автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование лазерных триангуляционных приборов для промышленного размерного контроля

На правах рукописи

УДК 531.7+535.31+658.562+ +681.32:681.17.18

РГ5 ОД

Плотников Сергей Васильевич

3 Г- rurj r.-f)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗМЕРНОГО КОНТРОЛЯ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

> ! ( Работа выполнена в Конструкторско-технологическом институте научного

приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

заслуженный деятель науки РФ, с.н.с. Чугуй Ю. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

с.н.с. Дубнищев Ю. Н.

доктор физико-математических наук профессор Борьшяк Л.А.

Ведущая организация: Институт оптического мониторинга СО РАН

г. Томск

Защита состоится « 20 » декабря 2000 года в « ¿0 » часов на заседании диссертационного совета Д.063.34.08 при Новосибирском Государственном Техническом Университете по адресу 630092, Новосибирск 92, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент В.Л. Полубинский

Лицензия ПЛД 57-48 Подписано к печати 14.11.2000 г. Объем 1п.л. Формат 60x84/16 Тир. 100. Зак.44. Отпечатано в ФГУП «НИИсистем» Новосибирск, 58,

зкт^^.о русска09'т-33-37-39

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность работы. Неотъемлемой частью современного промышленного производства является контроль параметров технологического процесса и готовой продукции. В отраслях, связанных с металлообработкой (машиностроении, автомобильной, авиационной и атомной промышленности), значительную долю среди операций контроля занимает контроль геометрических параметров. Основными требованиями к приборам для размерного контроля являются высокие точность (погрешность менее 10 мкм) и быстродействие (сотни измерений в секунду), возможность контроля параметров сложнопрофильных изделий, а также надежность, гибкость и совместимость сАСУТП.

Существующий парк контрольно-измерительных средств, состоящий в основном из пробок, шаблонов, скоб, а также систем на основе контактных датчиков, не отвечает указанным требованиям, т.к. проводимый допусковый контроль субъективен, непроизводителен и непригоден для оперативной коррекции технологического процесса. Удовлетворить одновременно всем приведенным требованиям не всегда удается и при использовании бесконтактных индукционных и пневматических датчиков, а также оптико-электронных системы на основе метода теневой проекции, интерференционного и дифракционного методов.

В последнее время в России и, особенно, за рубежом для целей размерного контроля активно создаются измерительные приборы (измерители) триангуляционного типа. Они позволяют измерять расстояния непосредственно до поверхности сложнопрофильного объекта и отличаются простотой реализации, потенциально высокими точностью (погрешность порядка нескольких микрометров при типичных диапазоне измерения -20 мм и удалении измерителя от контролируемого объекта ~100 мм) и быстродействием (до 1000 и более измерений в секунду). Суть триангуляционного метода состоит в освещении поверхности контролируемого объекта узким зондирующим пучком, формировании (в рассеянном свете) изображения светящейся точки оптической системой, расположенной под углом к зондирующему пучку, регистрации этого изображения и расчете положения поверхности.

Несмотря на то, что триангуляционные измерители уже выпускаются различными фирмами ("Micro Epsilon", США; "Laser Components", Германия; "Acuity Research", США; "Keyence", Великобритания; «Оптэл», Уфа; КТИ НП СО РАН), тем не менее, области и масштабы их применения пока достаточно ограничены. Причиной тому является высокая погрешность измерений в реальных условиях, зачастую намного превышающая паспортные значения, приводимые в технических характеристиках для подготовленных поверхностей.

Поэтому вполне естественно, что усилия разработчиков триангуляционных приборов направлены на снижение погрешности измерения, минимальное значение которой, обусловленное, как известно, квантовыми свойствами света, значительно меньше уровней погрешности, достигаемых на практике. Эта разница оказывается особенно существенной (в 8 - 10 раз) в случае контроля промышленных объектов - изделий производства с так называемыми техническими поверхностями, имеющими следы точения, фрезерования и т.п. В связи с этим снижение погрешности триангуляционных измерений расстояния до объектов с техническими поверхностями имеет наибольшую актуальность, поскольку именно такие объекты составляют основную часть изделий, подлежащих размерному промышленному контролю.

2. Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнена в лаборатории технического зрения Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в период с 1990 по 1999 годы в соответствии с планами фундаментальных исследований СО РАН по программе «Развитие научных основ квантовой оптики и квантовой электроники, разработка новых направлений их применений», а также в соответствии с государственными научно-техническими программами «Фундаментальная метрология» и «Технологии, машины и производства будущего». Ряд исследований проводился в соответствии с координационными планами работ СО РАН и Минатома РФ.

3. Цель работы заключалась в разработке и исследовании высокоточных быстродействующих лазерных триангуляционных приборов для решения актуальных задач промышленного размерного контроля.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести анализ и выявить основные источники погрешностей триангуляционных приборов для контроля промышленных изделий.

• Исследовать существующие и предложить модифицированные методы обработки сигналов для высокоточных (погрешность 10 мкм и менее) быстродействующих (1000 изм./сек. и более) триангуляционных приборов.

• Исследовать влияние параметров измерительной схемы на погрешность измерений и предложить способы снижения погрешности.

• Разработать схемотехнические решения, обеспечивающие повышение точности измерения расстояний до объектов с техническими поверхностями (со следами механической обработки).

• На основе результатов исследований разработать и создать приборы, обеспечивающие высокие точность и быстродействие в реальных промышленных условиях.

4. Методы исследований, использованные при выполнении работы, включают в себя методы теории спектрального и функционального анализа, волновой оптики и измерительной техники, а также компьютерное моделирование и физический эксперимент.

5. Научная новизиа диссертационной работы состоит в том, что в ней:

5.1. Впервые установлена и экспериментально исследована зависимость погрешности триангуляционных измерителей от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью (И* от 0.09 до 9.0 мкм), позволяющая снижать погрешность измерения за счет оптимизации параметров измерителя.

5.2. Предложен и реализован способ снижения погрешности измерения за счет использования структурного освещения в виде набора узких пучков.

5.3. Предложены методики экспериментального определения составляющих погрешности триангуляционных измерителей, включая методику оценки пространственной случайной составляющей погрешности с использованием плоских образцов контролируемой поверхности.

6. Достоверность результатов подтверждалась сравнением данных, полученных численным моделированием и физическим экспериментом. Достоверность экспериментальных данных обеспечивалась использованием метрологически аттестованного и поверенного оборудования.

7. Практическая значимость и реализация результатов работы

7.1. Получены экспериментальные данные по влиянию на погрешность триангуляционных приборов используемых методов первичной обработки сигнала, а также ширины зондирующего пучка, учет которьк позволяет при создании триангуляционных измерителей снизить более чем в два раза погрешность измерения расстояний.

7.2. Предложены схемотехнические решения в части выбора параметров зондирующего пучка, обеспечивающие снижение погрешности (до 3-5 мкм) при измерении геометрических параметров объектов с техническими поверхностями.

7.3. Разработаны, созданы и эксплуатируются в промышленности приборы для промышленного размерного контроля, в т.ч. измеритель толщины холоднокатанной ленты, измеритель внутреннего диаметра полых цилиндров для системы «Блик» (ОАО «НЗХК»), устройство бесконтактного контроля биений колес для автоматической линии их производства (АО «АВТОВАЗ»).

8. На защиту выносятся:

8.1. Структура, реализация и результаты исследования лазерных триангуляционных приборов, разработанных и созданных для решения актуальных задач промышленного размерного контроля.

8.2. Экспериментально установленная зависимость погрешности измерения расстояния до поверхности контролируемого объекта от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью.

8.3. Метод снижения погрешности измерения расстояния, основанный на использовании в качестве зондирующего пучка структурного освещения в виде набора узких пучков.

8.3. Результаты исследования модифицированных методов первичной обработки сигналов триангуляционных измерителей, позволяющие обоснованно выбрать оптимальный метод исходя из требуемой точности и быстродействия.

9. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях «Measurement-97» и «Measurement-99» (Братислава, Словакия), «Electronic Imaging-98» (Сан-Хосе, США), «Распределенная обработка информации» (Новосибирск, 1998), конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» (СГГА, 1997), международном симпозиуме «Laser Metrology 1999» (Флорианаполис, Бразилия).

10. Публикации. По материалам диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 11 печатных работах, включая тезисы пяти докладов. Результаты исследований и разработок вошли в 9 отчетов по НИОКР.

