Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ

З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ

ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ

Харківський державний науково?дослідний

інститут метрології

Прийомко Олександр Олександрович

УДК 389:681.7.069.24

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Використання спекл-методу вимірювання просторової конфігурації для метрологічного забезпечення виробництва

Спеціальність 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України та в інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лахно Віктор Іванович

кафедра проектування радіоелектронних систем літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. Н.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Соловйов Валентин Сергійович, Харківський державний науково-дослідний інститут метрології, начальник головного метрологічного центру державної служби єдиного часу та еталонних частот;

доктор технічних наук, професор Колпаков Федір Федорович, кафедра прийому, передачі та обробки сигналів Національного аерокосмічного університету ім. Н.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки.

Захист відбудеться 12 вересня 2003 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 у Харківському державному науково-дослідному інституті метрології.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного науково-дослідного інституту метрології.

Автореферат розісланий “31 липня” 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Дем'янков І.Ф. кандидат технічних наук, доцент.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному машинобудуванні принципово важливе місце посідають вимірювання просторових параметрів об'єктів. Наприклад, у виробництві турбін для авіації, атомної енергетики, суднобудування, при виготовленні будь-якого роду валів, поршнів та інших подібних виробів. Існуючі методи і засоби вимірювання конфігурації за допомогою шаблонів і координатно-вимірювальних машин за наявної простоти відрізняються недоліками, пов'язаними з низькою швидкістю одержання інформації, контактністю, складністю просторового позиціонування, що практично виключає можливість їх використання в автоматизованих технологічних процесах.

Прилади, які працюють на інших принципах , наприклад, ємкісні, індукційні, оптичні дуже критичні до умов оточуючого середовища і є практично лабораторними. Переважна кількість приладів, які реалізують координатні вимірювання, дуже критична до розмірів шорсткостей вимірюваної поверхні. Через цю причину вимірювання конфігурації виробів відбувається вже після заключних стадій технологічного процесу їх виготовлення, тобто після шліфування та полірування. В багатьох випадках процеси остаточного шліфування та полірування не вносять змін до конфігурації поверхні об'єкта, наприклад, під час виготовлення крупно габаритних дзеркал для телескопів або при формуванні поверхні лопаток турбін. Однак ці операції займають за часом і за вартістю суттєву частину в технологічному процесі. Тому більш раннє виявлення бракованих виробів підвищить загальну ефективність їх виробництва. Через те виникла необхідність створення приладів, що дозволяють вимірювати складні конфігурації всіх без винятку виробів у цехових умовах. Час обробки вимірювальної інформації має бути таким, щоб вимірювачі могли вмикатися безпосередньо в технологічний процес у якості зворотнього зв'язку, створюючи цим замкнену систему виготовлення деталей. Для розв'язання цієї задачі особливий науковий і практичний інтерес викликає спекл-ефект, супроводжуючий взаємодію когерентного випромінювання з поверхнею об'єкта, і розробка приладів, які використовують його для вилучення вимірювальної інформації. У роботах Клименка І.С., Ангельського О.В., Джоунса Р., Уайкса К. та ін. Розглянуті варіанти використання спеклів для одержання інформації про конфігурацію для випадків спекл-інтерферометрії у різних варіаціях. Реалізація спекл-інтерферометрії для задач виробничих вимірювань сполучена з необхідністю подолання багатьох труднощів, що врешті-решт не призводить до досягнення бажаних результатів. Тому є доцільним знайти можливості вилучення інформації про конфігурацію безпосередньо зі спеклів. Експериментальні та теоретичні дослідження, результати яких наведені в дисертації, підтверджують реалізуємість такої можливості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних та практичних розробок, які проведені автором під час виконання: держбюджетної теми “Розробка лазерних інформаційних технологій для машинобудування” на кафедрі ПРСЛА Національного аерокосмічного університету “ХАІ” ім. М.Є Жуковського, номер державної реєстрації 0100U002197; робіт із Запорізьким об'єднанням “Мотор Сiч”, Полтавським турбомеханічним заводом, Харківським НВО “Турбоатом”.

Мета роботи: розробка та дослідження методу метрологічного забезпечення виробництва виробів, які мають складну просторову конфігурацію, з використанням оптичного спекл-ефекту.

Задачі, що витікають із поставленої мети:

1. Аналіз існуючих методів вилучення інформації про просторову конфігурацію та визначення місця спекл-методу, вибір напрямків досліджень.

2. Формулювання та вирішення основних задач теорії спекл-методу вимірювання просторової конфігурації, необхідних для створення нового методу вимірювання.

3. Розробка та реалізація прототипу вимірювача конфігурації на основі спекл-методу для експериментальних досліджень методу вимірювань, який створюється.

4. Теоретичний та експериментальний аналіз похибок спекл-методу вимірювання конфігурації.

