автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование системы технического зрения на ФПЗС для технологического контроля линейных размеров компонентов РЭА

УДК 623,.397.13 : 658.284

РГ6 од

- 5 ИЮН 1995

На правах рукописи.

Телешов Геннадий Владимирович

Разработка и исследование системы технического зрения на ФПЗС для технологического контроля линейных размеров компонентов РЭА

Специальность 05.12.13 Устройства радиотехники и средств связи

Автореферат диссертации на соискание ученой .степени кандидата технических наук

С.-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной академии а&рокосмического приборостроения

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лопухин Владимир Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Потапов Анатолий Иванович, Кандидат технич. наук, нач. отделения АО «Авангард» Суслов Геннадий Петрович

Ведущая организация АО «Планета-НМЗ» г. Новгород

Защита состоится _____1995 года в час. на

заседании диссертационного совета' Д.063.21.01 С.-Петербургской Государственй академии аэрокосмического приборостроения по адресу: 190000 С.-Петербург, ул. Большая морская 67.

С ' диссертацией можйо ознакомиться в библиотеке С.-Петербургской ■ Государственной - академии ё аэрокосмического / приборостроения.

Автореферат разослан ««6_>>______1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ларин В.П.

Актуальность работы. На современном уровне производства контроль изделий по их изображению составляет 50-80% от общего объема контролируемых операций, которые в основном выполняются человеком. В результате велики трудозатраты на их осуществление, снижается объективность и ценность контроля.

Повышение эффективности производства требует применения более современных и быстродействующих' методов контроля изделий по их изображению, при этом предпочтение отдается оптико-телевизионным методам контроля с помощью систем технического зрения (СТЗ).

Постоянное совершенствование СТЗ сопровождается внедрением средств вычислительной техники. Автоматические регистрирующие устройства на базе ЭВМ позволяют получить более точные результаты и являются более производительными.

Вопросам автоматизации технологического контроля и Методам оптического дефектоскопирования посвящены труды отечественных ученых В.В.Клюева, Е.П.Попова, В.А.Лопухина, Б.М.Сорочкина и других. Теоретические основы и практика применения СТЗ в робототехнике для визуального контроля изложены в работах А.Н.ПисареВского, А.Ф.Чернявского, Ю.Г.Якушенкова, В.М.Валькова. Практике применения телевизионной техники и устройств обработки изображений для СТЗ посвящены работы Л.И.Хромова, А.К.Цыцулина, А.Н.Куликова, А.Я.Рыфтина, А.В.Балягина, Д.К.Шелеста, В.И.Сырямкина, В.С.Титова и других ученых.

В настоящее время в области применения СТЗ для автоматизации контроля изделий по их изображению, несмотря на достигнутые значительные успехи, образовался некоторый застой. Однако, экономическая ситуация в отечественной промышленности ни в коей мере не тормозит внедрение и совершенствование подобных систем в промышленно развитых странах. Тем не менее, использование отечественных и импортных СТЗ часто не обеспечивает выполнейия комплекса требований, выдвигаемых при внедрении СТЗ в производство.

Задачи контроля устройств радиотехники и средств связи отличаются от традиционных задач обработки изображений тем, что классификация изделий на бездефектные и содержащие дефект дается нечетко, возможные размеры дефектных областей одного и того же изделия колеблются в широких пределах, не все операции контроля поддаются автоматизации. При применении методов дефектоскопирования необходим учет типа производства, времени

контроля, анализ внешних воздействий и степени точности систем контроля. Автоматизация контроля требует разработки новых систем на базе современных вычислительных средств и телевизионных датчиков.

Наиболее перспективными датчиками изображения для СТЗ являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС). Однако, данные о комплексной оценке точности систем с таким датчиком,- в том числе и импортных, при использовании его для оптико-телевизионного контроля на соответствие существующим стандартам и требованиям современного производства недостаточны.

Остается открытым вопрос о точности контроля геометрии объектов с помощью ФПЗС при нестабильных внешних' условиях и контроле динамических изображений, а также выборе оптимальных режимов работы датчика■ с целью получения максимальной достоверности получаемых результатов.