11. Личный вклад диссертанта заключается в постановке задач, поиске способов их решения, разработке математических моделей, алгоритмов обработки сигналов и результатов измерений. Проведение расчетов и экспериментальных исследований, разработка приборов и систем выполнены сотрудниками ОНИЛ ТЗ либо при непосредственном участии, либо под руководством автора.

12. Структура и объем диссертационной работы. Работа включает в себя введение, пять глав и заключение, список литературы из 81 наименования и приложения. Объем диссертации 89 стр., илл. 38, табл. 2.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, задачи исследования и защищаемые положения.

Первая глава посвящена анализу основных составляющих погрешности триангуляционных измерений. В рамках предложенной модели триангуляционный измеритель расстояния рассматривается как совокупность следующих функциональных блоков: оптико-электронного формирования сигнала (БФ), регистрации сигнала (БР), обработки сигнала (БО) и блока вычислений результата измерения (БВ). Измеряемое расстояние г вычисляется на основе координаты х изображения светящегося пятна на поверхности объекта, которое регистрируется многоэлементным фотоприемником (фотодиодной линейкой - ФДЛ).

Установлено, что основными составляющими погрешности триангуляционного измерителя 5 являются следующие: 5, - временная случайная погрешность, обусловленная шумами оптического и электронного трактов; ду -пространственная случайная погрешность, связанная со случайным характером микропрофиля контролируемой поверхности, рассеивающей зондирующее излучение; 6С - неустраненная систематическая погрешность, вызванная погрешностью калибровки.

лазерный диод Д* микрообъектив 1 ФДЛ

проецирующий объектив

/ Дг=^Дх) контролируемый объект

БВ: Вычисление г

Рис. 1. Функциональные блоки триангуляционного измерителя расстояний

Временная случайная погрешность 6( может быть измерена при многократных повторных измерениях и снижена за счет усреднения полученных результатов. Для измерения неустраненной систематической погрешности 5С может быть использован эталонный контактный прибор. Ее уменьшение достигается более точной калибровкой.

Для измерения величины пространственной случайной погрешности бу целесообразно использовать предложенную автором методику. Она заключается в измерении одного и того же расстояния до различных участков поверхности объекта, что реализуется сдвигом плоской поверхности объекта параллельно самой себе. Наблюдаемые вариации показаний измерителя характеризуют пространственную случайную погрешность.

Снижение данной погрешности представляет наибольшую трудность, но и наиболее актуально для большинства практических применений.

Вторая глава посвящена поиску оптимальных методов обработки сигнала триангуляционного измерителя. Суть их состоит в том, что по дискретному по координате и квантованному по уровню сигналу Б-, (где 1-номер фотодиодной ячейки) колоколообразной формы вычисляется значение числового параметра, соответствующего координате х изображения пятна. Среди методов обработки были исследованы медианный, по центру тяжести (масс) и метод аппроксимации сигнала гаусс-функцией. Сравнение по величине

пространственной случайной погрешности проводилось на модельных сигналах, сформированных на основе гаусс-функции с добавлением шума, моделирующего шум электронного тракта, шумы дискретизации и квантования, причем амплитуда и ширине гаусс-функции, а также параметры шума выбирались близкими к параметрам реальных сигналов.

В результате показано, что использование метода аппроксимации сигнала гаусс-функцией позволяет существенно (на порядок) уменьшить погрешность определения координаты по сравнению с методом центра тяжести (погрешность 0,4 и 4 мкм соответственно при амплитуде шума 2% и ширине 8 фотодиодных ячеек). Медианный метод занимает промежуточное положение как по количеству необходимых вычислений, так и по величине погрешности (0,8 мкм).

При экспериментальном сравнении методов обработки использовался стенд, позволяющий определять пространственную случайную погрешность измерительной системы. При этом проводилась дополнительная пороговая обработка сигнала, направленная на удаление постоянной составляющей, возникающей в сигнале при электронной подстройке динамического диапазона ФДЛ под рассеивающие свойства контролируемой поверхности.

Сравнение на реальных сигналах показало, что метод центра тяжести и медианный метод дают близкие значения погрешности измерения расстояния (от 2,5 до 22,5 мкм на различных поверхностях).

Медианный метод, требующий при реализации двукратного увеличения объема вычислений по сравнению с методом центра тяжести, тем не менее является предпочтительным, так как он более устойчив относительно изменения уровня пороговой обработки (при обработке сигнала от изотропной поверхности эталона шероховатости среднее значение координаты изменялось на 2,5 мкм, а при использовании метода центра тяжести - на 11,25 мкм).

В третьей главе исследованы возможности снижения пространственной случайной погрешности измерения расстояния 5У путем оптимизации ширины зондирующего пучка. Такая возможность следует из предположения о двух противоположных механизма влияния ширины пучка на погрешность измерения. Первый из них, заключающийся в усреднении вкладов различных рассеивающих центров, приводит к снижению погрешности при увеличении ширины пучка. Второй механизм, связанный с изменениями рассеивающих свойств поверхности

на масштабах, больших чем разрешение проецирующей системой (риски, изменение цвета), приводит к росту погрешности при увеличении ширины пучка.

Экспериментальные исследования зависимости 5У от ширины зондирующего пучка Ь на тестовых поверхностях (рис. 2) проводились на установке, позволяющей варьировать Ь (от единиц микрометров до миллиметров) и определять 5У для данной ширины пучка и данного образца поверхности.

Использованные образцы различались типом материала (металл, керамика, стекло), величиной шероховатости (К.2 от 0.09 до 9.0 мкм) и структурой поверхности (изотропная или неизотропная).

а) фрезерованный мегаллич.си.й о0ря«ц б> «Р»™««.» оврамц 1»*-<Ш *км

5/МКМ К2»и икм 6,мкм

Рис. 2. Зависимости погрешности измерения от ширины пучка для:

а) фрезерованной поверхности со следами обработки перпендикулярно (1) и параллельно (2) плоскости триангуляции;

б) керамической поверхности с алюминиевым напылением (1) и без него (2).

Полученные экспериментальные зависимости свидетельствуют, что для большинства из них существует оптимальная ширина пучка, при которой гоирешность минимальна. Так, для металлических объектов этот минимум достигается при ширине 50-70 мкм (рис. 2,а), а для керамических объектов, покрытых алюминиевой пленкой, значение Loiit.=70 мкм (рис. 2,6). Для стеклянных объектов (Rz=8.5 мкм) оптимальная ширина пучка равна 150 мкм.

В случае керамических поверхностей без напыления (рис. 2,6) и стеклянных поверхностей с малой шероховатостью при увеличении L погрешность сначала быстро уменьшается, а затем остается практически постоянной. В случае керамического образца вид зависимости погрешности от

ширины пучка определяется наличием или отсутствием металлического напыления, а не размером шероховатости.

Видно, что при выборе ширины зондирующего пучка в интервале 60-90 мкм случайная пространственная погрешность оказывается более чем в два раза меньше по сравнению со случаем неоптимальной ширины пучка.

Отметим, что экспериментально полученный размер импульсного отклика проецирующей оптической системы Н=100 мкм оказался близок к ширине пучка (60-90 мкм), обеспечивающей минимальную погрешность измерений.

В четвертой главе предложен новый способ снижения пространственной погрешности измерений, основанный на использовании структурного освещения в виде набора более узких пучков (рис. 3). Снижение погрешности достигается за счет взаимной компенсации погрешностей, возникающих при определении координат отдельных пучков.

Рис. 3. Распределение интенсивности в поперечном сечении пучка:

а) незашумленный сигнал (Хв»1=Хп-з=0 мкм);

б) зашумленный сигнал (хп.1=30 мкм, х„.з=9 мкм).

Проверка эффективности предложенного способа численным моделированием состояла в сравнении на модельных сигналах погрешностей измерения расстояния при использовании традиционной и предложенной схем. Сигналы, подобные сигналу ФДЛ, формировались на основе суперпозиции п гаусс-функций (где п - количество пучков, а случай п=1 соответствует традиционной схеме). Затем на них накладывался шум с мультипликативной и аддитивной составляющими, первая из которых моделирует влияние неравномерности рассеяния по поверхности объекта, вторая - шумы оптического и электронного трактов измерительной системы. Погрешность определялась при обработке серии сформированных сигналов.