Об'єкт дослідження - спекл-метод вимірювання просторової конфігурації.

Предмет дослідження - використання спекл-методу вимірювання просторової конфігурації для метрологічного забезпечення виробництва.

Методи дослідження. При розв'язанні задач вимірювання конфігурації використовувались методи дифракційної та геометричної оптики, аналітичної геометрії, теорії хаотичних та стохастичних коливань, математичної статистики.

Наукова новизна.

1. Вперше спекл-поле розглянуто як детермінована структура, що дозволило використати для його аналізу методи дифракційної та геометричної оптики. Такий підхід значно спростив обчислювальні алгоритми одержання вимірювальної інформації, та призвів до скорочення часу її обробки.

2. Вперше доказано, що в спекл-полі міститься інформація про конфігурацію поверхні об'єкта. Використання методів аналітичної геометрії дало можливість застосувати цю інформацію для одержання конфігурації у вигляді рівняння поверхні.

3. Розроблений метод дифракційного аналізу спекл-картини, який дозволяє проводити вимірювання конфігурації оптично грубих поверхонь, які не пройшли остаточних стадій шліфування та полірування у процесі їх виготовлення.

4. Розв'язана задача синтезу спекл-картин, результат якої дозволяє оптимізувати просторове розташування двомірних оптичних приймачів у приладах вимірювання конфігурації. Синтез спекл-картини показав, що для кожної структури шерехатостей поверхні існують квазирезонансні довжини хвиль когерентного випромінювання.

5. Вперше проведений теоретичний аналіз джерел похибок нового методу вимірювання для виробів з оптично грубою поверхнею, розроблені та реалізовані методи експериментального визначення цих похибок. Аналіз показав, що:

- при лінійній просторовій структурі шорсткостей поверхні абсолютна похибка методу може досягнути величини, рівної довжині випромінення, яке використовується;

- при стандартних методах обробки поверхні виробу машинобудування і за умов проведення вимірювань, відповідних цеху машинобудівничого підприємства, абсолютний похибка досягає 5-10 мкм.

Практична значимість

1. Розроблений та реалізований алгоритм поновлення рівнянь конфігурації, котрий дозволив одержати інформацію про всю поверхню та мінімізувати час вимірювання. Він може бути застосований для вимірювання конфігурації лопаток турбін, дзеркал

телескопів та інших виробів, до технологічного процесу виготовлення яких входять шліфування та полірування.

2. Розроблено програмне забезпечення вимірювання конфігурації. Воно дозволяє при використанні спеціалізованих матриць ПЗС (80 Mpix і більше), двох комп'ютерів з конфігурацією: процесор - Pentium 4 Northwood с 512 kBytes кеш-пам'яті, пам'ять - 512 Mbytes DDR SDRAM, відеокарта - GeForce 4 с 64 Mbytes відеопам'яті, контролер інтерфейсу IEEE-1394, проводить вимірювання з відносною похибкою 0,1-1% за час, необхідний для тотальної діагностики конфігурації поверхні виробів у процесі їх виготовлення.

3. Реалізована низка приладів вимірювання конфігурації виробів зі складною формою на основі спекл-методу, котрі використовувались для вимірювання об'єктів з максимальним розміром 180 мм з абсолютної похибкою 40 мкм у виробничих умовах.

4. Розроблена методика оцінки похибок, котра може бути застосована для аналізу подібних виробів.

5. Розроблені практичні рекомендації для створення систем метрологічного забезпечення виготовлення виробів складної форми у виробничих умовах.

6. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Національному аерокосмічному університеті “ХАІ” під час проведення лекцій та лабораторних робіт.

Основні положення, котрі виносяться на захист:

1. Спекл-поле являє собою детерміновану структуру

2. У спекл-полі міститься інформація про конфігурацію поверхні об'єкта.

3. Метод дифракційного аналізу спекл-картини дозволяє проводити вимірювання конфігурації оптично грубих поверхонь.

4. Синтез спекл-картини оптимізує вимірювання конфігурації.

5. Прилади, які реалізують спекл-метод, дозволяють розв'язувати задачі вимірювання конфігурації у виробничих умовах.

Особистий внесок. У друкованих роботах, виданих у співавторстві, автору належить: [6] - задача вимірювання конфігурації спекл-методом, сформульована як зворотня, й наведено два варіанти її розв'язання, [12] - розглянуті основні характеристики спекл-методу, в монографії [14] автор взяв участь у написанні другої частини, в якій він розглянув спекл-метод вимірювання конфігурациії при фізичному моделюванні посадки літака.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались у період 1994 - 2002 рр. на таких конференціях:

1. Третя міжнародна конференція “Нові технології в машинобудуванні”, Харків-Рибаче, 1994 р.

