автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение точности координатных измерений геометрических параметров объектов в компьютерной микроскопии с дополнительным телом в зоне измерения

Зуйков Андрей Андреевич

На правах рукагСу'си

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ТЕЛОМ В ЗОНЕ ИЗМЕРЕНИЯ

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

7 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Москва 2013

005537343

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

Научный руководитель: кандидат технических наук

Шулепов Алексей Виленинович

зав. кафедрой «Измерительных информационных систем и технологий» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН») г. Москва

Официальные Доктор технических наук, професор

оппоненты: Глухов Владимир Иванович

зав. кафедрой «Метрология и приборостроение» (ФГБОУ ВПО ОмГТУ) г. Омск

Кандидат технических наук, профессор Голыгин Николай Христофорович кафедра «Проектирование оптических приборов» (ФБГОУ ВПО МИИГАИК) г. Москва

Ведущая организация: ФГУП Всероссийский Научно-

Исследовательский Институт Метрологической Службы (ФГУП ВНИИМС) г. Москва

Защита состоится «26 » кС&^/г^ 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., д. 1, ауд. 0622

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

Автореферат разослан « г у » ск-хздрэг 2013 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные технологии электроники, приборостроения и машиностроения связаны с производством высокоточных и малогабаритных деталей, узлов и систем. Например, изделия микро-системной техники, которые объединяют в себе микродвигатели и актюаторы, сенсорные элементы, системы датчиков и сочетают в себе принципы электроники, механики и оптики. При создании таких изделий большое внимание уделяется измерениям параметров геометрической точности.

При измерении деталей микросистемной техники, а также деталей машин и приборов сложной формы и конструкции могут возникать трудности, связанные с применением средств измерения. Наиболее часто для контроля таких деталей применяются координатные средства измерения: координатно-измерительные машины, измерительные микроскопы и проекторы. При измерении указанных малогабаритных деталей, размеры которых могут составлять от единиц до сотен микрометров, применение координатно-измерительных машин с контактными головками невозможно из-за больших размеров контактного элемента щупа, превышающих порой габариты измеряемых поверхностей. В случае же применения измерительных микроскопов и проекторов удовлетворительная точность достигается только при измерении в проходящем свете. Но при этом некоторые поверхности контролируемых деталей могут быть закрытыми и не видимыми на просвет.

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

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

Цель работы. Основной целью работы является повышение точности системы визирования оптических измерительных микроскопов при помощи оптоволоконного щупа, вводимого в зону измерения с цифровой обработкой изображения. Это также позволит расширить функциональные возможности системы визирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

5) провести экспериментальные исследования системы и исследование погрешности;

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

Методы исследования. Проводимые в работе исследования базировались на геометрической и волновой теорий оптики, теории погрешностей. Моделирование производилось с помощью пакетов Т-Б1ехСАО и МаЛСАБ. Разработка программного обеспечения выполнялась на языке С++ с использованием библиотеки компьютерного зрения ОрепСУ.

Научная новизна работы заключается в:

1) визировании и измерении координат точки поверхности объекта измерения на компьютеризированном измерительном микроскопе с помощью дополнительного тела, вводимого в зону измерения;

2) способах бесконтактных и контактных измерений оптической микроскопии на основе применения дополнительного тела в зоне измерения и цифровой обработки её изображения;

3) методе бесконтактных измерений координат точки поверхности объекта, основанном на определении положения точки поверхности объекта измерения, расположенной на линии, соединяющей

геометрические центры действительного изображения щупа и зеркального изображения щупа, отраженного от измеряемой поверхности объекта измерения.

Практическая значимость работы заключается в:

1) создании схемы оптико-электронной измерительной системы с применением щупа, установленного в зоне измерения, и цифровой обработкой изображения, что позволяет производить измерения в средних сечениях объекта измерения на измерительном микроскопе;

2) создании методик визирования для измерения малогабаритных объектов со сложным профилем поверхности, и объектов для которых существует проблема доступа средств измерения к измеряемым поверхностям;

3) алгоритмах работы программно-математического обеспечения, которое производит распознавание изображений щупа (действительное и зеркальное) и вычисление координат измеряемой точки поверхности объекта;

4) в создании действующих экспериментальных образцов системы визирования, с помощью которых удалось расширить круг задач, решаемых с помощью измерительного микроскопа.