Результаты расчета погрешностей приведены в табл. 1.

-400 -200 0 200 400 мкм

-400 -200 0 200 400 мкм

Табл. 1: Погрешности измерений при различном количестве пучков

Количество пучков п 1 2 3 4 5 6 7

Погрешность измерений, мкм 3.22 2.27 1.92 1.66 1.43 1.34 1.23

Отн. снижение погрешности 1 1.42 1.68 1.94 2.25 2.40 2.62

Видно, что использование структурированного освещения дает снижение погрешности пропорционально Vп.

При экспериментальной проверке структурное освещение формировалось введением в осветительное звено традиционной схемы дифракционной решетки, диафрагмы и линзы.

Экспериментальные значения погрешности измерения расстояния до различных тестовых поверхностей при п=1 и п=3 приведены в табл. 2.

Табл. 2: Погрешности измерения расстояний до различных поверхностен

Вид поверхности Погрешность дляп=1 Погрешность для п=3 Отн. уменьшение

Фрезерованная, Я* =4,22 мкм 5,6 мкм 4,5 мкм 1.2

Керамическая, Яг = 0,84 мкм 2,6 мкм 1,4 мкм 1.9

Керамическая с напылением, Я7= 0,80 мкм 3,8 мкм 2,6 мкм 1.5

Видно, что для схемы с тремя пучками наибольшее относительное снижение погрешности (в 1.9 раза) наблюдается для случая измерения расстояния до керамической поверхности. При напыления этой поверхности выигрыш по точности измерения составляет лишь 1.5 раза. Для фрезерованной поверхности наблюдается снижение погрешности в 1.2 раза, причем величина полученной погрешности измерения (4.5 мкм) близка к своему минимальному значению - величине шероховатости поверхности (И* = 4.22 мкм).

Полученные (при моделировании и экспериментально) данные подтверждают эффективность предложенного способа. Его использование целесообразно при условии допустимости снижения поперечного разрешения измерителя, возникающего за счет увеличения эффективной ширины зондирующего пучка.

Пятая глава посвящена использованию полученных диссертантом результатов исследований триангуляционного метода измерения при разработке и создании впервые в России следующих средств бесконтактного размерного контроля: системы комплексного контроля полых цилиндров, лазерного цифрового измерителя расстояния, устройства контроля биений колес, измерителя толщины ленты и измерителя биений валов гидроагрегатов ГЭС.

Измеритель внутреннего диаметра входит в состав оптико-электронной системы бесконтактного комплексного контроля геометрических параметров полых цилиндров «Блик», Система создана в КТИ НП СО РАН и уже более 4 лет успешно эксплуатируется на Новосибирском заводе химконцентратов, обеспечивая измерение наружных и внутренних диаметров, длины и отклонения от прямолинейности образующей. Погрешности измерения наружных диаметров (в диапазоне до 52 мм) и внутренних диаметров (в диапазоне от 38 мм) не превосходят 0.02 мм, а для отклонения от прямолинейности образующей (до 1 мм) и длины - не более 0.04 мм. Производительность контроля не менее 100 изделий в час.

В основу измерителя внутреннего диаметра положена схема на базе двух симметричных измерительных каналов. Работу одного из каналов рассмотрим по рис. 4. Световой пучок осветителя (лазерный диод 1 и объектива 2), отклоняется зеркалом 3 и фокусируется на контролируемой поверхности детали 4 в световое пятно диаметром 40 мкм. Призмой 5 и объективом б на ФДЛ 7 формируется

изображение этого пятна. I Значение радиуса Я2 вычисляется путем

обработки сигнала ФДЛ.

4 ' ' Диаметр вычисляется

Рис. 4. Схема измерителя внутреннего диаметра исходя из значений

иЯ2.

Основные элементы оптической схемы (кроме ФДЛ) размещены на штанге, вводимой внутрь детали при измерении, что позволило уменьшить оптические пути в измерительной схеме, обеспечить механическую и температурную стабильность, высокую помехоустойчивость и светосилу. За счет высокой светосилы обеспечивается контроль поверхностей различной чистоты обработки, вплоть до полированных калибров.

Суммарная погрешность измерения внутреннего диаметра не превышает 14 мкм в диапазоне измерения от 40 до 45 мм, что достигнуто благодаря следующим техническим решениям, предложенным диссертантом: выбору максимального угла триангуляции (90°), использованию лазерных диодов в подпороговом режиме, медианному методу обработки сигнала и автоматической регулировке его амплитуды.

В результате внедрения системы «Блик» взамен контактной линии допускового контроля технологи ОАО «НЗХК» впервые получили в реальном времени достоверную информацию о технологическом процессе, что позволило улучшить качество продукции.

Лазерный цифровой измеритель расстояний - самостоятельное измерительное устройство, используемое в качестве базового модуля при построении обсуждаемых ниже систем промышленного размерного контроля. По своим функциональным возможностям он находится на уровне лучших мировых образцов и на момент создания (1997 год) аналогов в России не имел.

Измеритель имеет диапазон измерений 25 мм, разрешение 1 мкм, погрешность (в зависимости от контролируемой поверхности) от 10 до 30 мкм при быстродействии 300 изм./сек. (используется медианный метод обработки сигнала). В режиме быстрого контроля

Рис. 5. Цифровой измеритель <д0 1000 изм./сек.) обработка сигналов расстояния проводится по упрощенным пороговым

алгоритмам, что приводит к увеличению погрешности измерений до 30 - 50 мкм.

За счет термостабильного герметичного корпуса измеритель обеспечивает представленные выше характеристики в широком диапазоне температур (от 10 до 45 СС) при наличии пыли и влаги. Распределенная обработка информации делает его устойчивым к воздействию значительных электромагнитных помех.

Устройство бесконтактного контроля биений колес предназначено для измерения радиальных и торцевых биений колес в составе автоматической линии их производства. В настоящее время эксплуатируется в ОАО «АВТОВАЗ». Основой устройства являются четыре лазерных цифровых измерителя

расстояния. Они измеряют расстояние до вращающегося колеса (диапазон - 5 мм, погрешность - не более 0.05 мм). По этим данным управляющий компьютер вычисляет биения в четырех контролируемых зонах за один оборот колеса и передает признак годности колеса контроллеру автоматической линии, управляющему механизмом разбраковки колес. Внедрение устройство позволило существенно повысить качество выпускаемых колес.

Измеритель толщины ленты, созданный на базе двух лазерный триангуляционных датчиков, позволяет осуществлять достоверный выходной контроль толщины холоднокатаной ленты при ее движении со скоростью до 10 м/с и колебаниях с амплитудой до 1 мм.

Дополнительная погрешность, связанная с колебаниями и изгибами ленты, снижена за счет соосности зондирующих пучков датчиков, расположенных с разных сторон ленты, а также за счет импульсного режима включения лазеров диодов (длительность импульса менее 0.1 мс).

Снижение пространственной случайной погрешности измерения достигается использованием лазерных диодов в подпороговом режиме и медианного метода обработки сигнала, в результате чего погрешность измерения толщины не превышает 10 мкм. Измеритель толщины передан в ИЛИИ АЧермет (г. Днепропетровск, Украина) для последующего внедрения на Машиностроительном заводе (г. Электросталь, Московская обл.).

Измеритель биений валов гидроагрегатов ГЭС предназначен для непрерывного контроля биения, смещения и вибрации вала в составе АСУТП станции, что необходимо для увеличения межремонтных интервалов гидроагрегатов. Измеритель биений контролирует расстояние до поверхности вращающегося вала с погрешностью не более 0.04 мм и производительностью 500 изм./сек.. Его особенностями являются адаптация для работе в сети РгойВШ, водонепроницаемое исполнение корпуса и дополнительная защита электронных модулей от электромагнитных полей. Программа обработки массива измеренных расстояний предусматривает вычисление фурье-спектра биения вала с выводом данных на встроенный жидкокристаллический индикатор и передачей в сеть.

Созданный измеритель биений и смещений вала гидроагрегата предназначен для эксплуатации в составе АСУТП Новосибирской ГЭС, начало которой запланировано на 2000 год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе поставлен и решен ряд актуальных задач, связанных с разработкой и исследованием высокоточных быстродействующих лазерных триангуляционных приборов для измерения геометрических параметров промышленных изделий.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Установлено, что для триангуляционных измерителей, имеющих быстродействие до 1000 измерений в секунду и диапазон измерения -20 мм при удалении измерителя от контролируемой поверхности -100 мм, основной вклад в результирующую погрешность измерения расстояния до поверхности контролируемого объекта дают временная и пространственная случайные и неустраненная систематическая составляющие. Предложены высокоточные методики их измерения и эффективные способы снижения.

