует требуемой;

• существует необходимость индивидуального подбора оптимальных параметров ТП для однотипных материалов из каждой партии;

• отсутствуют методы и средства для неразрушающего численного контроля качества клеевых швов.

В ходе исследований установлено, что применяемые на данный момент методы и средства контроля качества клеевых швов и испытаний свойств изделий из тонких ПЭТФ плёнок не гарантируют в полной мере сохраняемость изделий в течение всего гарантийного срока.

В качестве методов и средств контроля рассмотрены контактные и бесконтактные средства измерений: профилометры, средства акустической дефектоскопии, средства оптической микроскопии и др. Установлено, что наиболее целесообразным является применение средств оптической микроскопии, в основном измерительных микроскопов. Однако, контрастность получаемых изображений клеевых швов невелика, а операции по настройке

оптической системы и визуальному анализу структуры клеевых швов очень трудоёмки. Поэтому следует применять компьютеризированные (цифровые) микроскопы, оснащённые видеокамерой, подключённые к компьютеру и содержащие необходимое ПО для автоматизации процесса контроля.

Во второй главе разработана методика по исследованию дефектов (характеристик) клеевых швов тонких ПЭТФ плёнок с помощью цифрового иБВ-микроскопа DigiMicro 2.0 и компьютеризированного универсального микроскопа УИМ-21 при увеличении от 10х до 200х. Разработана классификация дефектов клеевых швов, которая приведена в табл. 1. Установлено, что для измерения параметров структурных элементов клеевых швов достаточно разрешения от 0,05 мм. Однако, применение цифрового микроскопа позволяет получить разрешение не хуже 4 мкм, что обеспечивает значительный запас точности.

Пузырьки воздуха с поперечным сечением менее 1,0 мм не различимы невооружённым глазом. Результаты испытаний показывают, что скопление пузырьков воздуха в зоне клеевого шва может привести к разрушению изделия в условиях высокого разрежения (атмосферное давление менее 1 кПа). При длительном хранении изделий в условиях высокой влажности и циклических перепадов температур может произойти нарушение структуры клеевого шва за счёт дрейфа пузырьков, конденсации влаги, взаимодействия атомарного кислорода с ионами металла (для металлизированных плёнок) и др.

В табл. 2 представлены допустимые размеры и количество пузырьков воздуха в зоне клеевого шва, не оказывающие влияния на прочность соединения в условиях высокого разрежения. Оценка расслаивающего усилия выполнена по формуле:

т=Ртб1 , где (1)

р„зб - избыточное давление пузырька воздуха, 1 - наибольший габаритный

размер пузырька воздуха.

Вид дефекта Описание Допустимые отклонения Метод контроля

Смятие Смятия, складки, вытяжки, морщины в околошовной зоне Не допускается В; ЦМ1

Пузырьки воздуха Наличие воздушных пузырьков в зоне клеевого шва Приведено в табл. 2 В(крупные пузырьки); ЦМ

Деструкция Разрушение материала из-за пережога или механических повреждений Не допускается В; ЦМ

Снятие металлизированного слоя2 Металлизированный слой в зоне шва повреждён Не более 5 мм2 на 100 мм шва В; ЦМ

Перекос Кромки стыкуемых полос заготовок не параллельны Отклонение более 1 мм на 30 см погонной длины ЦМ

Зазор Зазор между стыкуемыми полосами заготовок превышает допустимый Зазор не более 3 мм Измерительная линейка; ЦМ

Следы клеевой полосы вне зоны шва Наличие остатков клея на соединяемых элементах Не более 3 мм в стороны от шва Измерительная линейка; ЦМ

Неравномерность шага сетки Сетчатая структура, остающаяся на материале шва, имеет неравномерный характер Не более 20% на базовой длине 100 мм ЦМ

Наличие посторонних включений в зоне шва Ворсинки, пылинки и др. Не допускается В; ЦМ

Таблица 2 — допустимые размеры пузырьков воздуха в зоне клеевого шва

Базовая длина, мм Наибольший поперечный размер пузырька, мм Допустимое количество пузырьков, ед. Оценка расслаивающего усилия, не более, Н/м

10 1,0 1 100

10 0,5 3 150

10 0,2 5 150

10 0,1 10 150

50 1,0 5 150

50 0,5 10 150

50 0,2 15 150

100 1,0 7 150

100 0,5 15 150

1 В - визуальный осмотр, ЦМ - цифровой (компьютеризированный) микроскоп

2 Допустимые отклонения определяются спецификой применения изделий, для некоторых изделий повреждение металлизированного слоя не допускается

В соответствии с техническими условиями прочность клеевого шва из ПЭТФ плёнок толщиной (12,0±0,3) мкм на расслаивание должна быть не менее 150 Н/м, на сдвиг - не менее 1500 Н/м.