Реализация работы. Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» на кафедре «Информационно-измерительные системы и технологии» при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы и публикации. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на:

1) всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2011), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2011г.;

2) X всероссийское совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники», МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2012 г.;

3) всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)», ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2012 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из ведения, четырех глав, основных выводов и списка используемой литературы из 97 наименований и приложений, общий объем работы 122 страницы, содержит 72 рисунка и 7 таблиц.

5

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, определен класс объектов, для которых существует проблема доступа средства измерения к элементам деталей.

В первой главе рассмотрены основные методы и средства, применяемые для измерения малогабаритных и труднодоступных элементов деталей, определены основные проблемы, возникающие при измерении, сформулирована цель и задачи.

Измерительные задачи и проблемы, возникающие при измерении малогабаритных элементов деталей, посвящены исследования: Арляпова А.Ю., Егорьева О.Я., Григорьева И.А. Большой вклад оказал опыт разработок ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», а именно: электроконтактный прибор для контроля малых отверстий, разработки в области компьютерной микроскопии.

Наиболее универсальным и точным инструментом для измерения контактным методом является координатно-измерительная машина. С ее помощью возможно осуществлять измерения большинства элементов деталей в различных сечениях. Но технологии изготовления и конструкции щупов накладывают ограничения на габаритные размеры наконечников и на прочностные характеристики щупов. К примеру, наименьший диаметр сферы измерительного щупа для контроля отверстий составляет 0,3 мм. При таких миниатюрных размерах наконечника щупа следует учитывать погрешность, связанную с деформацией щупа под действием измерительного усилия.

Для того что бы произвести измерения бесконтактным методом, исключающим силовые деформации, и при этом иметь возможность различить малогабаритные элементы измеряемой детали обычно применяют измерительные микроскопы.

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

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

• погрешности при визировании существенно зависят от состояния края и кромок объектов измерения (нечеткие фаски, произвольные скругления или повреждения);

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

Все это затрудняет фокусировку оптической системы визирного микроскопа на объекте измерения и является дополнительным источником неопределенности

6

при измерении координат точек измеряемой поверхности. Кроме того, размер поверхности, измеренный у самого края, не всегда является тем действительным размером поверхности, с помощью которой деталь выполняет свое функциональное назначение (рис. 1).

Рисунок 1 - Фокусировка на поврежденной кромке объекта измерения

При попытке провести измерение в сечении, расположенном ниже верхней грани объекта (далее такие сечения будут называться средними), как для измерений в проходящем, так и для измерений в отраженном свете изображение зоны визирования становится нечетким, размытым из—за влияния точек объекта, расположенных выше фокальной плоскости объектива (рис. 2). Тем не менее, задача измерения деталей, имеющих протяженные поверхности, вдоль оптической оси визирного микроскопа, в средних сечениях является весьма актуальной.

Проведенный анализ методов измерений показал, что применение дополнительного тела, вводимого в зону измерения оптического микроскопа, позволяет повысить точность визирования. Так в измерительном микроскопе-нутромере (фирма CARL ZESS JENA) применяется стеклянный щуп, устанавливаемый в среднем сечении измеряемых сквозных малогабаритных отверстий.

В современных компьютеризированных измерительных микроскопах фирм Werth и Mahr применяются специальные мультисенсорные измерительные системы, позволяющие проводить высокоточные измерения сложных деталей контактными и бесконтактными методами.

Проведенный анализ методов измерений в оптической микроскопии определяет целесообразность исследований сочетания бесконтактных и контактных методов измерения.

Во второй главе разработаны принципы построения оптических систем визирования измерительных микроскопов на основе:

• цифровой обработки и анализа изображения зоны измерения;

• использования миниатюрных щупов с целью повышения точности измерения координат точек поверхностей.

При проведении измерении с помощью измерительных микроскопов формирование изображения описывается с помощью геометрических и волновых законов оптики. Классическая методика измерений на микроскопе предполагает, что измеряемые элементы находятся в одном сечении и это сечение лежит в фокальной плоскости объектива визирной системы.