2. На Х и Х міжнародних конференціях “Застосування лазерів у медицині та біології”, Харків, ХДУ, 1998, 1999 рр.;

3. Міжнародній конференції “Актуальні проблеми вимірювальної техніки” Київ, НТУУ “КПІ”, 1998 р.

4. Lachno V.I.,Prijemko A.A.,Eksperiandova I.A. Deformation control and measurement with help of laser speckles //Euromech Society Conference “Euromech image processing methods in applied mechanics”, Warsaw, Poland, 1999.

5. Науковій конференції “Інформаційні технології військово-повітряних сил України”, Харків, Інститут льотчиків ВПС України, 2001р.

6. Priyomko A.A., Experiandova I.A. Measurement of the configuration of rough surfaces by means of an optical speckle-effect // SPIE Conference “Optical System Contamination: Effects, Measurement and Control”, Washington, Seattle, 2002. щорічних конференціях ХАІ, по підбиттю підсумків науково-дослідницьких робіт, конференціях Харківського військового університету в 1998, 1999 роках, Міжнародному молодіжному форуми “Радіоелектроніка та молодь у ХХI столітті”, Харків, ХГТУРЕ, 1999р., науково-технічних семінарах організацій, котрі використовували результати досліджень.

Впровадження. Результати дисертаційної роботи використовуються в ИРЕ НАН України у створенні лазерних вимірювальних і технологічних систем.

Публікації. За темою дисертації видано 7 статей, основні результати представлені в тезах 6 конференцій, частина материалів дисертації використовувалася в одній монографії.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох частин, висновків, додатків і містить 150 сторінки друкованого тексту, 35 малюнків, 8 таблиць, список використаних літературних джерел із 78 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи, показано наукову новизну та практичну значимість роботи.

У першому розділі представлений аналіз сучасного стану проблеми вимірювання складних конфігурацій просторових об'єктів. Особливої уваги надається оптичним методам. Обґрунтована перспективність використання для розв'язання поставлених задач спекл-эффекту. Проведена класифікація існуючих мотодів вимірювання. Показано, що спекл-метод являє собою один із безконтактних методів координатних вимірювань.

Для спекл-методу, на відміну від інших, принциповим є не величина шерехатості, а її просторова структура. Розглянуті варіанти реєстрації спекл-поля фотоприймача. Напрямки дослідження спекл-ефекту для вимірювання конфігурації засновувалися на використанні методів дифракційної та геометричної оптики, аналітичної геометрії, теорії хаотичних і стохастичних коливань. Сформульовані задачі, які розв'язуються в дисертації.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці методів дифракційного аналізу та синтезу спекл-картин, теоретичним питанням поновлення рівняння конфігурації з використанням координат точок освітлення і параметрів дотичних плоскостей, методам контролю конфігурації.

Розробка пристроїв вимірювання конфігурації вимагає вирішення протиріччя між розмірами приймача та розмірами спекл-картин.

Конфігурація об'єкта визначається рівнянням поверхні. Наприклад, поверхня першого порядку (площина) описується рівнянням:

,

поверхня другого порядку:

Рівняння конфігурації одержується в результаті розв'язання системи із дев'яти рівнянь або обчислення визначника матриці.

Використання променя, діаметр котрого сумірний з розмірами об'єкта, викликає труднощі, пов'язані із відносно малою чутливістю двомірних фотоприймачів. З цієї причини у вимірювальному пристрої промінь лазера має діаметр набагато менший розмірів об'єкта. У блоці обробки вимірювальної інформації із спекл-картин вилучаються дані про координати точок освітлення та розміщення нормалі до поверхні у цих точках. Для здійснення вимірювання конфігурації необхідно фіксувати декілька спекл-картин. Їх кількість визначається апріорним завданням порядку вимірюваної поверхні.

У багатьох практичних випадках вимірювання конфігурації виробу передбачає вимірювання параметрів його перетинів. Наприклад, для авіаційних лопаток параметри перетинів визначаються ГОСТом 23537-79 “Лопатки авиационных осевых компрессоров и турбин”.

Використання параметрів нормалі до поверхні в точці освітлення або розташування дотичної площини до поверхні у цій точці дозволяє скоротити кількість необхідних точок, які однозначно визначають поверхню, але при цьому ускладнюються обчислювальні алгоритми. Первинною вимірювальною інформацією при вимірюванні конфігурації є координати точок падіння променя лазера на поверхню і параметри дотичної площини до цієї поверхні у точці освітлення. Ці параметри одержують в результаті дифракційного аналізу.

Дифракційний аналіз являє собою метод обробки спекл-картини з використанням законів дифракційної, геометричної оптики і методів лінійної алгебри та аналітичної геометрії в результаті котрого обчислюються координати точок падіння променя на поверхню і параметри дотичної площини.