На рис. 1, 2 представлены изображения клеевых швов, полученные при различном увеличении. В соответствии с предложенной классификацией разработаны модели дефектов клеевых швов, которые используются при автоматизированном контроле качества клеевых швов в ПО ИИС.

Рисунок 1: Дефекты клеевых швов

На рис. 1 (а-в) приведены изображения одного и того же участка клеевого шва, полученные в проходящем свете на УИМ-21 при увеличении 75х и различной фокусировке объектива. Видно, что пузырьки воздуха в зоне клеевого шва отличаются от окружающего фона. Нарушена сетчатая структура. В качестве модели для данного типа дефекта предлагается использовать:

• оценку регулярности сетчатой структуры (при фокусировке, как

изображено на рис. 1а) за счёт выделения контуров и их сравнения с эталонной сеткой;

• пороговые преобразования яркости изображений с целью выявления участков с различной яркостью и наглядного выделения дефектов (рис. 16);

• выделение контура, определение его геометрических характеристик (габаритные размеры и площадь), когда структура шва без дефектов сливается с фоном (рис. 1в, г).

Для определения зазора между соединяемыми плёнками и отклонения от параллельности (перекоса) предлагается использовать модель средних прямых, построенных методом наименьших квадратов. Прямые выделяются обработкой изображения функцией выделения контура (рис. 1а, в).

Дефекты в виде смятия плёнки могут быть описаны с помощью резкого перепада уровня яркости на границе раздела ровных участков клеевого шва (или плёнки) (2а). Деструкция материала (механические повреждения, пережог, снятие металлизированного слоя) могут быть описаны как функция изменения яркости фона (или цвета). Выявление и идентификация данных дефектов не представляет сложности.

Наибольшую сложность представляет выявление пузырьков воздуха в зоне шва, т. к. при различном освещении и увеличении бывает трудно даже визуально отличить пузырёк воздуха от не до конца растворённого клея, также сетчатая структура и пузырьки воздуха «сливаются» при наличии бликов.

На рис. 2а видно, что при увеличении ЗОх поверхности склеенных плёнок сливаются по фону с плёнкой, выделяются только гребешки, наследуемые от сетчатой структуры подложки. На рис. 26 видно, что при увеличении 200х выделяется граница раздела двух сред: склеенных плёнок и свободной плёнки, а пузырьки воздуха чётко просматриваются и могут быть выявлены функцией выделения контура.

Рисунок 2: Дефекты клеевых швов

Таким образом, изучены и описаны дефекты клеевых швов тонких ПЭТФ плёнок, а также разработаны их модели, которые используются в ИИС для автоматизированного выявления и наглядного выделения дефектов.

Для определения оптимальных параметров ТП для каждой партии однотипных материалов разработан обобщённый критерий качества клеевого шва, который определяется по результатам обработки заданного количества цифровых изображений, полученных при увеличении (20...50)х и 200х на различных участках.

При увеличении (20...50)х оценивается неравномерность сетчатой структуры клеевого шва. В случае, если она не превышает 20%, то производится оценка качества клеевого шва при увеличении 200х (выявление скрытых дефектов). Коэффициент качества клеевого шва на рассматриваемом

участке при увеличении 200х определяется по формуле:

'где (2)

К — коэффициент качества клеевого шва (от 0 до 1,0); М, N — количество пикселей изображения по горизонтали и вертикали; Б] - площадь ¡-й области (к — общее число выделенных областей на рассматриваемом участке). Близость К к нулю свидетельствует об отсутствии крупных пузырьков воздуха в зоне клеевого шва и высоком уровне качества рассматриваемого участка.

Обобщённый коэффициент качества клеевого шва определяется как

среднее арифметическое полученных результатов для каждого из рассматриваемых участков. В случае, если значение К превышает 0,3 на каком-либо участке клеевого шва, то обобщённый коэффициент не вычисляется, а шов бракуется.

Также проведена оценка влияния конструкции рабочего инструмента на качество получаемых клеевых швов. Проведён расчёт тепловых процессов, протекающих между инструментом и соединяемыми плёнками в процессе их термической склейки. Установлено, что конструкция ролика для термической склейки (сварки) имеет существенные недостатки: датчик температуры (термопара ТКХ(Ь)) находится вне зоны регулирования, а рабочий элемент (латунное кольцо) имеет низкую теплоёмкость. Это приводит к быстрому охлаждению инструмента при осуществлении операций ТП термической склейки. Нестабильность поддержания температуры значительно превышает требуемые ±5 °С и в лучшем случае соответствует ±8 °С.