В случае, когда требуется измерить координаты точек в сечении, расположенном ниже верхней кромки поверхности (рис. 2 положение II), возникает проблема, связанная с невозможностью получения резкого изображения измеряемой поверхности. Одним из вариантов является применение измерительных ножей на микроскопе, которые позволяют уменьшить погрешность при измерении цилиндров, конусов, резьбовых поверхностей.

ШЛ I

И

/777~

\|, 111

%

° I

V

1

Ш

Рисунок 2 - Визирование на различных сечениях измеряемой поверхности: I - визирование на кромке отверстия, II — визирование на среднем

сечении отверстия

Разработанная система визирования измерительного микроскопа работает по следующему принципу. В зону измерения вводится миниатюрное тело, которое указывает на необходимое сечение. Это тело выполнено в виде специального малогабаритного щупа, установленного на подводящем устройстве с возможностью регулирования положения щупа в фокальной плоскости оптической визирной системы. Стержень щупа выполнен из оптического волокна диаметром 0,2...0,5 мм. На конце щупа установлен сферический наконечник из оптического материала диаметром 0,2 2 мм. Такой щуп может работать как при измерении в проходящем или отраженном свете, так и для подачи светового потока в зону измерения как излучающее дополнительное тело при измерении глухих элементов объектов в отраженном свете (так называемый режим «самосвечения» щупа).

Оптоволоконный щуп на измерительном микроскопе обладает рядом преимуществ:

• небольшой диаметр щупа, который обеспечивает доступ к малогабаритным измеряемым элементам;

• возможность бесконтактных измерений;

• небольшое измерительное усилие при контактных измерениях (от 1мН);

• возможность измерения не только по верхней кромке, но и в средних сечениях отверстий и поверхностей, имеющих значительную протяженность в направлении оптической оси микроскопа;

• возможность измерения наклоненных объектов;

• возможность измерения в проходящем и отраженном свете;

• подвод света в зону измерения (измерение глухих отверстий в режиме «самосвечения» щупа).

Щуп установлен в системе визирования микроскопа на специальном 3-х координатном подводящем устройстве. Положение волоконного щупа отрегулировано так, что диаметральное сечение сферы щупа находится в фокальной плоскости объектива визирного микроскопа.

офоры

Ойми и ;мс-[>;-н»я Изображение зоны щмерешгя

\ Мщща шфх-аой

Мшщ <шшшвЩ________

' системы иабзшдвшш

I 5 / ^МШ&лШ^ШШШШШё,,

Литы шаы ' ййввщщиа

С

Рисунок 3 — Схема хода лучей при формировании зеркального изображения сферы щупа

На схеме (рис. 3) представлен ход лучей и расположение сферы щупа в зоне визирования, при измерении в среднем сечении. Лучи осветительной системы, проходящие через оптический центр линзы, не преломляются — эти лучи формируют проекцию реального изображения сферы щупа и размытое, нерезкое изображение объекта измерения. Часть лучей взаимодействует с поверхностью сферы щупа. Таким образом, лучи после взаимодействия со сферой меняют свое направление, и часть их отражается от поверхности объекта измерения. Далее лучи, проходя линзы оптической системы наблюдения, формирует на матрице видеокамеры отраженное зеркальное изображение сферы щупа.

Согласно схеме хода лучей (рис. 3) поверхность объекта измерения является плоскостью симметрии реального и отраженного изображения щупа. Таким образом, точка поверхности располагается посередине между геометрическими центрами окружностей реального и отраженного изображения сферы щупа.

На рисунке 4 представлена схема информационно-измерительной системы, на базе измерительного микроскопа, оснащенная визирной системой с оптоволоконным щупом. Визирный микроскоп оснащен цифровой видеокамерой. Координатные перемещения по осям X, У и Ъ в микроскопе измеряется с помощью растровых фотоэлектрических датчиков линейных перемещений.

Рисунок 4 - Схема расположения основных элементов информационно-измерительной системы: 1 - объект измерения, 2 - оптическая система визирного микроскопа, 3 - цифровая видео камера, 4 - узел крепления и юстировки оптоволоконного датчика, 5 —датчик направляющей продольного перемещения микроскопа, 6 - осветительная система, 7 - положение фокальной плоскости оптической системы, 8 - датчик направляющий вертикального перемещения объектива микроскопа

Применение цифровой обработки изображения зоны измерения позволяет исключить субъективную погрешность и провести автоматизацию процесса измерения.