Для розв'язання задачі одержання первинної вимірювальної інформації необхідно сформувати вимірювальний спекл-сигнал з оптимальними характеристиками для заданих умов вимірювання. До цих умов належать геометричні параметри оптичної системи, яка використовується, параметри дифракційної структури поверхні, характеристики фотоприймача, який використовується, умови оточуючого середовища і таке інше. Зазвичай, частину цих умов задано та змінення їх неможливе. Інші умови узгоджуються з вимірювальним процесом або формуються.

Для формування оптимального вимірювального спекл-сигналу необхідно розв'язати задачу його синтезу із заданими початковими даними. У зв'язку із складністю процесу взаємодії випромінювання з поверхнею повністю ця електродинамічна задача не розв'язана. Тому синтез вимірювального спекл-сигналу передбачає не тільки математичне, але й експериментальне моделювання. Реальна поверхня являє собою сполучання декількох дифракційних решіток. Кількість спекл-асоціацій у спекл-картині відповідає кількості решіток. Експерименти з лопатками довели, що число дифракційних решіток у межах променя не перевищують трьох-чотирьох. За звичай, спекл-асоціація від однієї з них домінує над іншими. Вимірювальними параметрами є координати спеклів у цій спекл-асоціації.

Спрямовуючі косинуси дифракційних порядків, одержаних під час взаємодії променя лазера з поверхнею, мають вигляд:

,

де - довжина хвилі випромінення, що використовується

n - номер порядку;

d -період дифракційної структури поверхні;

, - кути падіння променя на поверхню відносно нормалі;

_n, _n, _n - кути дифракції n-го порядку відносно нормалі.

Система координат, в якій вимірюється конфігурація, утворюється площиною екрана та перпендикуляром до нього. Для обробки спекл-картини необхідно знайти координати спрямовуючих векторів дифракційних порядків у цій системі координат. розв'язання цієї задачі передбачає визначення матриці переходу від системи координат, пов'язаної з поверхнею до вимірювальної системи координат.

Для перетворення координат спрямовуючих векторів дифракційних порядків була введена косокутна система координат, утворена екраном та променем лазера. Спочатку координати перетворювались із системи координат, пов'язаної з решіткою в систему координат, пов'язану з променем, а далі з цієї системи координат в систему координат, утворену екраном. Такий двоступінчатий підхід дозволив значно скоротити час обчислення координат точок освітлення та координат спрямовуючого вектора нормалі до поверхні.

Для запису матриці переходу Т_ло із косокутної системи координат, утвореної променем та екраном в прямокутну систему, утворену екраном та перпендикуляром до нього, знайдені спрямовуючі косинуси кутів _x,_y,_z осей косокутної системи в прямокутній системі. З урахуванням цих даних матриця Т_ло має вигляд:

.

Наступним етапом є обчислення матриці переходу Т_рл із системи координат решітки в систему координат променя.

u_i,j -спрямовуючі косинуси кутів осей системи координат решітки відносно системи координат, утвореної екраном та променем.

Для того щоб знайти координати спрямовуючих векторів дифракційних порядків у системі координат, утвореною площиною екрана та перпендикуляром до неї потрібно розв'язати таке рівняння

де Х(u_x,u_y,u_z) - шуканий спрямовуючий вектор;

Х_р(u_xp,u_yp,u_zp) - спрямовуючий вектор дифракційних порядків у системі координат решітки.

Поверхня реальних об'єктів може мати різноманітний характер шерехатості. Шерехатість, за звичай, утворюється в результаті зовнішнього механічного (або іншого) впливу на об'єкт, наприклад, поліровки. Для побудування повної математичної та фізичної моделі реальної шерехатої поверхні необхідно знати кількість решіток, здатних адекватно апроксимувати дану згідно з теорією стохастичних та хаотичних коливань, можна стверджувати, що всі реальні шерехаті поверхні не є абсолютно випадковими у смислі теорії ймовірностей. Їх можна інтерпретувати як динамічні системи, які описуються більшою, але кінцевою кількістю рівнянь. Отже, поля, що породжуються цими об'єктами, теж не абсолютно випадкові, а містять у собі інформацію про ту ступінь упорядкування, котра характеризує об'єкт.

Статистичне спекл-поле, яке одержується при нерухомих відносно один одного об'єкта, лазера та приймача, являє собою динамічну систему, якщо припустити, що воно розвивається у просторі. Еволюція такої системи записується системою звичайних диференційних рівнянь:

де величини х₁, х₂,….,х_n розглядаються як координати точки в -мірному просторі. Вони описують переріз спекл-поля у площині перпендикулярної прямої к у точці 1.

Таке подання дозволяє використати в якості характеристики спекл-поля кореляційну розмірність його просторового хаосу. Цей параметр визначається кількістю несумірних просторово-частотных компонентів випромінення, які взяли участь у формуванні спекл-поля. Для оцінки кореляційної розмірності в оптичному полі використана процедура Паккарда-Такенса, яка дає можливість обмежитися оглядом просторового розподілу тільки однієї координати фазового простору інтенсивності у спекл-поле. Кореляційна розмірність просторового хаосу спекл-поля, одержаного в результаті дифракції випромінення на полірованій поверхні, лінійно залежать від числа дифракційних решіток сполучанням яких апроксимується дана поверхня.