По результатам расчётов, с учётом принятых допущений, установлено, что эффективная тепловая мощность, которая может быть физически передана рабочей поверхностью ролика диаметром 45 мм и номинальной мощностью 55 Вт, составляет около 38 Вт. Тепловая мощность приёма тепла склеиваемыми материалами составляет 19 Вт (с учётом площади теплового контакта). Таким образом, при осуществлении ТП роликом 045 мм требуется делать перерывы каждые (8... 10) с. Длительность перерыва для восполнения тепловых потерь должна быть не менее 20 с.

Установлено, что скрытые дефекты (пузырьки воздуха) клеевого шва проявляются при снижении значения температуры инструмента от требуемого значения более, чем на 3,0 °С из-за конструктивных недостатков инструмента и метода регулирования, а также отклонений формы и расположения элементов поверхности инструмента сложного профиля (если значения отклонений формы и расположения превышают толщину соединяемых элементов).

В третьей главе приведены результаты практического подтверждения теоретических исследований и результаты испытания экспериментальной ИИС, построенной на базе цифрового иБВ-микроскопа DigiMicro 2.0 для автоматизированного исследования дефектов клеевых швов. Разработаны алгоритмы цифровой обработки изображений и ПО, позволяющие производить визуальное улучшение характеристик исходных изображений, их морфологическую обработку с целью автоматизированного выявления и наглядного выделения дефектов клеевых швов, а также определения геометрических характеристик дефектов и вычисление обобщённого критерия качества клеевого шва. Структура ИИС приведена на рис. 3.

Структура экспериментальной ИИС

Внешние датчики:

• температура

• давление

• влажность

• напряжение

Модуль сбора н обработки информации (компьютер)

I

I Оптимальные параметры ТП|

Рисунок 3: Структура ИИС

Алгоритм цифровой обработки и анализа изображений с целью выявления и наглядного выделения на экране компьютера дефектов клеевых швов тонких плёнок может быть описан следующими действиями:

1. Получение изображения в требуемом разрешении и увеличении.

2. Создание копии изображения.

3. Визуальное улучшение копии изображения с помощью фильтрации

медианным фильтром 3x3 и обработки функцией гистограммной эквализации с числом корзин 32 и его вывод на экран.

4. Предварительная обработка изображения (сглаживание фильтром Гаусса, подавление шумов, пороговая обработка и др.).

5. Морфологическая обработка изображения с целью выявления и локализации дефектов клеевых швов. Если обнаружены дефекты, вызванные деструкцией материала, то перейти к шагу 10 и остановить процесс.

6. Определение характеристик качества клеевого шва (оценка сетчатой структуры или размеров и концентрации посторонних включений в зоне шва).

7. Вычисление коэффициента качества клеевого шва и его сохранение в оперативной памяти компьютера (если коэффициент превышает значение 0,3 -переход к шагу 10 и остановка процесса).

8. Наложение контуров выявленных дефектов на исходное изображение с целью визуализации (наглядного отображения) картины их распределения.

9. Повторение шагов 1 - 8 для определения характеристик клеевого шва на других участках с требуемой периодичностью.

10. Вычисление обобщённого коэффициента, характеризующего качество всего клеевого шва (в случае аварийного останова из-за наличия деструкции плёнки обобщённому коэффициенту присваивается отрицательное значение).

ПО ИИС построено на базе пакета 1РТ МАТЪАВ с использованием механизмов «дополненной реальности».

На рис. 4(а-е) приведена последовательность результатов цифровой обработки изображений в программе МАТЬАВ согласно реализованному алгоритму. Видно, что «засвеченные» области тоже обработаны, т. к. функция выделения контура реагирует на резкое изменение уровня яркости. Однако, даже для текущих условий освещённости (4,5 клк ±10%) погрешность, вызванная «засветкой», не превышает 10% от суммарной площади выявленных дефектов.

Метрологические характеристики ИИС: цена деления одного пикселя при увеличении 200х и разрешении изображения 640x480 составляет (3,1 ±0,4) мкм; поле зрения (диапазон измерения) составляет 1984x1488 мкм.