Таким образом, создание отечественных и применение импортных СТЗ остается актуальной потребностью производства. Существующие и вновь разрабатываемые методы оптико-телевизионного контроля с помощью СТЗ на базе ФПЗС требуют теоретического обобщения и анализа точностных характеристик при их использовании в различных производственных условиях. Проектирование измерительных систем . для технологических процессов требует дополнительной оценки условий измерения и разработки методов, компенсирующих погрешности, возникающие в. результате различных факторов производства.

Целью работы является комплексное исследование факторов производства, влияющих на достоверность контроля линейных размеров телевизионной СТЗ на ФПЗС, разработка методов, повышающих точность измерений, ■ создание методики нормирования метрологических характеристик систем на ФПЗС.

Защищаемые положения: 1) точность измерений линейных размеров, по формируемому ФПЗС изображению объекта, можно повысить, применив разностный метод определения .границы изображения, либо метод расфокусировки; 2) уменьшения погрешности и стабилизации контраста изображения в условиях изменения освещенности, движения, -или вибрации объекта контроля добиваются оптимизацией режима накопления ФПЗС; 3) применение двух синхронно работающих телекамер на ФПЗС позволяет организовать дефектоскопирование динамических объектов в реальном масштабе времени; 4) при оценке погрешности1 измерений линейных размеров с

доверительной вероятностью р>0,9 для получения более достоверных результатов целесообразно оценить форму закона распределения погрешности,соответствующего ей коэффициента К перехода от среднеквадратического отклонения к предельной погрешности, оптимальный объем выборки и центр распределения погрешности с помощью ЭВМ по методике приближенной машинной идентификации формы распределения погрешности; 5) нормирование метрологических характеристик измерительных систем телевизионного типа сдедует проводить по предложенной методике и' разработанному' программному обеспечению.

Научная новизна. В диссертационной работе приведен анализ и классификация оптико-телевизионных методов контроля изделий радиотехники с позиции применения СТЗ для измерения линейных размеров компонентов РЭА; выполнена оценка свойств СТЗ на ФПЗС, как информационно-измерительной системы; выявлены основные источники погрешностей при измерении линейных геометрических характеристик объектов в условиях производства и разработана методика их расчета для аналогичных систем обработки изображения; предложены и обоснованы методы повышения точности измерений линейных размеров стационарных и динамических объектов при изменении освещенности, скорости перемещения, характеристик вибрации объекта контроля.

Практическая ценность. Результаты работы легли в основу создания СТЗ-У2Д на двух, синхронно работающих телекамерах для контроля стационарных и динамических объектов с автоматической регулировкой чувствительности ФПЗС, позволяющей контролировать динамические объекты в реальном масштабе времени и адаптируемой к условиям освешенности в зоне контроля; предложена инженерная методика расчета ожидаемой погрешности для измерителей линейных размеров на ФПЗС при измерении статических и динамических объектов; разработан пакет прикладных программ для снятия характеристик телекамеры, необходимых для определения пригодности ее в качестве измерительного датчика и пакет программ, метрологической аттестации для оценки свойств СТЗ, как измерительной системы.

Реализация работы. Материалы диссертации использованы в научно-исследовательских работах при создании систем технического зрения СТЗ-1 (информационный листок о научно-техническом достижении № 86-0988), СТЗ-2 (№ 99-88) и НИР (№ 0910004431). Результаты работы в виде инженерных методик и СТЗ

использовались на предприятиях НПО "Комплекс" г. Новгород и НПО "Орион" г. Москва, АО "Планета-НМЗ" г. Новгород. Годовой экономический эффект от внедрения на НПО "Комплекс" составил 42 тыс. руб. в ценах 1990 Г- Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения СТЗ-У2Д на АО "Планета-НМЗ" составит около 1млн. 340 тыс. руб. в ценах 1994 г.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования, изложенные в диссертационной работе, основаны на использовании аппарата теории сигналов, теории обработки изображений, теории оптимизации, теории вероятности и математической статистики, математического программирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертацонной работы обсуждались на НТК "Проблемы адаптации промышленных роботов и РТК". (г.Минск, 1988); НТК "Теория и практика конструирования микропроцессорных систем технического зрения" (г.Москва, 1989); НТК "Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи" (г.С-Петербург, 1992); международной НТК "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (г.Курск, 1993).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, в том числе получено 6 авторских свидетельств на изобретения.

" , Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников и приложений, и содержит 170 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, новизна и практическая ценность диссертационной работы, формулируется цель работы.

В первом разделе приведены анализ и классификация оптико-телевизионных методов технологического контроля в производстве компонентов РЭА. Отмечается, что дефектоскопический контроль осуществляют в два этапа: в режиме анализа (обнаружения дефекта) и в режиме измерения-(количественное определение размеров дефекта) для проверки их соответствия критериям отбраковки.

Наиболее сложной является задача измерения, так как при измерениях телевизионными методами необходимо* знать точную связь между системами координат пространства входного сигнала ¡1

считывающей апертурой измерителя, подверженную ряду искажающих факторов, которые необходимо компенсировать, либо учитывать в процессе контроля.

В главе приведена комплексная оценка и систематизация вопросов, связанных с разработкой СТЗ- для технологического контроля. Отмечается, что применение ФПЗС открывает дополнительные возможности для создания высокоточных измерительных систем контроля геометрических характеристик объектов. Однако, оценка точности и метрологическое обеспечение таких систем ограничивается частичной поверкой, в ряде случаев не соответствующей требованиям существующих стандартов, предъявляемых к измерительным.системам.

Вопрос о компенсации влияющих величин и точности контроля, динамических объектов, выборе оптимальных режимов работы ФПЗС с целью получения максимальной точности измерений требует дополнительной проработки.

На основании проведенного анализа делается вывод о.том, что выпуск измерительных систем для оптико-телевизиннога контроля В промышленно развитых странах не сокращается, а использование импортных и отечественных систем в производства предполагает тенденцию к их увеличению. Применение распространейНЫХ сегодня СТЗ на базе одиночных или нескольких фотоэлементов, фотодиодных линеек и матриц, передающих вакуумных трубок будет Сочетаться с более совершенными системами на ФПЗС. Применение данных видеосенсоров требует теоретического обобщения накопленного опыта по их использованию для автоматизации измерений, проектирования более совершенных методов контроля и адаптации СТЗ к условиям измерения, разработки универсальной Методики по оценке точности таких систем.

Во втором размяла приведен анализ погрешностей измерения телекамерой на ФПЗС линейных размеров при стабильных условиях дефектоскопирования, получены выражения для определения составляющих погрешностей, разработаны методы повышения точности измерений. Делается вывод о Том, что в реальных условиях при использовании ФПЗС для измерения геометрических характеристик возникают погрешности, которые отличаются от искажений в других датчиках изображения.

Определены основные источники погрешностей и степень Их влияния на точность измерений линейных размеров. Отмечается, что искажения измерительной информации в СТЗ на ФПЗС зависят от

искажений, вносимых телекамерой, аналого-цифровым преобразователем, от метода выделения объекта в цифровом Изображении.

Погрешность измерения. можно представить совокупностью факторов ее определяющих

Ае"Атк* Аа1щ*Ав .

где 4е -погрешность измерения координаты; АгК -погрешность, вносимая телекамерой;

Дацп -погрешность, вносимая аналого-цифровым преобразователем (АЦП);

Дв -погрешность, вносимая методом выделения объекта; ♦ -закон суммирования составляющих погрешностей. При определении погрешности, вносимой телекамерой на ФПЗС, выделяют составляющие

^тк"^пр* Аш* Ам •

где Ацр -погрешность, вызванная проективными искажениями; Дш -погрешность, вызванная шумами датчика; Дф -погрешность из-за фазочастотных искажений видеосигнала; Ам -Погрешность из-за амплитудных искажений видеосигнала. Погрешность, вносимая АЦП представлена составляющими

Лацп"дин*Ад* Ак.

где Дин -инструментальная погрешность АЦП; Ад погрешность дискретизации; Ак -погрешность Квантования.