2. Проведена оценка погрешностей различных методов обработки сигналов типичных триангуляционных измерителей: по центру тяжести, медианного и на основе аппроксимации сигнала гаусс-функцией. Для многих практических применений рекомендован медианный метод, обеспечивающий малую методическую погрешность (0.8 мкм для типичного сигнала при амплитуде шума 2% от максимальной амплитуды сигнала) и устойчивость к искажениям сигнала.

3. Экспериментально исследовано влияние ширины зондирующего пучка на погрешность триангуляционных измерений. Установлено, что для рассмотренного класса приборов эта погрешность изменяется в диапазоне от 2 до 15 мкм при изменении ширины пучка от 6 до 500 мкм, причем вид экспериментальных зависимостей определяется материалом и шероховатостью поверхности. Зависимость погрешности от ширины пучка для большинства поверхностей имеет четко выраженный минимум, что позволяет оптимизацией ширины пучка снизить более чем в два раза погрешность измерения.

4. Предложен способ снижения пространственной составляющей погрешности триангуляционных измерителей, основанный на применении зондирующего пучка со структурным освещением в виде набора узких пучков. Экспериментально показано, что при освещении объектов из различных материалов тремя пучками света максимальный выигрыш по точности измерения (в 1,9 раза) достигается для изделий из керамики (Rz=0.84 мкм).

5. Впервые в отечественной практике разработаны, созданы и используются на различных предприятиях для решения актуальных задач промышленного размерного контроля в реальных производственных условиях следующие высокоточные быстродействующие приборы и устройства:

• измеритель внутреннего диаметра полых цилиндров для системы контроля геометрических параметров цилиндров (погрешность измерения внутреннего диаметра в диапазоне от 39 до 42 мм не более 0.014 мкм, производительность 300 измерений в секунду). Внедрен и более 4 лет успешно эксплуатируется на Новосибирском заводе химконцентратов.

• универсальный цифровой бесконтактный измеритель расстояний. По основным техническим характеристикам и функциональным возможностям находится на уровне лучших зарубежных аналогов. Диапазон измерения - 25 мм, погрешность - 0.01-М3.05 мм, быстродействие - ЗООн-ЮОО изм./сек., адаптирован к тяжелым цеховым условиям (в диапазоне температур от 5 до 45 °С).

• устройство бесконтактного контроля биений колес, позволяющее в темпе автоматической линии (за одну секунду) в цеховых условиях (диапазон температур от 10 до 45°С, наличие пыли и паров масла) контролировать биения колеса более чем в 300 точках с погрешностью менее 0.05 мм. Внедрено на ОАО «АВТОВАЗ».

• измеритель толщины холоднокатаной ленты с диапазоном до 10 мм и погрешностью не более 0.01 мм при движении ее со скоростью до 10 м/с и амплитудой колебаний до 1 мм. Передан для внедрения на Электростальском металлургическом комбинате.

• Измеритель биений, смещений и вибрации валов гидроагрегатов ГЭС, обеспечивающий контроль биений с погрешностью не более 0.04 мм и быстродействие 500 изм./сек. и адаптированный для работы в составе АСУТП станции. Внедрение на Новосибирской ГЭС запланировано на 2000 год.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах: 1. Плотников C.B. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных системах // Автометрия. - 1995, № 6. - С. 58-63.

2. Оптико-электронная система бесконтактного контроля геометрических параметров полых цилиндров / Ю.В. Чугуй, О.И. Битюцкий, В.В. Вертопрахов, В.И. Ладыгин // Автометрия. - 1995, № 6. - С. 69-74.

3. Application of Optoelectronic Methods of Measurement for Inspection of Geometrical Parameters of Hollow Cylinders / Bityuski O.I., Chugui Yu. V., Krivenkov B.E., Ladigin V.I., Pastushenko A.I., Plotnikov S.V., Vertoprakhov V.V., Yunoshev S.P. // Measurement'97: Proceedings of International Conference on Measurement, Smolenice Castl, Slovac Republik, May 29-31, 1997. - P.136-139.

4. Волков E.B., Плотников C.B. Исследование влияния ширины зондирующего пучка на погрешность измерений триангуляционных систем II Автометрия.

1997, №2.-С. 17-22.

5. Plothikov S.V., Volkov E.V. Investigation of Probing Beam Width Influence on Accuracy of Triangulation System Measurement // Measurement'97: Proceedings of International Conference on Measurement, Smolenice Castl, Slovac Republik, May 29-31,1997. - P.148-150.

6. Optico-electronic dimensional integral inspection of hollow cylinder-type articles for conveyer line / O.I. Bityutsky, Y.V.Chugui, B.E. Krivenkov, V.I. Ladigin,

A.I. Pastushenko, S.V. Plotnikov, V.V. Vertoprakhov, S.P. Yunoshev // Proc. SPIE. - 1998, v. 3313. - P.139-145.

7. Цифровой бесконтактный измеритель биений валов гидроагрегатов для электростанций/ Кащеев К.П., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В., Чугуй Ю.В. // Труды конференции РОАИ-98, Новосибирск,

1998, - С.515-518.

8. Голубев И.В., Плотников С.В. Повышение точности триангуляционных измерений с использованием структурированного освещения // Автометрия. -

1999, №1,- С. 38-47.

9. Устройство бесконтактного контроля биений колес / В.А. Белоглазова,

B.И. Ладыгин, А.И. Пастушенко, Ю.В. Чугуй, С.П. Юношев // Датчики и системы. - 1999, № 4. - С.48-51.

10.Experience of triangulation method using for industrial dimensional inspection/ Yu.V. Chugui, V.I. Ladigin, A.I. Pastushenko, S.V. Plotnikov, S.P. Yunoshev // Laser Metrology 1999: Proc. of the Intern. Symposium on Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry. Ed. by Armando Albertazzi Jr. Florianopolis, Brazil, October 13-15,1999. - P.2.22 -2.29.

Введение.

Глава 1. Анализ основных составляющих погрешности триангуляционных измерений

1.1 Модель триангуляционной измерительной системы

1.2 Основные составляющие погрешности и методы их измерения.

1.3 Анализ влияния различных составляющих погрешности.

1.4 Выводы к главе

Глава 2. Поиск оптимальных методов обработки сигнала.

2.1 Исследование методов обработки сигнала путем численного моделирования.

2.2 Экспериментальное сравнение методов обработки.

2.3 Обсуждение результатов.

2.4 Выводы к главе 2.

Глава 3. Снижение пространственной случайной погрешности путем оптимизации ширины зондирующего пучка.

3.1 Механизмы влияния ширины пучка на погрешность измерения.

3.2 Цель и методика экспериментального исследования.

3.3 Экспериментальные зависимости погрешности измерения от ширины зондирующего пучка.

3.4 Выводы к главе

Глава 4. Повышение точности измерений путем использования зондирующего пучка со структурированным освещением.

4.1 Суть предлагаемого способа.

4.2 Проверка эффективности предложенного способа численным моделированием

4.3 Экспериментальная проверка.

4.4 Выводы к главе 4.

Глава 5. Использование триангуляционного метода для создания систем промышленного размерного контроля.

5.1 Измеритель внутреннего диаметра.

5.2 Лазерный цифровой измеритель расстояний.

5.3 Устройство бесконтактного контроля биений колес.

5.4 Измеритель толщины ленты.

5.5 Измеритель биений валов гидроагрегатов ГЭС.

5.6 Выводы к главе 5.

Современное промышленное производство на пороге XXI века - это гибкое и, в значительной степени, автоматизированное производство. Высокая степень автоматизации производства необходима для снижения стоимости производимых изделий, а гибкость обеспечивает быструю реакцию на изменение рыночной конъюнктуры и позволяет расширять и видоизменять ассортимент выпускаемой продукции. Очевидно, что успех этой продукции на рынке в первую очередь будет определяться соотношением между ценой и качеством. В свою очередь, системы обеспечения качества, особенно в условиях гибкого автоматизированного производства, должны предусматривать непрерывный контроль как параметров технологического производственного процесса (например, корректность настроек автоматических линий при поточном производстве), так и параметров готовой продукции.