г д е

Рисунок 4: Обработка изображения - выявление и наглядное отображение дефектов

С помощью ИИС выявлены взаимосвязи между параметрами ТП и качеством получаемых клеевых швов при термической склейке тонких ПЭТФ плёнок на сварочных установках УС-6. Это позволяет пропускать несколько промежуточных шагов при определении оптимальных параметров ТП. Пример определения оптимальных параметров для термической склейки на сварочных установках приведён на рис. 5. Видно, что качество клеевых швов, полученных при значениях температуры рабочего инструмента 135, 141 и 150 °С не соответствуют заданным требованиям (верхний ряд), т. к. неравномерность сетчатой структуры превышает 35%. Во втором и третьем рядах приведены изображения клеевых швов, полученные при температуре 155, 160 и 162 °С соответственно, при увеличении 35х и 200х (по столбцам). Швы, полученные при температуре 155 и 160 °С, по результатам визуального контроля признаны годными, однако с помощью предложенных алгоритмов выявлены скрытые

дефекты, которые приводят к разрушению изделий в условиях высокого

разрежения.

т, °с с к

135 7 0,76

135 9 0,72

135 11 0,71

141 7 0,54

141 9 0,51

150 7 0,42

150 9 0,39

155 7 0,28

155 9 0,26

160 5 0,22

160 7 0,19

160 9 0,20

162 5 0,12

162 7 0,08

ННЯЯК ■т' .ЖШШВШНН Т=162 "с, г=7 с

Рисунок 5: Определение оптимальных параметров ТП

Применение ИИС позволяет сократить временные и трудовые затраты на проведение контроля пробных швов более чем на 500%. Затраты времени на определение оптимальных параметров ТП сокращаются на 250%.

В четвёртой главе произведена разработка и исследование экспериментальной управляющей ИИС для термической склейки тонких ПЭТФ плёнок. На основе оценки влияния конструкции инструмента на качество клеевых швов предложена следующая модернизация рабочего инструмента и регулирующего оборудования с целью улучшения характеристик ТП:

• замена термопары ТХК(Ь) на инфракрасный датчик температуры с унифицированным токовым выходом (4...20) мА, что позволяет производить измерения температуры непосредственно рабочей поверхности и своевременно реагировать на её изменение управляющей системе, осуществляющей регулирование по ПИД-закону;

снабжение ролика светодиодным индикатором нагрева рабочей поверхности для наглядного отображения стадии процесса нагрева; оснащение ролика цифровым микроскопом или видеокамерой. Структурная схема управляющей ИИС приведена на рис. 6.

Рисунок 6: Структурная схема управляющей ИИС

На схеме использованы следующие обозначения: РИ-1 ... РИ-Ы - рабочий инструмент различной конфигурации, снабжённый датчиком температуры (ДТ); Д1 ... ДЫ - внешние датчики (контроль условий окружающей среды); ПО -программное обеспечение, которое содержит модуль сбора данных, модуль цифровой обработки изображений, модуль выявления и наглядного выделения дефектов (с помощью контуров различного цвета); модуль взаимодействия компонентов управляющей ИИС; модуль вычисления коэффициента качества клеевого шва; модуль определения оптимальных параметров ТП по склейке тонких плёнок по результатам их автоматизированного контроля с учётом текущих условий и свойств материалов из определённой партии с целью обеспечения наилучшего качества получаемых клеевых швов.

Коррекция показаний, получаемых с инфракрасного датчика, производится путём введения поправки по результатам контактных измерений рабочей поверхности ролика с учётом коэффициента черноты его материала. Также целесообразно на рабочую поверхность инструмента нанести тёмное и устойчивое покрытие, например тефлоновое, с целью снижения методической погрешности измерения её температуры с помощью пирометрического датчика. Это позволит повысить точность регулирования температуры.

Для автоматизации процесса оценки технологической точности параметров ТП разработана оснастка и ПО. На основе контактных измерений динамики изменения температуры рабочей поверхности ролика осуществляется вычисление оптимальных коэффициентов для ПИД-регулирования.

Фотография ролика для термической склейки приведена на рис. 7.

Рисунок 7: Фотография ролика

Ролик, оснащённый видеокамерой, позволяет производить оценку качества клеевого шва непосредственно при осуществлении операций ТП термической склейки. ПО обеспечивает выявление дефектов, различимых невооружённым глазом (деструкция материала, смятия и др.), а также производить оценку сетчатой структуры клеевого шва, что позволяет судить о возможном отсутствии скрытых дефектов. Алгоритм управления позволяет производить адаптивную подстройку параметров ТП и ПИД-регулятора по результатам контроля клеевых швов для обеспечения их качества.