Розрахунок оптимальних параметрів пристрою контролю конфігурації заснований на апріорному знанні просторових параметрів вимірювального спекл-сигналу. Для цього необхідно синтезувати просторове спекл-поле та спекл-картини.

Шерехатість поверхні апроксимується сполучанням трьох дифракційних решіток. Вертикальна пунктирна лінія відповідає лінії перетину дотичної площини з площиною екрана. Ті спекли, котрі розміщені праворуч від цієї лінії в реальній спекл-картині, відсутні.

Завданням контролю конфігурації поверхні є порівняння одержаної конфігурації та тестової конфігурації. Наприклад, згідно з ГОСТу 23537-79, контроль лопаток авіаційних компресорів і турбін в цілому заснований на вимірюванні параметрів перетинів. Необхідні перетини виходять в результаті схрещення виміряної поверхні та площин на заданих рівнях. Всі інші параметри, які характеризують об'єкт, також обчислюються на основі рівняння конфігурації поверхні. Недоліком такого методу контролю є велика втрата інформації, пов'язаної із дискретністю вибору розміщення перетинів. Поновлення рівнянь конфігурації всієї поверхні дозволяє провести контроль на підставі ортогональних інваріантів .

В третьому розділі спекл-метод вимірювання конфігурацій досліджений експериментально. Перевірені розрахункові співвідношення, що одержані в другому розділі. Вимірювання конфігурації поверхні простих тестових об'єктів, таких як площина, циліндр, конус, підтвердили правильність розробленого алгоритму вимірювання. Шорсткість поверхонь тестових об'єктів являла собою структуру, одержану після обробки на токарному верстаті. На основі одержаного рівняння поверхні циліндра його радіус був вимірений з відносною похибкою 2%, на основі рівняння конуса кут біля вершини був виміряний з похибкою 5,4%. Наведені результаты вимірювань лопатки турбіни. Перевірка результатів проводилась на основі координат контрольних точок на перетинах и форми самих перетинів, згідно з технічною документацією на цю лопатку. Поновлені рівняння поверхонь лопатки. Відносна похибка вимірювань координат контрольних точок, одержаних на основі цих рівнянь, склала 3,6%.

Експеримент щодо вимірювання конфігурації складних просторових поверхонь проводився з лопаткою 25-ої сходини турбіни ВПТ-50-2, виготовленої на Полтавському турбомеханічному заводі. Поновлення рівнянь поверхонь ґрунтувались на вимірюванні координат дев'яти точок освітлення для кожної з поверхонь. Координати цих точок були одержані за допомогою дифракційного аналізу спекл-картин. У результаті одержані такі рівняння поверхонь:

рівняння спинки

рівняння корита

Згідно з інваріантами, поверхні, одержані за даними документації, відповідають поверхням, поновленими за даними експериментальних вимірювань. У межах лінійних розмірів лопатки її поверхні є дійсними еліптичними циліндрами.

Відповідно до технічної документації рівні контрольних перетинів відраховуються від кореневого перетину (площина єднання пера лопатки та замка). Площини, в котрих лежать контрольні перетини, паралельні між собою.

В четвертому розділі проведено аналіз точності спекл-методу вимірювання конфігурації. Оцінені впливи параметрів лазерного випромінювання та оточуючого середовища на точність вимірювання конфігурації. Сформульовані вимоги до вимірювальної системи і показані її потенційні можливості.

Розрахунок похибок вимірювання координат точки освітлювання та спрямовуючих косинусів нормалі до поверхні у цій точці проведений для випадку, коли спекл-асоціація на екрані є колом. При цьому координати точки освітлювання обчислюються в системі координат, пов'язаної з ділянкою освітленої поверхні.

У випадку, який розглядається, координати точки освітлення визначаються відстанню L між початками систем координат XYZ и X_pY_pZ_p. Одержані рівняння вимірювального перетворення

Граничні абсолютні похибки вимірювання L и Q визначаються такими рівняннями:

де y, z, d, - похибки вимірювання вхідних параметрів.

Абсолютна похибка вимірювання координат точки освітлювання залежить від періоду дифракційної структури і довжини хвилі випромінювання, яке використовується.

Розрахунки показують, що при певних значеннях довжини хвилі, періоду дифракційної структури та номера дифракційного максимуму похибка вимірювання координат точки освітлювання різко підвищується.

Далі в четвертій частині розраховані похибки вимірювання координат спеклів за допомогою матриці ПЗЗ (пристрій із зарядовим зв'язком).