Значительную долю среди операций промышленного контроля занимает контроль геометрических параметров (размерный контроль). Особенно велика эта доля в отраслях промышленности, связанных с металлообработкой - в первую очередь, в машиностроении, автомобильной, авиационной и атомной промышленности. Основными требованиями к системам и средствам контроля при этом являются высокие точность и быстродействие, а также надежность, гибкость и совместимость с системами управления технологическим оборудованием.

Существующий в настоящее время в данных отраслях парк контрольно-измерительных средств и систем не отвечает указанным выше требованиям. Основными средствами размерного контроля до сих пор остаются пробки, шаблоны, скобы и другие подобные средства. Осуществляемый такими средствами контроль субъективен, непроизводителен и, поскольку является по сути допусковым, непригоден для оперативной коррекции технологического процесса. Системы размерного контроля на основе контактных датчиков также реализуют преимущественно допусковый контроль и требуют значительных затрат времени на обслуживание и настройку вследствие износа мерительного инструмента.

Указанные выше жесткие и зачастую противоречивые требования в наибольшей степени удовлетворяются средствами и системами бесконтактного размерного контроля [1]. Такие системы могут быть реализованы, например, на базе индуктивных [2] или пневматических [3] датчиков. Однако системы на основе индуктивных датчиков имеют узкую область применения, поскольку весьма чувствительны к материалу контролируемого изделия, а системы на основе пневматических датчиков, как правило, 4 имеют очень узкие (менее 1 мм) диапазоны измерения. От этих недостатков свободны средства и системы, построенные на базе оптико-электронных методов контроля [4], чем и объясняется их значительная доля среди бесконтактных систем размерного контроля.

В настоящее время основную часть таких оптико-электронных средств промышленного размерного контроля составляют системы на основе интерференционного метода, метода теневой проекции, триангуляционного и дифракционного методов [5].

Среди интерференционных систем контроля преобладают системы на базе интерферометра Майкельсона [6-8], использующие интерференцию двух когерентных лазерных пучков, один из которых является опорным, а второй содержит информацию об изменении оптической длины пути до отражателя, установленного на контролируемый объект. Подобные системы обеспечивают наиболее точные измерения (погрешность 0.01 мкм и менее), однако практически не пригодны для прямых измерений параметров объекта, поскольку требуют наличия специальных отражателей, закрепленных на измеряемом объекте. Наиболее широкое применение такие интерференционные системы находят при контроле перемещений прецизионных столов различных станков и механизмов.

Интерференционные системы гетеродинного типа [9] позволяют измерять с высокой точностью расстояния непосредственно до поверхности объекта. Недостатком подобных систем является их высокая сложность, и, как следствие, высокая стоимость.

Метод теневой проекции (или теневой метод) [10] основан на построении и регистрации теневой проекции контролируемой области объекта и последующем расчете геометрических параметров объекта по проекции. Теневой метод широко используется для контроля диаметров проволоки и труб, геометрических параметров изделий типа тел вращения, толщины эластичных материалов и т.д. Как правило, погрешность измерения при этом составляет от 1 до 10 мкм. Основным недостатком теневого метода, существенно ограничивающим сферу его применения, является невозможность контроля объектов, геометрические параметры которых не передаются теневой проекцией (например, сложнопрофильные корпусные изделия).

Определение размеров объекта дифракционным методом контроля [11,12] основано на использовании для целей измерения дифракционной картины Фраунгофера, создаваемой объектом при его освещении когерентным источником. Системы контроля на основе дифракционного метода близки по сфере применения к теневым системам контроля, как правило, обеспечивая при этом большую точность контроля. Однако, такие системы имеют относительно узкий диапазон контролируемых размеров (верхний 5 предел измерений около 0.5 мм). Наиболее часто дифракционные системы используются для высокоточного контроля тонких проволок, нитей.

Триангуляционный метод [13,14] основан на расчете искомого расстояния через соотношения треугольника (отсюда и название) с использованием известных параметров треугольника - стороны и двух прилежащих углов и позволяет измерять как относительное изменение расстояния от измерителя до поверхности контролируемого объекта, так и абсолютное значение этого расстояния. Причем, измеряемое расстояние может иметь масштаб от нескольких микрометров (например, при контроле поверхности кристаллов микроэлектроники) до сотен и тысяч метров (при геодезических применениях) В системах промышленного размерного контроля триангуляционный метод реализуется, как правило, следующим образом. Сформированный осветителем зондирующий пучок направляется на участок поверхности объекта, расстояние до которого подлежит измерению. Часть рассеянного или отраженного поверхностью объекта излучения собирается проецирующим объективом, оптическая ось которого располагается под углом к оси зондирующего пучка. В плоскости изображений этого объектива формируется изображение освещенного участка поверхности, причем каждому положению объекта (вдоль оси зондирующего пучка) однозначно соответствует положение изображения его поверхности. Положение изображения регистрируется фотоприемниками, после чего вычисляется расстояние от измерительной системы до поверхности объекта.

По сравнению с системами, основанными на других оптико-электронных методах, триангуляционные системы отличаются относительной простотой реализации, потенциально высокой точностью (погрешность на уровне 1 мкм и ниже, разрешение -до 0.05 мкм) и производительностью (1000 и более измерений в секунду). Такие системы позволяют измерять расстояния непосредственно до поверхности контролируемого объекта, при этом объект может быть сложнопрофильным.

Триангуляционные системы широко применяются в самых различных отраслях промышленности. Так, в электронной промышленности с их помощью контролируют качество элементов, печатных плат и сборок [15,16]. В оптическом приборостроении такие системы используются для контроля оптических элементов [17]. В авиации, судостроении, автомобильной и космической промышленности триангуляционными системами контролируются как геометрические параметры крупных сборок [18], так и размеры отдельных деталей [19]. Триангуляционные системы используются для контроля параметров проката в металлургии, толщины листа в бумажной и качества ткани в легкой промышленности [20], раскроя материала в мебельной промышленности 6 и деревообработке, измерения параметров дорог и аэродромов [21], автоматического управления движением роботов [22] и т.д. Весьма актуально применение таких систем в атомной промышленности [23] и машиностроении [24]. Кроме этого, триангуляционные измерители расстояний используются в качестве датчиков в координатно-измерительных машинах [25,26].

Технические параметры конкретных триангуляционных систем также изменяются в очень широких пределах. Однако видна общая тенденция одновременного повышения точности контроля и быстродействия, что вызвано ужесточением требований к современным производственным процессам.

В зависимости от решаемой измерительной задачи создаются триангуляционные системы, имеющие различную размерность измерительного объема. Например, датчики касания фиксируют наличие контролируемой поверхности в узком диапазоне (от 0.1 до 3-5 мкм). Их можно условно отнести к системам 0-мерного (0-D) типа [25,26]. Триангуляционные щупы, измеряющие расстояние вдоль некоторого отрезка, относятся к системам одномерного типа (1-D) [15-17, 38-41]. Различного рода измерители профиля являются 2-D системами, поскольку измеряют одновременно две пространственные координаты точек поверхности контролируемого объекта [22,28-30]. Наконец, существуют 3-D системы [18,19,27,31-34], позволяющие измерять координаты точек на поверхности трехмерного объекта. Отметим, что в литературе последние системы иногда описываются термином "'2,5-D"[35]. Тем самым подчеркивается, что выходные данные представляют из себя только набор точек (cloud data) на поверхности объекта, при этом для трехмерного описания этой поверхности требуется дополнительная математическая обработка.

Каждый из перечисленных типов систем может быть практически реализован различными способами. Например, одномерный датчик может содержать один, два (симметричных) [15] либо более двух измерительных каналов. Двумерная система может быть реализована как на основе одномерной с использованием механического сканирования, так и на основе освещения объекта двумерной зондирующей структурой [22]. В случае трехмерной системы кроме механического сканирования 1-D [26] или 2-D системы [36] может использоваться структурное освещение в виде различных наборов зондирующих пучков известной структуры [31], в виде непрерывного зондирующего распределения [37] и т.д.