Модернизация инструмента и внедрение ПИД-регулирования совместно с управляющей ИИС позволили снизить процент дефектных изделий на 28%. Стабильность поддержания температуры рабочей поверхности ролика находится в пределах ±3,0 °С, что обеспечивает запас технологической точности более, чем на 30%.

В заключении изложены основные выводы и результаты, полученные в работе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Анализ технологического процесса термической склейки тонких полимерных плёнок, исследование дефектов клеевых швов, определение методов и средств измерений, пригодных для автоматизированного контроля клеевых швов, оценка влияния конструкции рабочего инструмента на качество получаемых швов позволяют сделать следующие выводы по работе:

1. Классификация дефектов клеевых швов дополнена скрытыми дефектами, которые представлены пузырьками воздуха в зоне клеевого шва, с габаритными размерами от 0,1 мм, наличие которых может привести к разрушению изделия при атмосферном давлении менее 1 кПа.

2. Разработана методика контроля дефектов клеевых швов, которая заключается в применении средств оптической микроскопии и цифровой обработки изображений.

3. Разработан обобщённый критерий качества клеевого шва (численный), который используется при определении оптимальных параметров технологического процесса (температура, давление и время воздействия).

4. Качество клеевых швов зависит от параметров технологического процесса для партии однотипных материалов: температура рабочего инструмента (в процессе термической склейки снижение температуры более чем на 3,0 °С приводит к возникновению «непровара»), время воздействия и давление инструмента на участок шва.

5. Экспериментальная информационно-измерительная система для автоматизированного контроля качества клеевых швов позволяет повысить достоверность контроля за счёт наглядного выделения дефектов, а также сокращает временные затраты на определение оптимальных параметров технологического процесса в 2,5 раза.

6. Экспериментальная информационно-измерительная система для управления технологическим процессом термической склейки тонких плёнок позволяет поддерживать температуру поверхности рабочего инструмента в пределах ±3,0 °С, наглядно информировать рабочего о стадии нагрева, а также производить оценку качества клеевого шва непосредственно в процессе производства. За счёт внедрения экспериментальной системы процент дефектных изделий снижен на 28%.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Цысс Д.Г., Шулепов A.B. Разработка методологической и инструментальной поддержки процессов производства и контроля изделий из тонких полиэтилентерефталатных плёнок с клеевыми швами //Вестник ВНИИНМАШ. -2012. -№1(11). - С. 56-61

2. Д.Г. Цысс, A.B. Шулепов. Методы и средства контроля параметров качества клеевых швов тонких полиэтилентерефталатных плёнок //ПРИБОРЫ. - 2013. -№2 (152). - С. 45 - 49

3. Цысс Д. Г., Шулепов А. В. Технологический процесс сварки (склейки) тонких полимерных пленок на основе управляющей измерительной информационной системы //Сварочное производство. - 2013. - №4. - С. 42 - 47

4. Цысс Д.Г., Шулепов A.B. Автоматизация процессов исследования структуры клеевых швов тонких полимерных плёнок с помощью компьютеризированного микроскопа //Вестник МГТУ «Станкин». - 2013. -№1(24).-С. 136-141

Публикации в других изданиях:

5. Шулепов A.B., Цысс Д.Г. Проблема контроля качества сварки тонких плёнок на базе компьютеризированного микроскопа //XI Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений». 26-28 апреля 2011 г. / М.: сборник материалов МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - С. 105 - 107

6. Цысс Д.Г., Шулепов A.B. О задачах метрологического обеспечения процессов проектирования и производства изделий из тонких полимерных пленок //X Всероссийское совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы современной техники». 17-19 апреля 2012 г. / М.: сборник материалов МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - С. 40 - 44

7. Цысс Д.Г. Интеллектуальная измерительная информационная система для управления технологическим процессом сварки (склейки) тонких полимерных плёнок //Материалы всероссийской молодёжной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)». Второй том. Сборник докладов. - М.: МГТУ «СТАНКИН», 2012. - С. 259 - 264

Заказ № 77-а/10/2013 Подписано в печать 17.10.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,0

000 "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 '1 www.cfr.ru ; e-mail:zak@cfr.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

«I ^п А 1 г гллл

На правах рукописи

Цысс Дмитрий Григорьевич

УДК 681.3.08

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ СКЛЕЙКИ ТОНКИХ ПЛЁНОК НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

КЛЕЕВЫХ ШВОВ

Специальность: 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель — кандидат технических наук

доцент Шулепов А.В.