При определении погрешности метода выделения объекта Исходят из условий, что область перехода от фона к объекту описывается линейной функцией яркости. Границы объекта определяются серединой ?той области. В этом случае погрешность в определении порога бинаризации для шага квантования я составит ЛВ-0,5Г1,

■Для повышения точности считывания координат границ изображения предлагаются два метода.

Первый метод, когда точка отсчета выбирается на наиболее крутом участке фронта видеоимпульса. Значение уровня сравнения

РШ определяется из, условии минимизации влияния на •точностьизмерения искажений, вносимых шумами ФПЗС.

<5(-ь)=д0+дд0г+:-+-,

21 3!

где £5о -цифровой код амплитуды видеосигнала на элементе, принятом за начало отсчета;

t -момент времени, соответствующий элементу ФПЗС,. код видеосигнала с которого равен

А2£50, Л390 -определяются соотношениями

А2(30-Д<51-Д(30,

дсг,-«^-^. ДЧ^-Д!^,

I •

где (30, 5!, <3?, <33 -цифровые коды амплитуд видеосигналов в моменты времени 1;0, Ц, 13, соответствующие фронту видеоимпульса от измеряемого объекта.

Момент времени 1;ПОр соответствует элементу ФПЗС, значение кода видеосигнала с которого равно пороговому значению С^пор-Значение 1ПОр

получается, если взять вторую производную от выражения для £¡>("0 и приравнять ее нулю, и определяются выражением

Д2 Q0

ьпор:

A3Qo

Формула для определения координаты точки пересечения видеосигналом порогового уровня Qnop записывается в виде

( Q2-2Q!+Q0 ' ^

А- I N>1---1 aim ,

v Q3-3Q2+3Q1-Q0 J

где N -номер импульса разложения, соответствующий значению С2пор1 а^ -период располежения элементов на фоточувствительной поверхности ФПЗС;

Ш -масштабный коэффициент перехода из плоскости ФПЗС в плоскость исследуемого изображения.

Метод изменения координат Границ объекта с представлением участка фронта полиномом третьей степени позволяет повысить точность измерений до долей элемента. датчика ФПЗС, так как величина Л

В приведенной формуле определяет доЗпо элемента, на которую смещена граница относительно N+1 элемента. В случае изменения амплитуды видеосигнала за период одного кадра произойдет изменение значений отсчетов яркости £} и соответствующая этому значенйю корректировка уровня <3Пор- Данный метод позволяет компенсировать погрешность измерения из-за изменения освещенности и пространственной частоты объекта. Устройство, разработанное на основе этого метода, защищено авторским свидетельством (А. С. 1383417).

Второй метод заключается в определении границы по перепаду видеоимпульса и производится с помощью вычитания расфокусированного и нерасфокусированного изображений измеряемого объекта. Принцип работы основан на инвариантности местоположения границ до и после расфокусировки. Долю элемента ФПЗС, на которую- смещена граница исследуемого перепада относительно точки N. соответствующей целому числу элементов,, определяют по формуле

(^аО-с^!)

Д1э---.-,

где С^С^) -код яркости видеосигнала в расфокусированного изображения;

-код яркости видеосигнала в нерасфокусированного. изображения;

-код яркости видеосигнала в расфокусированного изображения;

£2а0ь2) -код яркости видеосигнала в нерасфокусированного изображения.

момент времени ^

момент времени ^

момент Времени Ьг

момент времени ^

Данное соотношение позволяет определить размер объекта с точностью до долей элемента ФПЗС. Точность измерение будет'выше, чем при использовании обычного порогового метода. Это связано с тем, что при изменении освещенности фона или пространственной частоты объекта происходит автоматическая корректировка положения точки пересечения видеоимпульсов расфокусированного и нерасфокусированного изображений (А. С. 1451744). •

Таким образом, при известных данных на датчик видеосигнала, телекамеру, аналого-цифравой преобразователь и методе выделения' объекта, приведенные в разделе формулы' позволяют расчитать ожидаемую погрешность измерений используемой или проектируемой СТЗ на ФПЗС. Разработанные методы повышения точности снижают влияние на результаты измерений таких дестабилизирующих факторов, как шумы матрицы, нестабильность питающих напряжений и освещенности, изменение пространственной частоты объект^ и позволяют снизить погрешность измерений.