В режиме контактных измерений сферический наконечник щупа подводится к измеряемой поверхности, при этом изображения щупа и его отражения в теле детали соприкасаются (рис. 5). С помощью цифровой обработки изображения определяются координаты центра щупа. Вычисляются координаты измеряемой точки как расстояние от центра щупа до точки соприкосновения изображения щупа и его отражения.

(Хи;ш;Утм)

(Х2; У2)

(XI;

Рисунок 5 - Схема измерения координат точки поверхности контактным

методом

При бесконтактных измерениях (рис. 6) щуп подводится к поверхности до тех пор пока не возникает отраженное изображение щупа на размытом изображении поверхности, которое может быть пригодно для распознавания цифровой системой обработки. Эта система определяет расстояние Ь между геометрическими центрами изображений щупа. Вычисляются координаты точки поверхности, которая лежит на середине отрезка, соединяющего центры изображений.

(Хизм; Уиш)

Рисунок 6 - Схема измерения координат точки поверхности бесконтактным методом 12

В третьей главе работы представлены методики и результаты экспериментальных исследований процесса измерения на микроскопе с применением оптоволоконного щупа в зоне визирования.

Основой для экспериментальной установки является универсальный измерительный микроскоп УИМ-21. Его конструкция позволяет наиболее удачным образом разместить механизм юстировки оптоволоконного щупа, прикрепив его к тубусу визирного микроскопа, тем самым значительно упростив настройку положения щупа, как в поле зрения микроскопа, так и его положение в фокальной плоскости объектива.

На направляющие измерительного микроскопа установлены растровые фотоэлектрические датчики (оптоэлектронные преобразователи) (рис. 7). Датчики подключены к блоку цифровой индикации, который в свою очередь подключается к компьютеру по средством протокола 118-232, на компьютере установлено специально разработанное программно-математическое обеспечение. Цифровая видеокамера также подключена к компьютеру.

Рисунок 7 — Принципиальная схема экспериментальной установки на базе микроскопа УИМ-21:1— Объект измерения; 2 - Оптоволоконный щуп; 3 — направляющая продольного перемещения; 4 - направляющая поперечного перемещения; 5- растровые фотоэлектрические датчики; 6 - блок цифровой индикации; 7 - компьютер; 8 — цифровая камера

Этапы предварительной подготовки экспериментов включают в себя как настройку оптической системы измерительного микроскопа, так и

программную корректировку параметров изображения цифровой камеры визирной системы. Исследуемый объект устанавливается так, что бы измеряемая поверхность была строго параллельна оптической оси визирного микроскопа.

Исследована взаимосвязь между диаметром сферы щупа и положением первого сечения, где удается качественно распознать отраженное изображение сферы щупа. С уменьшением диаметра сферы появляется возможность наблюдать качественное отраженное изображение сферы щупа в сечениях расположенных ближе к верхней грани. Так, например, при диаметре сферы щупа 0,5 мм первое такое сечение располагалось уже на расстоянии 2 мм от верней грани. При диаметре щупа 2 мм первое сечение, в котором появляется качественное отраженное изображение, располагалось на расстоянии 12 мм от верхней грани. Таким образом, подобный оптический эффект может наблюдаться при измерении координат точек малогабаритных элементов деталей (отверстия, пазы и т.д.).

Проведено экспериментальное исследование процесса касания щупа поверхности объекта измерения с применением электронного индикатора контакта. Объект измерения и щуп выполнены из токопроводящего материала. В зоне измерения микроскопа наблюдался процесс подвода щупа к поверхности объекта до касания, при этом происходило замыкание электрической цепи. Установлено, что соприкосновение действительного и отраженного изображений сферы щупа свидетельствует о физическом контактировании щупа с поверхностью объекта измерения.

Экспериментально подтверждена гипотеза, о том, что реальное и отраженное изображения сферы щупа симметрично расположены по отношению к поверхности объекта измерения. Результат положен в основу процедуры расчета координат точки поверхности для контактных и бесконтактных измерений.