Москва-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТОНКИХ ПЛЁНОК..............................10

1.1 Состояние проблемы изготовления изделий из тонких плёнок..................10

1.2 Анализ проблемы изготовления и контроля качества изделий из тонких плёнок.....................................................................................................................13

1.2.1 Материалы, используемые для создания клеевых соединений..........14

1.2.2 Технология термической склейки тонких плёнок.................................15

1.2.3 Оборудование, оснастка и инструмент, применяемые для термической склейки тонких плёнок.....................................................................................17

1.2.4 Методы и средства контроля качества клеевых швов тонких плёнок. 20

1.2.4.1 Входной контроль качества материалов..........................................20

1.2.4.2 Контроль качества клеевых швов....................................................21

1.3 Обзор методов и средств для проведения инструментального контроля качества клеевых швов тонких плёнок................................................................23

1.3.1 Контактные методы и средства измерений............................................23

1.3.2 Бесконтактные методы и средства измерений.......................................24

1.3.2.1 Методы и средства акустической дефектоскопии..........................24

1.3.2.2 Методы и средства оптической микроскопии................................25

1.3.2.3 Применение растровых сканирующих устройств для исследования клеевых швов тонких плёнок...............................................27

1.4 Цифровая обработка изображений клеевых швов........................................28

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 и постановка задачи исследования................................30

ГЛАВА 2. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ СКЛЕЙКИ И КАЧЕСТВОМ ПОЛУЧАЕМЫХ ШВОВ НА ОСНОВЕ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЕФЕКТОВ КЛЕЕВЫХ ШВОВ ТОНКИХ ПЭТФ ПЛЁНОК...........32

2.1 Методика исследования дефектов клеевых швов тонких плёнок...............32

2.1.1 Принцип отбора образцов клеевых швов для проведения исследований......................................................................................................32

2.1.2 Методы и средства для исследования дефектов клеевых швов тонких плёнок.................................................................................................................33

2.1.3 Обзор программного обеспечения, пригодного для исследования дефектов клеевых швов.....................................................................................35

2.1.4 Методика исследования дефектов клеевого шва...................................38

2.2 Исследование дефектов клеевых швов..........................................................39

2.2.1 Дефекты клеевых швов, различимые невооружённым тазом............39

2.2.2 Дефекты клеевых швов, не различимые невооружённым глазом.......43

2.2.2.1 Причины ухудшения свойств изделий в процессе длительного хранения.........................................................................................................44

2.2.2.2 Оценка влияния пузырьков воздуха в зоне клеевого шва на качество и сохраняемость изделий..............................................................46

2.2.2.3 Структура клеевого шва тонких ПЭТФ плёнок..............................48

2.2.3 Классификация дефектов клеевых швов тонких ПЭТФ плёнок..........53

2.3 Модели дефектов клеевых швов тонких ПЭТФ плёнок, пригодные для использования в ИИС............................................................................................54

2.3.1 Структура клеевого шва...........................................................................55

2.3.2 Деструкция клеевого шва........................................................................55

2.3.3 Неравномерность сетчатой структуры клеевого шва............................56

2.3.4 Пузырьки воздуха в зоне клеевого шва..................................................58

2.3.5 Обобщённый критерий качества клеевого шва.....................................60

2.4 Методы цифровой обработки изображений клеевых швов, пригодные для обнаружения и локализации дефектов................................................................63

2.4.1 Визуальное улучшение изображений.....................................................63

2.4.2 Фильтрация изображений........................................................................66

2.4.3 Морфологическая обработка изображений............................................67

2.5 Анализ влияния технологии термической склейки, материалов, оборудования, факторов окружающей среды, методов и средств контроля на качество клеевых швов тонких ПЭТФ плёнок....................................................68

2.5.1 Влияние оборудования и инструмента на качество клеевых швов.....68

2.5.1.1 Оценка влияния конструкции роликов на качество клеевых швов .........................................................................................................................69

2.5.1.2 Оценка влияния конструкции утюжков-ножей на качество клеевых швов.................................................................................................73

2.5.2 Анализ математической модели тепловых процессов, протекающих в системе при склейке тонких ПЭТФ плёнок....................................................74

2.5.3 Анализ влияния факторов окружающей среды и исходных материалов на качество термической склейки клеевых швов...........................................80

2.5.4 Анализ влияния методов контроля клеевых швов на правильность принятия решений о годности изделий...........................................................81

2.5.5 Анализ применяемого закона регулирования на качество термической склейки тонких плёнок.....................................................................................82