Прийнявши за початок координат геометричний центр апертури приймача, одержані такі вирази для визначення координат спекла (X₀Y₀) відносно геометричного центру матриці.

де l - відстань між елементами матриці, рівна лінійному розміру елемента при коефіцієнті заповнення, який дорівнює одиниці;

A_i,j - значення енергії на елементі з координатами;

i - номер рядка елементів ПЗЗ;

j - номер стовпця елементів ПЗЗ.

Основною похибкою при вимірюванні координат спеклів є внутріелементна похибка (сума статичної похибки та похибки визначення заряду). Внутріелементна похибка повністю залежить від типу ПЗЗ, який використовується. Її можна знизити, зменшивши розміри чуттєвих елементів, підвищивши геометричну точність їх розміщення, а також покращивши електричні параметри ПЗЗ.

Оцінка впливу характеристик лазерного променя на точність вимірювання показала, що основними параметрами, які впливають на точність, є розходження та розподіл потужності у промені.

Параметрами довкілля, котрі вносять значну похибку у вимірювання, являють собою запилення та вібрації.

Наприкінці четвертої глави подані практичні рекомендації для створення систем метрологічного забезпечення виготовлення виробів складної форми у виробничих умовах.

У висновках дисертаційної роботи зроблені основні висновки за результатами проведених досліджень.

В додатках представлено програмове забезпечення, яке використовувалось під час вимірювання конфігурації поверхонь тестових об'єктів і лопатки турбіни.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Дисертаційна робота показала, що використання спекл-методу у створенні приладів координатних вимірювань дозволяє реалізовувати додаткові можливості метрологічного забезпечення виробництва. Під час виконання дисертаційної роботи були одержані такі результати:

1. Визначене місце спекл-методу вимірювання конфігурації в ієрархії аналогічних. Спекл-метод являє собою один із безконтактних методів координатних вимірювань. Він дозволяє вимірювати конфігурацію шерехатих поверхонь. Для спекл-методу, на відміну від інших, принциповим є не величина шерехатості, а її просторова структура.

2. Доведено, що спекл-поле, утворене від поверхні, підлеглої механічній обробці, являє собою детерміновану структуру.

3. В результаті розв'язання задачі дифракційного аналізу спекл-картини розроблений метод, котрий дозволив вимірювати конфігурацію оптично грубих поверхонь, які не пройшли остаточні стадії шліфування та полірування. Мінімальная абсолютна похибка вимірювань на лабораторному варіанті вимірювача склала 25 мкм. Розрахунки показали, що при використанні спеціалізованих фотоприймачів, поєднаних з ЕОМ, вимірювання можна проводити з відносною похибкою 0,1-1%.

4. Показано, що розв'язання задачі синтезу спекл-картин оптимізує просторове розміщення двомірних оптичних приймачів у приладах вимірювання конфігурації.

5. Розв'язана задача одержання рівнянь конфігурації, що дало можливість використовувати для реалізації контролю ортогональні інваріанти поверхні. Такий подхід дозволив значно знизити вимоги до точності позиціонування виробу у вимірювальному приладі.

6. Створені прототипи засобів вимірювання конфігурації на основі спекл-методу, для вимірювання виробів розміром до 180 мм з абсолютною похибкою 40 мкм, які мають кривизну другого порядку. Розроблені рекомендації для створення систем, які дозволяють проводити вимірювання у виробничих умовах.

7. Вперше проведено аналіз похибок спекл-методу вимірювання конфігурації. Розрахунки показують, що похибка вимірювання залежить відсукупності та співвідношень таких величин: довжини хвилі, лінійності та періоду просторової структури шерехатості, номерів дифракційних максимумів.

7.1 При лінійній просторовій структурі шерехатості абсолютна похибка методу може не перевищувати величини, рівній довжині хвилі випромінення, яке використовується. При стандартних методах обробки поверхні виробів машинобудування та цехових умовах проведення вимірів абсолютна похибка досягає 5-10 мкм (при =0,6328 мкм).

7.2 Аналіз похибок показав, що потенційна похибка вимірювання координат точок освітлення та спрямовуючих кутів нормалі до поверхні в цих точках складає 0,6-0,8%. Оптимальним підбором довжини хвилі дифракційних максимумів, які використовуються, можна знизити цю похибку до 0,1-0,2%, що

при проведенні експериментальних вимірювань дозволило досягти абсолютної похибки 10-15 мкм.

8. Оцінка впливу характеристик лазерного промені на точність вимірювання показала, що основними параметрами, які впливають на точность, є розходження та розподіл потужності в промені. На основі одержаних функцій впливу розроблені алгоритми, який дозволяє враховувати ці параметри при вимірюваннях.