Определен диапазон шероховатости поверхностей, при измерении которых может использоваться разработанная система визирования. Исследовались стальные образцы шероховатости поверхности, обработанные фрезерованием и шлифованием (значение шероховатости по параметру К а в диапазоне 10 0,32). Установлено, что поверхности с шероховатостью менее Иа 6,3 уже пригодны для измерения разработанным методом. Отраженное изображение сферы щупа получается четким и поддается цифровой обработке. Разработанная система визирования была исследована и может быть использована при измерении деталей из различных материалов: стекло, керамика, стали, цветные металлы, пластмассы. Необходимым условием

применения метода является способность поверхностей измеряемых деталей отражать световые волны видимого диапазона.

Объекты измерения могут иметь поверхности различной формы и сложности. В большинстве своем такие поверхности представляют собой комбинации плоскостей и дуг окружностей с заданным радиусом кривизны. Экспериментальные исследования показали, что для контроля отверстий и поверхностей со сложным профилем необходимо подбирать диаметр щупа с учетом наименьшего радиуса кривизны контролируемой поверхности объекта измерения. Установлено, что радиус щупа должен быть меньше радиуса кривизны поверхности более чем в четыре раза.

Исследовалась погрешность при измерении координат точки поверхности. Исследования проведено отдельно для направляющих X и У экспериментальной установки с использованием механизма микрометрической подачи направляющих. По результатам эксперимента получены значения погрешностей:

АХ = ±0,0018лш; Д7 =+0,0022мм. В четвертой главе работы рассмотрены структура и устройство элементов информационно-измерительной системы, вопросы практической реализации, структура программно-математического обеспечения. Представлены методики проведения бесконтактных и контактных измерений для случаев измерения в проходящих лучах и в режиме самосвечения щупа.

И смерите льны й Микроскоп У ИМ-21

X

У

4......и

Видео поток: изображение зоны измерения

Система регулирования положения оптоволоконного | щупа

1 Объект

1 измерения

Ж. и |»

Р€

Рисунок 8 — Схема взаимодействия блоков ИИС на базе компьютеризированного измерительного микроскопа

15

На рисунке 8 представлены взаимосвязи подсистем компьютеризированного микроскопа. Видеопоток, идущий с камеры микроскопа, позволяет наблюдать в реальном времени процесс подвода щупа к измеряемой поверхности, определять оптимальное местоположение оптоволоконного щупа в зоне измерения и выполнять фокусировку оптической системы. Одновременно с этим на основе анализа качества изображения зоны измерения, осуществляется регулировка параметров работы камеры микроскопа. Между датчиками измерения координатных перемещений и компьютером реализована обратная связь. С датчиков возможно как считывать координаты, так и управлять режимами их работы.

Современные компьютеризированные измерительные микроскопы позволяют решать широкий круг измерительных задач. Структура программно-математического обеспечения информационно-измерительной системы на базе компьютеризированного измерительного микроскопа изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 — Структура программно-математического обеспечения (ПМО) компьютеризированного измерительного микроскопа

Особенности предложенного способа визирования обуславливают необходимость расширения функционала программно-математического обеспечения обработки изображения зоны визирования. При использовании

16

разработанной системы визирования программно-математическое обеспечение помимо основных своих функций выполняет анализ изображения зоны визирования и поиск на нем реального и отраженного изображения сферы щупа (рис. 10). Все эти функции реализуются с помощью технологий компьютерного зрения.

ПМО для визирования с применением оптоволоконного щупа

А.

Обработка изображения зоны измерения

7

Цветовая коррекция

т

Фильтрация

Детектирование объектов на изображении зоны визирования

Распознавание элементов системы визирования

Вычисление координат измеряемой точки поверхности

Определение параметров и констант системы визирования на основе цифровой видеокамеры и оптоволоконного щупа

Х'рк

У'их

ИщУПА

Рисунок 10 - Структура блока программно-математического обеспечения обработки изображения при работе в составе системы визирования с оптоволоконным щупом

Для успешной обработки изображения необходимо произвести цветовую коррекцию, т.е. отстроить его контрастность и яркость (рис. 11 позиция 1). Варьируя эти два параметра можно добиться оптимального их соотношения. После того как изображение подготовлено начинается этап распознавания (детектирования) объектов. На подготовленном изображении производится выделение контуров объектов (рис. 10 позиция 2). После распознавания и анализа координат точек контуров происходит вычисление местоположения элементов визирной системы микроскопа - реального и отраженного

изображения щупа (рис. 10 позиция 3). Затем осуществляется вычисление координат точки поверхности объекта измерения.