В третьем разделе рассмотрены погрешности, возникающие при измерении с помощью ФПЗС линейных размеров при нестабильных условиях дефектоскопирования; проведен анализ влияния освещенности и температуры на точность телевизионных измерений; оценены погрешности, возникающие при измерении динамических объектов; предложены методы поддержания контраста изображения в условиях изменения освещенности; установлено, что наиболее подходящим способом- компенсации температурных искажений, особенно для высокоточных измерителей, является охлаждение ФПЗС; выведены формулы для определения составляющих погрешностей и предложены методы повышения точности * измерений объекта, перемещающегося в зоне контроля.

Отмечается, что дискретная структура ФПЗС и безинерционность считывания изображения позволяют использовать его для измерения геометрических характеристик движущихся объектов и приводят к необходимости учета влияния на точность измерения характеристик движения. Исследуются составляющие ошибок и суммарные ошибки определения линейных размеров динамических объектов по квантованному на два уровня видеосигналу.

При равномерном перемещении объекта параллельно направлению строчной развертки рост погрешности измерения при увеличении скорости перемещения определяется выражением

5и' 0,64и2ТнаЬд,

1.2

где и -скорость перемещения изображения но фоточувствительной поверхности датчика;

Тн -время накопления ФНЗС;

Ь -постоянная величина, определяемая из геометрических характеристик применяемого датчика изображения.

Если изображение перемещается под некоторым углом а к координатной сетке матрицы, то погрешность определяется как

5и1(х-0,64о2Тн2Ь2СОд2а ;

При радиальной подаче измеряемого объекта его изображение перемещается по радиусу с некоторой угловой скоростью со. Погрешность от такого перемещения определяется выражением

6ш=0,64со2Тн2Ъ2 .

Скорость смазывания при вибрациях изображения параллельно фоточувствительной поверхности датчика приводит к возникновению погрешности, определяемой следующими выражениями: -для несинфазного экспонирования

яТн

6вн-0,128Ь21вз1п 2-,

Тв

где Ьв -амплитуда вибрации; Тв -период вибрации; -для оптимальной фазы экспонирования

( ■ V ,

6Вф-=0,64И,в21 1-соб- I;

V тв ;

-для промежуточной фазы экспонирования

( 2яТн V 5ВП-0,64Ь2ЬВ2| Ьсов-I .

V тв ;

.13

Данные выражения справедливы 'для ТН<ТВ. Это необходимо учитывать при выборе Тн датчика с целью уменьшения погрешности', измерения. Считывание изображения выполняют в момент времени, соответствующий оптимальной фазе экспонирования, когда смаз имеет наименьшее значение.

Кроме сдвига объекта в горизонтальной плоскости возможны: случаи его смещения По вертикали, что вызывает расфокусировку видеосигнала. Погрешность измерения, вызванная сдвйгом объекта по : вертикали, рассчитывается по формуле

8Н-|ДН/Н-ДН|,

где Н -расстояние от предметной плоскости до плоскости объектива; •

ДН -величина.сдвига предметной плоскости вдоль оптической

оси.

Таким образом, рост погрешности измерения линейных размеров динамических; объектов телевизионной камерой на ФПЗС при увеличении скоростного смазывания изображения определяется по приведенным формулам. Для сохранения требуемой точности измерений следует оптимизировать параметры накопления и считывания ФПЗС в зависимости.от характеристик движения. Делается вывод о том, что сочетание автоматики с возможностямй ФПЗС позволяет повысить точность измерений в расширенном диапазоне изменения сюжета.

В четвертом разделе определена группа нормируемых метрологических характеристик и разработана методика метрологической аттестации телевизионных измерительных систем на ФПЗС. СТЗ с датчиком телевизионного типа отнесена к. кла$су отображающих информационно-измерительных систем, к подгруппе измерительных преобразователей.