2.6 Методика определения оптимальных параметров ТП термической склейки тонких плёнок..........................................................................................84

2.7 Установление взаимосвязей между параметрами ТП термической склейки и качеством получаемых клеевых швов..............................................................86

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................................................90

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КЛЕЕВЫХ ШВОВ ТОНКИХ ПЛЁНОК И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ СКЛЕЙКИ НА ОСНОВЕ СРЕДСТВ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ И МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ93 3.1 Разработка экспериментальной ИИС для автоматизированного контроля качества клеевых швов тонких полимерных плёнок.........................................93

3.1.1 Характеристики ИИС...............................................................................93

3.1.2 Структура ИИС.........................................................................................95

3.1.3 Аппаратная реализация ИИС..................................................................96

3.1.4 Программно-математическое обеспечение ИИС...................................98

3.2 Модуль цифровой обработки изображений клеевых швов.......................101

3.2.1 Визуальное улучшение изображений...................................................101

3.2.2 Фильтрация изображений......................................................................107

3.2.3 Морфологическая обработка изображений..........................................112

3.3 Модуль принятия решения о годности клеевого шва.................................113

3.4 Структура ПО в MATLAB Simulink.............................................................115

3.5 Экспериментальное исследование ИИС......................................................116

3.6 Метрологическое обеспечение ИИС...........................................................121

3.7 Пути дальнейшего развития ИИС для контроля качества клеевых швов

тонких плёнок и определения оптимальных параметров ТП термической

склейки.................................................................................................................122

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..........................................................................................123

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ СКЛЕЙКИ ТОНКИХ ПЛЁНОК.........125

4.1 Модернизация конструкции инструмента для термической склейки и

замена регулирующего оборудования...............................................................125

4.2 Структура управляющей ИИС для термической склейки.........................131

4.3 Экспериментальная управляющая ИИС для термической склейки.........135

4.4 Экспериментальное исследование управляющей ИИС.............................138

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................147

Приложение 1...........................................................................................................159

Приложение 2...........................................................................................................160

Приложение 3...........................................................................................................164

Приложение 4...........................................................................................................166

Приложение 5...........................................................................................................169

Приложение 6...........................................................................................................171

Приложение 7...........................................................................................................175

Приложение 8...........................................................................................................177

Приложение 9...........................................................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обеспечение качества изготовления изделий из тонких полимерных плёнок является важной задачей, т. к. применение данных изделий связано со здоровьем и безопасностью людей, охраной окружающей среды, обеспечением безопасности и обороноспособности государства [22, 32, 66]. В основном качество изделий из полимерных плёнок определяется качеством клеевых (сварных) соединений [91]. На многие изделия устанавливается высокий срок гарантийного хранения, который может достигать двадцати трёх лет. В процессе хранения допустимы циклические перепады температур относительно О °С, воздействие повышенной влажности и другие факторы, под действием которых полезные свойства изделия могут ухудшиться [1, 42, 57]. Поэтому прочностные свойства клеевого шва, соответствующие требованиям технической документации на момент выпуска из производства, не могут гарантировать выполнение изделием своего функционального назначения в процессе эксплуатации после длительного хранения, т. к. в процессе хранения из-за скрытых дефектов, которые невозможно выявить применяемыми методами контроля, в изделии могут произойти деструктивные изменения, значительно снижающие его функциональные возможности.

Контроль швов производится внешним осмотром и экспертной оценкой. В настоящее время инструментальные методы неразрушающего контроля качества клеевых швов изделий из тонких полимерных плёнок ограничены лишь применением измерительной линейки и лупы [85]. Существует риск пропуска дефектов, которые не различимы невооружённым плазом, либо обусловлены усталостью и невнимательностью контролёра. Следует отметить, что имеется описание дефектов, различимых лишь невооружённым глазом (пережог, смятие, непровар и др.) [2, 91, 96]. Дефекты, не различимые невооружённым глазом, должным образом не изучены, однако известно их негативное проявление по результатам циклических испытаний изделий

(пузырьки воздуха в зоне клеевого шва и др.).