Рисунок 11 - Последовательность обработки изображения: 1 — изображение с матрицы подвергается фильтрации и цветовой коррекции; 2 — производится анализ контуров; 3 — обрабатываются точки найденных контуров и вычисляются необходимые параметры окружностей изображений сферы

щупа

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ разработок в области контактных и бесконтактных средств измерения, анализ их достоинств и недостатков позволил разработать принципы построения системы визирования измерительного микроскопа на основе дополнительного тела (щупа). Таким образом, с помощью измерительного микроскопа становится возможным производить измерения в областях средних сечений, как деталей машиностроения, так и различных миниатюрных объектов чьи поверхности не могут быть подвергнуты контактным взаимодействиям.

2. Экспериментально подтверждено, что предложенная физическая модель хода лучей при использовании дополнительного тела (щупа) в зоне измерения, адекватно описывает формирование отраженного изображения дополнительного тела. Показано, что:

• соприкосновение действительного и отраженного изображения щупа свидетельствует о фактическом контактировании щупа с поверхностью объекта измерения;

• поверхность объекта измерения является плоскостью симметрии для действительного и отраженного изображения щупа, т.е. измеряемая точка поверхности находится посередине между геометрическими центрами изображений сферы шупа;

• установлено, что положение первого сечения, в котором появляется пригодное для цифровой обработки отраженное изображение сферы щупа, зависит от диаметра сферы щупа;

• установлено, что отраженное изображение, пригодное для распознавания, возникает на поверхностях из различных материалов, шероховатость которых имеет значение менее чем Ra 6,3;

• выявлено, что при измерении координат точек отверстий и криволинейных поверхностей необходимо, что бы диаметр щупа был меньше радиуса кривизны поверхности более чем в два раза;

• погрешность многократного измерения координат точки поверхности составила AXo>95= ±0,0018 мм и AY0,95= ±0,0022 мм.

3.На основании предложенной физической модели хода лучей и произведенных экспериментальных исследований был разработан алгоритм обработки и анализа изображения зоны измерения, с помощью которого возможно производить распознавание действительного и отраженного изображений сферы щупа.

4.На основе произведенных экспериментальных исследований удалось разработать методики бесконтактных и контактных измерений:

а) для измерений в проходящем свете открытых поверхностей и сквозных элементов;

б) для измерений глухих и закрытых поверхностей в режиме самосвечения щупа.

5.Проведенные исследования при измерении закрытых поверхностей, каналов и отверстий позволяют установить возможность проведения измерений в срединных сечениях с погрешностью измерений не превышающей 0,0025 мм.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения

малогабаритных отверстий с помощью измерительного микроскопа на

основе цифровой обработки изображения // Вопросы

электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. - М.: ФГУП НЛП «ВНИИЭМ», 2012. - Т. 127. - № 3. - с. 45 - 48.

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

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

Статьи и материалы конференций:

4. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения микроскопических объектов на компьютеризированном измерительном микроскопе на основе применения оптоволоконного щупа // Сборник материалов XI Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы измерений", - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. —268 е., с. 70-73.

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

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

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

Научное издание

Зуйков Андрей Андреевич

Повышение точности координатных измерений геометрических параметров объектов в компьютерной микроскопии с дополнительным телом в зоне измерения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.10.2013 Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 187.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <<СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

ft / 1П4 "Г / / ftrtft

Uf¿U iJOtU^y

На правах рукописи

-Я?

Зуйков Андрей Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ТЕЛОМ В ЗОНЕ ИЗМЕРЕНИЯ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. Шулепов A.B.