Для определения . характеристик инструментальной составляющей погрешности экземпляра .СТЗ следует воспользоваться моделью 1 по ГОСТ 8.009-84

о о г лмГдоз * ло * Аон * £ ДС1 * А(1уп

где Дов -систематическая составляющая основной погрешности СТЗ;

Д0 -случайна^ составляющая основной погрешности СТЗ;

о

Д0н -случайная составляющая основной погрешности, обусловленная гистерезисом;

z

Е -объединение дополнительных погрешностей Aci, '

i-1-

обусловленных .действием влияющих величин;

Adyn -динамическая погрешность, обусловленная влиянием скорости изменения входного сигнала.

Утверждается, что при оценке погрешностей вероятностным методом необходимо установить вид аналитической модели закона распределения погрешности по предложенным критериям. Приведена методика индентификации формы закона распределения с помощью ЭВМ, в которой используются: коэффициент ассиметрии, характерезующий ассиметрию; эксцесс и контрэксцесс, определяющие протяженность распределения; энтропийный коэффициент, характерезующий неопределенность результата измерений; показатель степени экспоненциальности для случая 'экспоненциального распределения.

Отмечается, что по мере накопления данных о фактических распределениях погрешностей стало очевидным, что они разнообразны и часто далеки от нормального, хотя по критериям стандартов ГОСТ. 8.207-76, ГОСТ 8.508-84 могут быть отнесены к. нормальным. В случае анормальности результатов измерений стандарт требует указания или границ интервала, в котором погрешность находится с заданной вероятностью, или указания самой функции распределения, погрешности. При статистической обработке многократных отсчетов выделяют следующие . классы наиболее часто встречающихся распределений погрешности: трапецеидальные, эспоненциальные, уплощенные типа шапо, двумодальные, распределения Стьюдента. Зная вид распределения по приведенным в работе формулам с большей точностью определяют оптимальный объем выборки, координату центра ■ распределения, коэффициент К , учитывающий переход от среднеквадратического отклонения случайной составляющей погрешности к предельной погрешности для заданной вероятности Р.

„ Предложенная .методика позволяет провести процедуру нормирования метрологических характеристик СТЗ в соответствии с требованиями существующих стандартов и выполнить аттестацию на

.ЭВМ с достаточной для практики точностью для всех практически встречающихся распределений погрешности.

Пятый раздел посвящен описанию разработки СТЗ-У2Д с возможностью адаптации к внешним условиям с помощью предложенн.;:. методов повышения точности измерений. Отмечается, что разработка индивидуальной СТЗ для каждого конкретного приложения не всегда технически и экономически оправдана, поэтому целесообразна^ СТЗ со спектром функциональных возможностей разумной достаточности, позволяющую при смене области применения перенастраивать и перепрограммировать систему.

Разработанная СТЗ предназначена для телевизионного контроля с помощью ПЭВМ геометрических характеристик объектов; габаритных объектов, линейные размеры которых превышают рабочую зону одной телекамеры; деталей сложного профиля и объектов, равномерно перемещающихся в рабочей зоне.

СТЗ-У2Д, благодаря . примененным в ней: устройству автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала, устройству повышения точностй измерений методом расфокусировки, устройству адаптации датчика видеосигнала к скорости перемещения измеряемого объекта, позволяет осуществить адаптацию к условиям измерения.

Устройство автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала (А. С. 1275788) позволяет поддерживать видеосигнал в динамическом диапазоне АЦП при изменении освещенности и пространственной частоты объекта контроля.

Устройство повышения точности измерения методом расфокусировки обеспечивает повышение точности считывания координат границ контролируемого объекта до до;$й элемента датчика и защищает процесс измерения от влияния шумов ФПЗС, нестабильности питающих напряжений, изменений характера изображения.

Устройство адаптации датчика видеосигнала к скорости перемещения измеряемого объекта компенсирует скоростной смаз переходной характеристики контролируемого изображения и этим уменьшает погрешность измерения линейных размеров динамических объектов пороговым методом.

СТЗ-У2Д состоит из двух телевизионных камер КТ-10, блока управления камерами, устройства ввода изображения в ПЭВМ, видеокантрольного устройства и персональной ЭВМ 1ВМ АТ. Ее использование для кпнтроля линейных размерен различных

компонентов. ' РЭА подтверждает эффективность предложенных устройств и методов измерения, и предполагает практическое Ёнедрение системы.