Изделия из тонких полимерных плёнок изготавливаются методом термической склейки (сварки) составляющих элементов конструкции. Качество технологического процесса (ТП) обеспечивается за счет поддержания заданной температуры на поверхности рабочего инструмента, создания требуемого усилия контакта между инструментом и соединяемыми элементами, соблюдения времени воздействия нагретого инструмента на соединяемые элементы [2, 3, 31, 33]. Существует проблема поддержания заданной температуры в процессе термической склейки швов, т. к. инструмент некоторых типов (например, ролик) обладает невысокой теплоемкостью и быстро охлаждается. Динамика процессов нагрева инструмента и теплообмена при термической склейке в должной мере не изучена, а применяемая система управления не обеспечивает необходимую точность регулирования температуры. Температура рабочего инструмента контролируется без учёта влияния факторов окружающей среды и свойств материала, тепловой инерции инструмента и методической погрешности измерения температуры [13].

Исходя из вышеизложенного, актуальной является задача построения информационно-измерительной системы (ИИС) для контроля качества клеевых швов и управления параметрами ТП термической склейки.

Цель диссертационной работы заключается в повышении качества изделий (снижение количества дефектов) из тонких полимерных плёнок, толщиной до 50 мкм, за счёт разработки и применения информационно-измерительной и управляющей системы для контроля клеевых швов на основе средств оптической микроскопии и цифровой обработки изображений, адаптивного управления технологическим процессом термической склейки по результатам контроля клеевых швов.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. исследование дефектов клеевых швов и построение их классификации;

2. построение моделей дефектов клеевых швов;

3. разработка методов контроля дефектов клеевых швов на основе цифровой обработки их изображений, получаемых средствами оптической микроскопии;

4. выбор оптимальной структуры и построение экспериментального образца информационно-измерительной системы;

5. установление причин возникновения скрытых дефектов клеевых швов;

6. разработка программного обеспечения (ПО) для контроля качества клеевых швов и управления параметрами технологического процесса. Методологической базой исследований послужили работы В. И.

Телешевского и др. в области компьютеризации измерительных микроскопов, Э. Р. Кларка (Великобритания), К. Н. Эберхардта (Великобритания) и др. в области микроскопических методов исследования материалов, Д. А. Форсайта (США), Ж. Понса (США), Р. С. Гонсалеса (США), Р. Э. Вудса (США) и др. в области компьютерного зрения и цифровой обработки изображений.

Методы исследования. В работе использованы методы цифровой обработки изображений: яркостные преобразования, фильтрация, пороговые преобразования, алгоритмы морфологической обработки и сегментации; методы теории нечёткой логики, автоматического управления, искусственного интеллекта. Расчёт и моделирование параметров ИИС, разработка программного обеспечения выполнялись в среде МАТЬАВ. Научная новизна работы заключается:

1. в описании дефектов клеевых швов тонких плёнок, не различимых невооружённым глазом (скрытые дефекты);

2. в методике численной оценки качества клеевого шва на основе контроля его характеристик с помощью компьютеризированного микроскопа;

3. в установлении причин возникновения скрытых дефектов и оценке их влияния на качество и сохраняемость изделий.

Практическая значимость работы заключается:

1. в методике контроля дефектов клеевых швов на основе средств оптической микроскопии и цифровой обработки их изображений;

2. в алгоритмах цифровой обработки изображений, осуществляющих автоматизированное обнаружение и наглядное отображение дефектов клеевых швов на экране компьютера;

3. в численных параметрах качества клеевых швов тонких плёнок, используемых при автоматизированном определении оптимальных параметров технологического процесса термической склейки;

4. в экспериментальной информационно-измерительной системе для автоматизированного контроля качества клеевых швов и адаптивного управления технологическим процессом термической склейки тонких полимерных плёнок;

5. в исследовании метрологических характеристик разработанной информационно-измерительной и управляющей системы. Реализации и внедрения. Материалы исследований и результаты

диссертации внедрены и используются в технологических линиях по термической склейке (сварке) тонких полимерных плёнок в ОАО «ДКБА».

Апробация работы и публикации. Основные положения работы обсуждались и докладывались: на заседаниях кафедры «ИИСиТ» МГТУ «СТАНКИН»; на производственных совещаниях в ОАО «ДКБА»; на XI Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений»(МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2011); на X Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы современной техники» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012); на Всероссийской молодёжной конференции «Автоматизация и информационные технологии АИТ-2012» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», Москва, 2012).

По теме исследования опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Описание дефектов клеевых швов тонких плёнок, не различимых невооружённым глазом (скрытые дефекты).

2. Методика численной оценки качества клеевого шва на основе контроля его характеристик с помощью информационно-измерительной системы, построенной на основе средств оптической микроскопии и методов цифровой обработки изображений.

3. Причины возникновения скрытых дефектов и оценка их влияния на качество и сохраняемость изделий.

4. Алгоритм цифровой обработки изображений клеевых швов, осуществляющий автоматизирован