Москва 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................5

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

1.1 Анализ методов и средств измерений

1.1.1 Обзор контактных средств измерений...........................................8

1.1.2 Обзор бесконтактных средств измерений......................................13

Выводы.....................................................................................................24

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

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

2.1.1 Выполнение / невыполнении законов геометрической оптики .............................................................................................................................25

2.1.2 Влияющие факторы.........................................................................29

2.1.3 Факторы, влияющие на формирование изображения....................30

2.2 Разработка принципов визирования оптических микроскопов с применением дополнительных тел, вводимых в зону измерения, и цифровой обработки изображения.....................................................................................39

2.3 Влияние формы поверхности на формирование отраженного изображения.......................................................................................................53

2.4 Построение системы визирования для измерения объектов в проходящем свете и объектов с закрытыми поверхностями...........................54

2.5 Принципы построения бесконтактной системы визирования с применением оптоволоконного щупа...............................................................57

2.6 Калибровка камеры............................................................................59

Выводы......................................................................................................66

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1 Описание экспериментальной установки.........................................67

3.2 Исследование процесса визирования с применением оптоволоконного щупа в зоне визирования в различных сечениях протяженной поверхности.................................................................................71

3.3 Исследование процесса касания щупа поверхности объекта измерения с применением электронного индикатора контакта......................75

3.4 Исследование расположения измеряемой поверхности относительно действительного и отраженного изображений щупа...............79

3.5 Исследование влияния шероховатости и текстуры поверхностей на возможность и особенности применения разрабатываемой системы визирования........................................................................................................81

3.6 Исследование возможности возникновения оптического эффекта для поверхностей из различных материалов....................................................83

3.7 Исследование влияния формы поверхности объекта измерения на действительное и отраженное изображении оптоволоконного щупа.............84

3.8 Исследование погрешности измерения координат точек поверхности с применением системы визирования с оптоволоконным щупом.................................................................................................................87

3.9 Исследование погрешности результата многократного измерения координат точки поверхности с применением системы визирования с оптоволоконным щупом....................................................................................92

Выводы......................................................................................................94

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

4.1 Устройство и структура проектируемой ИИС..................................96

4.2 Конструктивные особенности элементов ИИС.

4.2.1 Выбор камеры..................................................................................99

4.2.2 Узел настройки положения щупа.................................................100

4.2.3 Особенности изготовление и конструкции оптоволоконного

щупа..................................................................................................................101

4.3 ПМО измерительного микроскопа.

4.3.1 Базовая структура ПМО................................................................103

4.3.2 ПМО для работы с системой визирования, оснащенной оптоволоконным щупом..................................................................................105

4.4 Порядок настройки визирной системы...........................................107

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

4.5.1 Методика выполнения измерений координат точек контактным методом.............................................................................................................110

4.5.1.1 Измерение концевой меры длины.............................................111

4.5.1.2 Измерение диаметра кольца.......................................................112

4.5.2 Методика проведения измерений координат точек бесконтактным методом.............................................................................................................113

4.5.3 Методика выполнения измерений координат точек в случае освещения зоны измерения оптоволоконным щупом....................................115

4.5.4 Факторы, влияющие на результат измерения..............................117

4.6 Производство ИИС и внедрение ее компонентов..........................119

4.7 Возможные инструменты для программной реализации ПМО.....120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение А........................................................................................136

Приложение Б.........................................................................................145

Приложение В........................................................................................148

Приложение Г.........................................................................................149

Приложение Д........................................................................................151

Приложение Е.........................................................................................153

Приложение Ж........................................................................................155

Приложение И........................................................................................157

Приложение К........................................................................................159

Введение.

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

5) провести экспериментальные исследования системы и исследование погрешности;

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

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

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

1.1 Анализ методов и средств измерений 1.1.1 Обзор контактных средств измерений

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

• измерение элементов с открытыми образующими;

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

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

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

• контролировать отклонения формы поверхностей;

• производить измерение элементов деталей в любом доступном сечении;

• автоматически обрабатывать результаты измерения.

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

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

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

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

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

Рисунок 2 - Наклонный выступ магнитной головки видеомагнитофона

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

А) Б) В)

Рисунок 3 - Применение щупов различной конструкции для контроля параметров объекта

измерения

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

При контроле КИМ также имеет ряд преимуществ:

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

• контроль отклонения формы элемента.

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

Рисунок 4 - Ручной нутромер, реализующий двухточечную схему измерения

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

Рисунок 5 - Нутромер для контроля отверстий, реализующий трехточечную схему

измерения

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

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

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

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

1) возможность производить контроль в различных сечениях объекта измерения;

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

3) контактные элементы позволяют производить контроль закрытых (скрытых) элементо