Шестой раздел посвящен экспериментальному исследованию и метрологической аттестации СТЗ-У2Д. Приведено описание стенда контроля метрологических характеристик СТЗ, выполненного на базе оптического контрольно-юстировочного прибора для проецирования на фоточувствительную поверхность ФПЗС действительного изображения теста и равномерной подсветки с контролируемыми оптическими параметрами. Второй стенд для проведения серии экспериментов по определению точности контроля динамических объектов выполнен на базе координатного стола с программно управляемой геометрией и скоростью перемещения.

В результате экспериментальных исследований по оценке пригодности СТЗ-У2Д для измерения линейных размеров объектов получен перечень метрологических характеристик, обеспечивающих признание разработанной системы средством измерения и подтверждена эффективность предложенных методов повышения точности.

Разработано прикладное программное обеспечение СТЗ для ПЭВМ IBM AT для определения метрологических характеристик системы, i которое позволяет определить следующие характеристики: нелинейность АЦП, отношение сигнал-шум, свет-сигнальную характеристику, неровномерность чувствительности, число различных градаций яркости, частотно-контрастную характеристику, гистограмму распределения погрешности при определнии координат объекта, характеристики распределения погрешности, зависимости погрешности измерения от освещенности и скорости перемещения объекта, , а также . программы для определения эффктивности предложенных методов повышения точности измерений.

По результатам испытаний получены следующие основные характеристики СТЗ-У2Д:

- неравномерность чувсвительности канала изображения, не более 7,867%;

- число различных градаций яркости, не менее 31;

- погрешности определения координаты X, не более 0,45%;

- погрешности определения координаты Y, не более 0,15%; -

- погрешность измерения . длины отрезка по столбцам телевизионной развертки, не более 1,91%;

погрешность измерения длины отрезка по строкам телевизионной развертки, не более 1,99%;

'- диапазон изменения освещенности, при которой погрешность измерения не превышает 3% (без регулировки диафрагмы), не более 476лк;

- максимальная скорость перемещения объекта параллельно строкам, при которой погрешность измерения не превышает. 3%, не более ОД м/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

Приведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать законченный комплекс аппаратно-программных средств (СТЗ) для контроля и измерения линейных размеров широкой номенклатуры компонентов РЗА, адаптируемый к условиям производственного контроля и позволяющий перенастраивать и перепрограммировать систему при смене объекта контроля в соответствии с задачей измерения.

В результате* исследований получены следующие научно-технические результаты:

1) проведен анализ и классификация оптико-телевизионных методов технологического контроля с позиции применения СТЗ для измерения линейных размеров компонентов РЭА;

2) проведен анализ и предложена методика оценки погрешностей, возникающих при использовании СТЗ на ФПЗС в качестве измерителя линейных размеров объектов;

3) разработаны и аппаратно реализованы методы повышения точности измерения линейных размеров стационарных объектов с помощью СТЗ; °

4) предложена методика расчета ожидаемой погрешности измерения при контроле динамических объектов;

5) разработаны и аппаратно реализованы методы уменьшения погрешности измерения и стабилизации контраста изображения при изменении освещенности, пространственной частоты, перемещения или вибраций объекта;

6) разработана СТЗ-У2Д на базе предложенных методов повышения точности и проведено ее экспериментальное исследование;

7) разработана методика нормирования метрологических характеристик измерительных систем на ФПЗС и программное сбесгпрчение для их метрологических; аттестаций;

8) предложенные методы и разработанные в работе устройства автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала и повышения точности измерений использованы при создании СТЗ для контроля размеров корпусов микропереключателей, зазоров магнитных головок, керамических, изоляторов, панелей микросборок. Система СТЗ-У2Д применена при разработке автомата поверхностного монтажа элементов на печатные платы, где ее использование подтверждает эффективность предложенных устройств и методов измерения.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Телешов Г.В. Телевизионное устройство контроля линейных размеров деталей //Методы неразрушающего контроля в производстве Микроэлектронной аппаратуры и ее компонентов. Межвузовский сиорник научных трудов /Под ред. В.А. Лопухина. ЛИАП., СПб., 1991, С.