Наибольшее применение в промышленности находят системы 1-D и 2-D контроля. Это связано с тем, что системы 3-D контроля достаточно дороги и преимущественно используются в случае отсутствия альтернативных решений. В части 7 датчиков касания достаточно низкая доля триангуляционных систем объясняется существованием множества бесконтактных датчиков, основанных на других методах (например, на методе точной фокусировки).

Достаточный спрос на 1-D системы подтверждается анализом предложения на мировом рынке. Так, если описания 2-D и 3-D систем встречаются преимущественно в научно-технической литературе, то по 1-D лазерным измерителям расстояний существует ряд фирм, предлагающих готовые датчики. Наиболее совершенные системы предлагают фирмы "Micro Epsilon" (США), "Laser Components" (Германия), "Acuity Research" (США), "Keyence" (Великобритания) [38-41]. Однако следует отметить, что в большинстве технических описаний предлагаемых изделий рядом с приводимой погрешностью измерений стоит знак сноски, в которой приводится пояснение, что данные результаты относятся к случаю контроля керамического (специально подготовленного) образца при усреднении по большому числу измерений (до 500). Это свидетельствует о том, что погрешность контроля, получаемая при измерении расстояний до образцов с другими поверхностями, может оказаться существенно выше, что может оказаться неприемлемо для потребителей.

В России лазерные триангуляционные измерители серийно не выпускались и, насколько известно автору, не выпускаются к настоящему моменту. Существует ряд исследователей и коллективов, разрабатывающих различные триангуляционные измерительные системы. Среди них, прежде всего, следует отметить фирму «Оптел» (г. Уфа, Галиулин P.M.). Этим коллективом сделано более десяти разработок для промышленности [42-47], в которых используется триангуляционный метод измерения для решения задач промышленного размерного контроля, а исследования и патентование разработок касается преимущественно схемотехнических решений электронного тракта измерителя.

Анализ информации иностранных источников о современных разработках в области триангуляционных измерительных систем показывает, что в основном усилия разработчиков направляются на повышение производительности и снижение погрешности. При этом часть авторов уделяют большее внимание производительности [15,16], в то время как другая часть более детально рассматривает вопросы снижения погрешности [30]. Наиболее фундаментальными работами по анализу погрешностей триангуляционных измерительных систем и поиску физических пределов минимальной достижимой погрешности являются работы Г. Хослера [48-53]. Так, в [53] на основе проведенного анализа физической модели триангуляционной системы сделан вывод, что погрешность имеет нижний предел, связанный с квантовыми свойствами света. Вместе с 8 тем, в этой и последующих работах отмечается, что на практике измерения с минимальным значение погрешности обеспечить, как правило, не удается. Реальная величина погрешности оказывается в 8-10 раз выше минимальной.

Особенно существенной оказывается разница между минимально возможной и реальной погрешностью измерений в случае контроля объектов с поверхностями, имеющими следы механической обработки (точения, фрезерования и т.п.) - так называемыми техническими поверхностями, когда погрешность измерения многократно превосходит минимально допустимую. Однако именно такие объекты составляют основную часть объектов контроля для промышленных измерительных систем. Отсюда следует актуальность поиска эффективных путей снижения погрешности триангуляционных измерений расстояния до объектов с техническими поверхностями.

Поскольку увеличение погрешности наблюдается в системах с произвольной размерностью диапазона измерений, исследование данного вопроса обычно проводится на наиболее распространенном виде триангуляционных систем - 1-ГЗ измерителях.

Рассматриваемая область исследования (снижение погрешности триангуляционных измерений) в настоящее время не отличается, к сожалению, большим число глубоких аналитических исследований. В качестве основных работ, содержащих наиболее интересные и полезные идей, следует отметить работы [16,33,48,52-54], а более подробные обзоры по отдельным аспектам рассматриваемой проблемы приводятся далее в начале соответствующих глав диссертации.

В [33] снижение погрешности достигается за счет разделения рассеянного поверхностью света по поляризации. При этом иногда удается' снизить погрешность измерений более чем в два раза. К недостаткам такого подхода следует отнести необходимость использования мощного источника поляризованного излучения.

Для снижения погрешности измерения в [16] предложено использовать два регистрирующих канала, состоящих из проецирующего объектива и фотоприемника и расположенных симметрично относительно направления распространения зондирующего излучения. При этом снижение погрешности измерений (до трех раз) достигается за счет частичной взаимной компенсации погрешностей этих каналов. Однако такое снижение наблюдается, в основном, только для очень грубых поверхностей. Другим недостатком схемы является ее более высокая сложность в настройке.

Снижение погрешности можно получить при использовании в качестве зондирующего некогерентного излучения, что приводит, однако, к существенному усложнению осветителя и уменьшению диапазона измерения. 9

Таким образом, к настоящему моменту имеется существенный разрыв между минимальной теоретически возможной погрешностью и погрешностью измерения расстояния, наблюдаемой у реальных триангуляционных систем. Особенно велик этот разрыв при измерении расстояний до объектов с техническими поверхностями.

Цель настоящей работы заключалась в разработке и исследовании высокоточных быстродействующих лазерных триангуляционных приборов для решения актуальных задач промышленного размерного контроля.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести анализ и выявить основные источники погрешностей триангуляционных приборов для контроля промышленных изделий.

• Исследовать существующие и предложить модифицированные методы обработки сигналов для высокоточных (погрешность 10 мкм и менее) быстродействующих (1000 изм./сек. и более) триангуляционных приборов.

• Исследовать влияние параметров измерительной схемы на погрешность измерений и предложить способы снижения погрешности.

• Разработать схемотехнические решения, обеспечивающие повышение точности измерения расстояний до объектов с техническими поверхностями (со следами механической обработки).

• На основе результатов исследований разработать и создать приборы, обеспечивающие высокие точность и быстродействие в реальных промышленных условиях.

Поскольку, как отмечалось выше, снижение погрешностей при контроле технических поверхностей актуально для всех триангуляционных измерительных систем, основное внимание было сосредоточено на анализе и поиске путей повышения точности в одномерной (1-0) системе, имея ввиду возможность распространения полученных результатов на другие случаи.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:

• Впервые установлена и экспериментально исследована зависимость погрешности триангуляционных измерителей от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью (Яг от 0.09 до 9.0 мкм), позволяющая снижать погрешность измерения за счет оптимизации параметров измерителя.

10

• Предложен и реализован способ снижения погрешности измерения за счет использования структурного освещения в виде набора узких пучков.

• Предложены методики экспериментального определения составляющих погрешности триангуляционных измерителей, включая методику оценки пространственной случайной составляющей погрешности с использованием плоских образцов контролируемой поверхности.

На защиту выносятся:

• Структура, реализация и результаты исследования лазерных триангуляционных приборов, разработанных и созданных для решения актуальных задач промышленного размерного контроля.

• Экспериментально установленная зависимость погрешности измерения расстояния до поверхности контролируемого объекта от ширины зондирующего пучка для поверхностей из различных материалов и с различной шероховатостью.

• Метод снижения погрешности измерения расстояния, основанный на использовании в качестве зондирующего пучка структурного освещения в виде набора узких пучков.

• Результаты исследования модифицированных методов первичной обработки сигналов триангуляционных измерителей, позволяющие обоснованно выбрать оптимальный метод исходя из требуемой точности и быстродействия.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

• Получены экспериментальные . данные по влиянию на погрешность триангуляционных приборов используемых методов первичной обработки сигнала, а также ширины зондирующего пучка, учет которых позволяет при создании триангуляционных измерителей снизить более чем в два раза погрешность измерения расстояний.

• Предложены схемотехнические решения в части выбора параметров зондирующего пучка, обеспечивающие снижение погрешности (до 3-5 мкм) при измерении геометрических параметров объектов с техническими поверхностями.

• Разработаны, созданы и эксплуатируются в промышленности приборы для промышленного размерного контроля, в т.ч. измеритель толщины холоднокатанной ленты, измеритель внутреннего диаметра полых цилиндров для системы «Блик» (ОАО «НЗХК»), устройство бесконтактного контроля биений колес для автоматической линии их производства (АО «АВТОВАЗ»),

11

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на международных и всероссийских конференциях:

• Международная конференция «Measurement-97», Смоленица, Словакия, 1997 год.

• Международная конференция «Electronic Imaging», Сан-Хосе, Калифорния, США, 1998 год.

• Конференция «Современные проблемы геодезии и оптики», СГГА, г. Новосибирск, 1997 год.