9. Вплив зовнішніх умов враховувався шляхом аналізу впливу запилення і вібрацій на вимірювання конфігурації. В дисертації розглянуті два методи мінімізації впливу вібрацій:

- представлений математичний алгоритм обробки вимірювального сигналу, в котрому відхиляє періодичні вібрації;

розроблений метод усунення впливу вібрацій на основі динамічних властивостей спеклів.

10. Експериментальні вимірювання та теоретичний аналіз виявили такі основні похибки, які виникають при вимірюваннях конфігурації:

- Методична похибка виникає при вимірюваннях конфігурації поверхонь третього и вище порядку кривизни за рахунок обмеження математичних залежностей рівняннями кривизни тільки до другого порядку. Ця похибка виникає також через використання плескатих екранів для одержання спекл-картини та спрощення апроксимації розподілу інтенсивності випромінювання в окремому спеклі.

- Інструментальна похибка виникає за рахунок нерівномірного розміщення елементів матриці ПЗЗ і залежністю її електричних параметрів від от температури. В результаті абсолютна похибка вимірювання координат спеклів на екрані обмежується 0,6-0,8 мкм.

- Додаткова похибка виникає внаслідок відхилення температури, вібрацій, запилення за границі нормального діапазону значень.

11. Принциповим обмеженням за використання спекл-методу вимірювання конфігурації є випадок, коли довжина хвилі випромінення, яке використовується, більше за розміри шерехатостей поверхні, що усуває умови одержання спекл-ефекту.

12. За рахунок використання спекл-ефекту та розроблених спеціалізованих алгоритмів програмового забезпечення вартість вимірювальної системи передбачається в 2-3 рази менше в порівнянні з аналогічними зарубіжними зразками. На основі існуючої елементної бази термін впровадження результатів дисертаційної роботи у виробництво може скласти 1-1,5 роки.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНІ В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Приёмко А.А. Алгоритмизация обратных задач спекл-метрологии при измерениях конфигурации //Сб. научн. Трудов ХАИ “Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии”. - 1998. - С.306-309.

2. Приёмко А.А. Программное обеспечение измерительно-вычислительного эксперимента в спекл-метрологии //Сб. научн. Трудов ХАИ “Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии”. - 1998. - С.207-208.

3. Приёмко А.А. Погрешности численных методов в спекл-измерениях //Сб. научн. Трудов ХАИ “Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии”. - 1998. - С.410 - 413.

4. Приёмко А.А. Пространственные параметры спекл-поля в восстановлении конфигурации // Технология приборостроения - 2001 - N1-2 - с.56-60.

5. Приёмко А.А. Контроль конфигурации глиссады // Авиационно-космическая техника и технология. Сб. научн. Трудов ХГАКУ “ХАИ”. - 2001. - вып.22. -С. 312-318.

6. Лахно В.И., Приёмко А.А. Спекл-метод измерения конфигурации промышленных изделий // Сб. научн. Трудов ХГТУРЭ. - 1999. - ч.1. - С.105-108.

7. Приёмко А.А. Дифракционный анализ спекл-картины при восстановлении конфигурации //Материалы Восьмой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”, Харьков-Рыбачье. - 1999. - С. 65-68.

8. Приёмко А.А. Спекл-метод восстановления конфигурации цилиндрической поверхности //Материалы научно-технической конференции “Радиотехнические системы летательных аппаратов”, Харьков, ХГАКУ “ХАИ”. - 1999. - С.26-31.

9. Лахно В.И., Приёмко А.А., Экспериандова И.А. Лазерные спекл-ассоциации в новых информационных технологиях //Материалы международной конференции

“Актуальные проблемы измерительной техники”.- Киев, 1998. - С.114-120.

10. Лахно В.И., Приёмко А.А., Экспериандова И.А. Лазерные спекл-ассоциаци в биомедицинской диагностике // Десятая международная научно-практическая конференция “Применение лазеров в медицине и биологии”. - Харьков, 1998. - С.144-145.

11. Зворский В.И., Костюк Г.И., Лахно В.И., Приёмко А.А. Лазерные информационные технологии в машиностроении //Материалы Третьей международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. - Харьков-Рыбачье, 1994. - С.230-237.

12. Зворский В.И., Лахно В.И., Приёмко А.А. Системные аспекты реализации лазерных измерителей //Труды Харьковского авиационного института. - Харьков, 1997. - С.294-299.

13. Лахно В.И., Приёмко А.А., Экспериандова И.А. Восприятие и обработка информации в лазерных сенсорах с программируемой ассоциативностью // Материалы конференции ХВУ. - 1997. - С.31-36.

14. Скалько Я.И., Дукин Г.Ю., Лахно В.И., Медведев В.К., Приёмко А.А., Степаненко А.И., Тимочко А.И. Компютерно-физическое моделирование в авиации. / Под ред. проф. Лахно В.И. - Харьков: Септима, 2001, 224 с.