. 103-109.

2. Телешов Г.В. ' Оценка -погрешностей измерителей геометрических размеров на телевизионных датчиках ПЗС //Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи. Тез.конфер., С-Петербург, 1992, С. 105-106.

3. Телешов Г.В. Контроль динамических объектов телевизионной камерой //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1994, per. № Р/287-62.

4. Телешов Г.В. Погрешность измерений линейных размеров в системах обработки изображения на ФПЗС //Известия вузов. Приборостроение. Per. № 76-03.

5. Телешов Г.В. Телевизионное устройство контроля размеров динамических объектов //Известия вузов. Приборостроение. Per. № 7604.

'6. Телешов Г.В., Стаценко В.А, Васильев В.Н. и др. Система технического зрения СТЗ-2М //Микропроцессорные средства и системы. 1990, № 3,' С. 54-56.

7. Телешов Г.В., Васильев В.Н., Карпинский В.Б. и др. Система ввода изображения для контроля размеров объектов //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1993, Ns 3-4, С. 42.

8. Телешов Г.В., Стаценко В.А., Васильев В.Н. Система технического зрения СТЗ-2 //Информационный листок N° 99-88 /Центр НТИ. Новгород, 1988.

9. A.C. 151483 СССР, МКИ3 Н 01 L 21/66. Устройство дефектоскопического контроля планарных структур /Г.В. Телешов, В.А.Лопухин, Д.К. Шелест и др. Регистр 8. 06. 89.

10. A.C. 1684597 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00. Устройство дефектоскопического контроля пленарных структур /Г.р. Телешов, В.А. Лопухин, А.П. Комиссарик и др. Опубл. 15. 10. 91, бюл. Ni 38.

11. A.C. 1451744 СССР, МКИ3 G 06 , К 11/00. Устройство для' считывания информации /Г.В. Телешов, В.А. Стаценко, A.B. Балягин. Опубл. 15. 01. 89, бюл. №2. '

12. A.C. 1561216 СССР, МКИ3 Н 04 N 5/235. Устройство автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала /Г.В. Телешов, В.А. Стаценко, В.Н. Васильев. Опубл. 30. 04. 90, бюл. № 16.

13. A.C. 1383417 СССР," МКИ3 G 06 К 11/00. Устройство для считывания изображений /Г.В. Телешов, В.А. Стаценко, A.B. Валягин. Опубл. 23. 03. 88, бюл. № 11.

14. A.C. 1275788 СССР, МКИ3 Н 04 N 5/235, 5/16, 5/20. Устройство автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала /Г.В. Телешов, В.А. Стаценко, A.B. Балягин. Опубл. 7. 12. 86, бюл/Ns 45. ,

15. Телешов Г.В., Лопухин В.А., Лебедев Б.М. Размерный контроль динамических объектов с помощью СТЗ //Оптико-электронные приборы И устройства в "системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: тез. конфер., Курск, 1993,- С. 96.

16. Разработка теоретических основ построения И исследования автоматизированных систем обработки измерительной информации. Отчет по НИР/ЛИАП; руководитель В.А. Лопухин. НИР 53-87-2; № ГР 01910004431, Л.,'1993, 146 с. Отв. испол. Г.В. Телешов, Д.К. Шелест, Б.М. Лебедев и др.

17. Экспериментальные исследования систем отображения и регистрации измерительной информации на основе распознавания образов. Отчет по НИР/ЛИАП; руководитель В.А. Лопухин. № ГР 01880005018; инв. № Г 26088, Л., 1990, 206 с. Отв. испол. Г.В. Телешов, Д.К. Шелест, А.П. Комиссарик и др.

Г

Лицензия ЛР №020341 от 27.12.91г. Подписано к печати 24.05.95. Уч.-изд.л. 1,2. Усл.печ.л. 1,11, Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ )М(Н .

Отдел оперативной полиграфии СПбГААП 190000, Санкт-Петербург, ул.Б.Морская,б7