• Международная конференция «Распределенная обработка информации», Новосибирск, 1998 год.

• Международный симпозиум «Laser Metrology 1999», Флорианаполис, Бразилия, 1999 год.

• Международная конференция «Measurement-99», Смоленица, Словакия, 1999 год.

Основные положения диссертационной работы изложены в 11 -ти печатных работах, включая тезисы пяти докладов.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад соискателя состоял в разработке математических моделей, алгоритмов обработки сигналов и результатов измерений, проведении расчетов и разработке принципиальных оптических схем приборов и систем.

Работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории технического зрения КТИ НП СО РАН в период с 1990 по 1999 годы. Результаты работы вошли в отчеты по темам:

• НИП СО РАН "Исследование оптических методов формирования и фильтрации изображений (образов) трехмерных тел в проходящем и отраженном свете и разработка на их основе прецизионных измерительных систем технического зрения» 1993-1995 В рамках программы СО РАН «Развитие научных основ квантовой оптики и квантовой электроники, разработка новых направлений их применений».

• ГНТП «Фундаментальная метрология» «Разработка научных основ создания высокоточных оптико-электронных систем нового поколения для прецизионного измерения геометрических параметров трехмерных объектов. Создание и апробация экспериментальных образцов измерителей» 1996 г.

12

• ГНТП «Технология, машины и производства будущего» Международный проект «Дифракционные элементы для преобразования волновых фронтов» 1996 г.

• НИП СО РАН "Разработка и исследование оптико-электронных методов измерения геометрических параметров трёхмерных объектов и создание систем размерного контроля" 1999 г.

Структура диссертационной работы. Работа включает в себя введение, пять глав и заключение.

Результаты работы неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях:

• Международная конференция «Measurement-97», Смоленица, Словакия, 1997 год.

• Международная конференция «Electronic Imaging», Сан-Хосе, Калифорния, США, 1998 год.

• Конференция «Современные проблемы оптики и геодезии», СГГА, г. Новосибирск, 1997 год.

• Международная конференция «Распределенная обработка информации», Новосибирск, 1998 год.

• Международная конференция «Лазерная Метрология 1999», Флорианаполис, Бразилия, 1999 год.

• Международная конференция «Measurement-99», Смоленица, Словакия, 1999 год.

81

1. Чугуй Ю.В. Информационные, оптические и лазерные технологии. Автометрия, 1997, № 4,с. 3-15.

2. Feutlinske К., Gast Th. Beruhrungslose optisch-elektrische Prufung von Lagen und Dimensionen. Qualität und Zuverlässigkeit. 1985, 30, H. 7.

3. Кирьянов В.П. Лазерная наноинтерферометрия перемещений: методы и средства повышения точности измерений. Изв. АН. Сер. физическая, 1999, т.63, № 6, с.1110-1116.

4. Krattenmacher G. Berihrungslose optiche Abstandmessung. Electronic, 1987. 36, N 5. p. 69-74.

5. Tiziani H.J. "High precision optical measurement methods". SPIE Vol. 2248.

6. Техническое зрение роботов/ под. ред. Ю.Г. Акушенкова, М.: Машиностроение 1990, с. 162-164.

7. Kujawinska М. Expert system for analysis of complicated fringe patterns. SPIE Vol. 1755, p. 252-257.

8. Buckberry C.H., Towers D.P. The application of automatic fringe analysis techniques in automotive industry. SPIE Vol. 1755, p. 262-269.

9. Dalhoff E., Fischer E., Kreuz S., Tiziani H.J. Double heterodyne interferometry for high precision distance measurements. SPIE Vol. 2252, p. 379-385, (October 1993).

I. Громилин О.Г., Кучинский К.И., Ладыгин В.И., Плотников С.В., Юношев С.П. Оптико-электронные системы бесконтактного размерного контроля изделий типа тел вращения. Датчики и системы, 1999, № 4.

II.C'hugui Yu.V., Pavlov A.A. The analysis of a diffraction field for the circular cylinder applied to dimensional measurements. - In: MEASUREMENT'99: Proc. of the 2-nd International Conference on Measurement, Smolenice Castle, Slovak Republik, April 26-29, 1999, p.149-152.

12. Chugui Y.V. Metrological aspects of laserOoptical inspection of 3D objects with clear shadow projections. Laser Metrology 1999: Proc. of International Symposium, Brazil, October 1999.

13. Kirmani S.F., Haugen P.R., Kranz D.M. Profiling of multichip-module interconnects with a hybrid high speed triangulation range sensor. SPIE Vol. 1821, p. 357-364, (November 1992).

14. Stevenson W. The use of laser triangulation probes in coordinate measuring machines for part tolerance inspection and reverse engineering. SPIE Vol. 1821, p. 406-414, (November 1992).

82

15. Kooijman Kees S., Horijion Jef L. Video rate laser scanner: Consideration on triangulation optics, detectors and processing circuits. SPIE Vol. 2065 p. 251-263 (September 1993).

16. Svetkoff D. J., Kilgus B.T. High speed, ultra high resolution, 3-D laser scanner. SPIE Vol. 2065 p. 264-273 (September 1993).

17. Development of an optical probe for profile measurement of mirror surfaces. Opt. Eng. 36(12) p. 3360-3366 (December 1997).

18. Rioux M., Beraldin A., Godin G.,. Blais F, Cournoyer L. High resolution digital 3-D imaging of large structures. SPIE Vol. 3023, p. 109-118 (February 1997).

19. Wen-Chih Tai, Ming Chang Noncontact profilometric measurement of large-form parts. Opt. Eng. 35 (9), p. 2730-2735, (September 1996).

20. Bahners Т., Ringens W., Schollmeter E. On line inspection of textile geometries. SPIE Vol. 2088, p. 97-103, (October 1993).

21. Bursanescu L., Bursanescu M. Three-line high-power three-dimensional sensor. SPIE Vol. 3313, p. 105-114, (January 1998).

22. Roning J., Haverinen J. Obstacle detection using a light-stripe based method. SPIE Vol. 3023, p. 100-108, (February 1997).

1. Битюцкий О.И., Вертопрахов В.В., Кривенков Б.Е., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В., Чугуй Ю.В., Юношев С.П. Оптико-электронная система бесконтактного контроля геометрических параметров полых цилиндров. Автометрия, №6, 1995.

24. Белоглазова В.А., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В., Чугуй Ю.В., Юношев С.П. Устройство бесконтактного контроля биений колес. Датчики и системы, 1999, № 4.

25. Stevenson W. The use of laser triangulation probes in coordinate measuring machine for part tolerance inspection and reverse engineering. SPIE Vol. 1821 p. 406-414 (November 1992).

26. Kirmani S.F., Haugen P.R., Kranz D.M. Profiling of multichip-module interconnects with a hibrid high speed triangulation range sensor. SPIE Vol. 1821 p. 357-364 (November 1992).

27. Van Amsten W.D., Asjes R.J., Van der Goor P.F.A., Merkelbach P. 2 and 3D laser scanners for fast dimensional measurements and inspection. SPIE Vol. 2088, p. 93-96, (October 1993).

28. Heckel W. Use of CCD cameras for digital image processing: Synchronization, precision and sources of errors. SPIE Vol. 2252, p. 125-132, (October 1993).

83

29. Hachem N.I., Gennert M.A., Wittels N. Machine vision detection of the high points on small, curved, shiny things. SPIE Vol. 2065, p. 24-33, (September 1993).

30. Klicker J., Klein-Gunnewigk P. Strategies and algorithms for DSP-based CCD illumination control for Light-Stripe Sensors. SPIE Vol 2065, p. 219-229, (September 1993).

31. Multireference fringe-pattern projection method for measuring the shape of an object with spatially isolated surfaces. Opt. Eng. 36(8) p. 2320-2324 (August 1997).

32. Costa Manuel F.M. Surface inspection by an optical triangulation method. Opt. Eng. 35 (9), p. 2743-2747, (September 1996).

33. Kanji Mashimo, Tetsuya Nakamura, Yoshihisa Tanimura Development of optical noncontact sensor for measurement of three-dimensional profiles using depolarized component of scattered light. Opt. Eng. 36(1) p. 227-234 (January 1997).

34. Ryu Y.K., Cho H.S. New optical sensing system for obtaining the three-dimensional shape of specular objects. Opt. Eng. 35(5) p. 1483-1495 (May 1996).