АНОТАЦІЯ

Прийомко О.О. Використання спекл-методу вимірювання просторової конфігурації для метрологічного забезпечення виробництва.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук із спеціальності 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення.

Харківський державний науково-дослідний інститут метрології. Харків, 2003 рік.

Дисертація присвячена питанням розробки та дослідження методу метрологічного забезпечення виробництва виробів, які мають складну просторову конфігурацію, з використанням оптичного спекл-ефекту. В роботі проведений порівняльний аналіз сучасних методів і засобів вимірювання конфігурації. Представлено теоретичне та експериментальне обґрунтування розробленого спекл-методу. Первинною вимірювальною інформацією при вимірюванні конфігурації є координати точок падіння променя лазера на поверхню і параметри дотичної площини до цієї поверхні у точці освітлення. Для одержання цієї інформації розроблений метод дифракційного аналізу спекл-картини, котрий використовує закони дифракційної, геометричної оптики і методи лінійної алгебри та аналітичної геометрії. Розроблені пристрої вимірювання конфігурації. Наведені результати експериментальних вимірювань. Доведена ефективність використання спекл-методу у пристроях вимірювання, працюючих у виробничих умовах. Проведений аналіз похибок спекл-методу. Оцінені результати впливу оточуючого середовища на точність вимірювання конфігурації.

Ключові слова: когерентне оптичне випромінювання, спекл, просторова конфігурація, матричні фотоприймачі.

АННОТАЦИЯ

Приёмко А.А. Использование спекл-метода измерения пространственной конфигурации для метрологического обеспечения производства.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение.

Харьковский государственный научно-исследовательский институт метрологии.

Харьков, 2003 год.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования метода метрологического обеспечения производства изделий, имеющих сложную пространственную конфигурацию, с использованием оптического спекл-эффекта. В работе проведен сравнительный анализ современных методов и средств измерения конфигурации. Представлено теоретическое и экспериментальное обоснование разработанного спекл-метода. Классическое представление спеклов, как случайных образований предполагает использование точечного приёмника. Линейчатые и матричные ПЗСприёмники позволяют намного шире использовать свойства спеклов в изучении шероховатых объектов и, в частности, в измерении их конфигураций. В этом случае спеклы рассматриваются как пространственный сигнал. Шероховатость поверхности аппроксимируется сопряжением нескольких дифракционных решёток. Поэтому спекл-поле является детерминированной структурой. Первичной измерительной информацией при измерении конфигурации являются координаты точек падения луча лазера на поверхность и параметры касательной плоскости к поверхности в точке освещения. Для получения этой информации разработан метод дифракционного анализа спекл-картины, который использует законы дифракционной, геометрической оптики и методы линейной алгебры и аналитической геометрии. Разработаны устройства измерения конфигурации. Основными элементами их являются He-Ne лазер и двумерный фотоприёмник в виде матрицы ПЗС. Решение задачи синтеза спекл-картин, позволило оптимизировать пространственное расположение двумерных оптических приёмников в устройствах измерения конфигурации. Принципиальным ограничением на использование спекл-метода измерения конфигурации является случай, когда длина волны используемого излучения больше размеров шероховатости поверхности, что устраняет условия получения спекл-эффекта. Приведены результаты экспериментальных измерений тестовых поверхностей и лопатки турбины. Доказана эффективность использования спекл-метода в устройствах измерения, работающих в производственных условиях. Проведен анализ погрешностей спекл-метода. Оценены результаты влияния окружающей среды на точность измерения конфигурации.

Ключевые слова: когерентное оптическое излучение, спекл, пространственная конфигурация, матричные фотоприёмники.

SUMMARY

Priyomko A.A. Use of a speckle-method of measurement of a spatial configuration for metrology maintenance of production.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on a speciality. The Kharkov state research institute metrology.

Kharkov, 2003. метрологічний спекл виробництво

The thesis is devoted to problems of development and research of a method of metrology maintenance of production have a difficult spatial configuration, with use of optical speckle-effect. In activity the comparative analysis of modern methods and means of measurement of a configuration is conducted. The theoretical and experimental substantiation of the developed speckle-method is submitted. The primary measuring information at measurement of a configuration are the coordinates of points of a falling of a beam of the laser on a surface and parameters of a tangent plane to a surface in a point of illumination. For obtaining this information the method of the diffraction analysis of a speckle-picture is developed which uses the laws of diffraction, geometric optics and methods of linear algebra and analytical geometry. The devices of measurement of a configuration are developed. The outcomes of experimental measurements are adduced. The efficiency of use of a speckle-method in devices of measurement working under production conditions is proved. The analysis of errors of a speckle-method is conducted. The outcomes of influence of an environment on accuracy of measurement of a configuration are appreciated.

Key words: coherent optical radiation, speckle, a spatial configuration, matrix photodetectors.

Размещено на Allbest.ru

...