35. Schonfeld H., Haeusler G., Karbacher S. Reverse engineering using optical 3D sensors. SPIE Vol. 3313, p.l 15-126 (February 1998).

36. Sansoni G., Docchio F., Biancardi L., Minoni U. An adaptive, 3-D optical profilometer using liquid cristal light projector. SPIE Vol. 2065, p. 230-236 (September 1993).

37. Gruber M., Haeusler G. Simple, robust, and accurate phase-measuring triangulation. Optik 89/3 p. 118-122 (1992).

38. www.keyence.co.uk

39. www.mikro-epsilon.com

40. www.lasercomponents.de

41. www.acuityresearch.com

42. Galiulin R.M., Bakirov J.M., Bogdanov D.R., Shulupin O.O., Khamitov D.H., Khabibulin M.G., Pavlov A.F., Ryabov M.S., Yamaliev K.N Computer-aided laser-optoelectronic 'OPTEL' 3-D measurement systems of complex shaped object geometry. SPIE Vol 2713 p. 393-399 (1996).

43. Galiulin R.M., Bakirov J.M., Vorontsov A.V., Ponomarenko I.V. Fast laser systems for measuring of complex shaped objects. 6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL LASERS AND LASER APPLICATIONS '98, Vol. 3688, p. 447-452 (1999).

84

44. Ахметдинов P.M., Галиулин P.M. Устройство для измерения сложной поверхности. А.с. № 1529038 опубликовано 15.12.89, бюл. № 46, приоритет от 03.11.87.

45. Галиулин Рав.М., Галиулин Риш. М. Устройство для определения координат поверхности объекта. А.с. № 1769574 опубликовано 20.12.95, бюл. № 35, приоритет от 31.05.90.

46. Галиулин Рав.М., Галиулин Риш.М., Богданов Д.Р., Локтев С.И., Тагирова К.Ф., Абитов К.Ш. Устройство для контроля изделий. Патент № 2052771. Приоритет изобретения 04.07.91. Заявка 5024602/28, 20.01.96, бюл. №2.

47. Галиулин Рав.М., Галиулин Риш. М., Бакиров Ж.М., Куприянов С.Л., Нелидов А.К., Сафин А.Т. Устройство для идентификации снарядов огнестрельного оружия. Патент № 2120104, Приоритет изобретения 09.04.97. Заявка 97105478/02, 10.10.98, бюл. № 28.

48. Haeusler G., Herrmann J.M. The influence of specie on the accuracy of laser triangulation. Appl. Opt. (1988) p. 4631-4637.

49. Haeusler G. An unsertainty principle for coherent 3D-sensors. SPIE Vol. 1319 (1990) p. 352-353.

50. Dremel W., Haeusler G., Maul M. Triangulation with large dynamical range. SPIE 1986 (Canada), p. 182.

51. Haeusler G., Heckel W. Light sectioning with large depth and high resolution. Appl. Opt. 27 (1988) p. 5160.

52. Haeusler G., Herrmann J. Physical limits of 3D-sensing. SPIE Vol. 1822, p. 150158, 1992.

53. Dorsch R., Haeusler G., Herrmann J. Laser triangulation: Fundamental uncertainty of distance measurement. Appl. Opt. 33 (1994), p. 1306-1314.

54. Seitz, G., Tiziani, H.J., Resolution limits of active triangulation systems. Opt. Eng. 32/6, p. 1374-1383, 1993.

55. Chugui Y.V., Ladigin V.I., Pastushenko A.I., Plotnikov S.V., Yunoshev S.P. Experience of triangulation method using for industrial dimensional inspection. Laser Metrology 1999: Proc. of International Symposium, Brazil, October 1999.

56. Remo J.L. High-resolution optic displacement measurement using a dualphotodiode sensor. Opt. Eng. 36(8) p. 2279-2286 (August 1997).

57. Li Y., Young Т., Magerl J. Subpixel detection and estimation with a microprocessor-controled line scan camera. IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 15, No. 1, p. 105-112 (February 1988).

85

58. Paakkari J., Moring I. Method for evaluating the performance of range imaging devices. SPIE Vol. 1821, p. 350-356, (November 1992).

59. Hyun K., Chung W.Y., Gerhard L.A. Comparison of methods for 3-D laser calibration. SPIE Vol. 2065 p. 70-89 (September 1993).

60. Haeusler G., Herrmann J.M. Minimum shading for maximum accuracy in triangulation. Angewandte Optik, Annual Report 1992, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nurnberg.

61. Haeusler G., Harand В., Schonfeld H., Windbichler V. The distance uncertainty of different range sensors on machined surfaces. Lehrstuhl fur Optik, Annual Report 1995, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nurnberg.

1. Вертопрахов B.B. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений. Автометрия, №6, 1995, стр. 64 - 68.

63. Отчет о деятельности КТИ НП за 1999 год.

64. Голубев И.В., Плотников С.В. Повышение точности триангуляционных измерений с использованием структурированного освещения. Автометрия, 1999.

65. Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных системах. Автометрия, №6, 1995.

66. Краснов В. Н., Сахно С. П., Тымчик Г. С. Алгоритм поиска экстремальных значений видеосигнала ПЗС-приемников. Приборостроение. 1986. № 4.

67. Clarke Т.А., Cooper M.A.R., Fryer J.G. An estimator for the random error in subpixel target location and its use in the bundle adjustment. SPIE Vol. 2252, p. 161-168, (October 1993).

68. Maalen-Johansen I. On the precision of subpixel measurements in videometry. SPIE Vol. 2252, p. 169-178, (October 1993).

69. Haeusler G., Spellenberg В., Windbichler V. Problems and improvements in triangulation measurements of industrial surfaces. Angewandte Optik, Annual Report 1993, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nurnberg.

70. Kierkegaard P. Reflection properties of machined metal surfaces. Opt. Eng. 35(3) p. 845-857 (March 1996).

71. Shchegrov A.V., Maradudin A.A. Scattering of electromagnetic waves from a one-dimensional random metal surface with a localized defect. SPIE Vol. 3141, p. 2531, (July 1997).

86

72. Coulot С., Kohler-Hemmerlin S., Dumont C., Aluze D., Lamalle B. Lighting study for an optimal defects detection by artificial vision. SPIE Vol. 3029, p. 69-77, (February 1997).

1. Волков E.B., Плотников С.В. Исследование влияния ширины зондирующего пучка на погрешность измерений триангуляционных систем. Автометрия, №2, 1997.

74. Plotnikov S.V., Volkov E.V. Investigation of probing beam width influence on accuracy of triangulation system measurements. Труды международной конференции «Measurement-97».

75. Maatta К., Kostamovaara J. The effect of measurement spot size on the accuracy of laser radar devices in industrial metrology. SPIE Vol. 1821, p/ 332-342, (November 1992).

76. Битюцкий О.И., Вертопрахов В.В., Кривенков Б.Е., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В., Чугуй Ю.В., Юношев С.П. Применение оптико-электронных методов измерения для контроля геометрических параметров полых цилиндров. Труды международной конференции «Measurement-97».

77. Bityutski О.I., Chugui Yu.V., Krivenkov B.E., Ladigin V.I., Pastushenko A.I., Plotnikov S.V., Vertoprakhov V.V., Yunoshev S.P. Application of optoelectronic methods of measurement for inspection of geometrical parameters of hollow cylinders. Труды международной конференции «Electronic Imaging-98».

78. Hiromichi Onikura, Yoshiharu Kuwabara, Taizo Nakamura, Takao Sajima, Yoshiro Imaseki, Seiji Yamada Development of an Optical Hole-Diameter Measuring Instrument. Optical Analysis, Fundamental Experiment, Trial Manufacture and Performance Test vol. 61 N 2, 1995, 248-252.

79. Отчет о деятельности КТИ НП за 1994 год.

80. Кащеев К.П., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В. Лазерный цифровой измеритель биений, смещений и вибрации для гидроагрегатов электростанций. Труды международной конференции «РОИ-98».

81. Пастушенко А.И. Электронные средства контрольно-измерительных систем с распределенной обработкой информации. Датчики и системы, №4, 1999.

Г7РШС У

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе поставлен и решен ряд актуальных задач, связанных с разработкой и созданием высокоточных быстродействующих триангуляционных измерителей геометрических параметров промышленных изделий.