Система технического зрения для производственного контроля и микроизмерений в видимом участке оптического спектра

Размещено на http://www.allbest.ru/

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Система технического зрения для производственного контроля и микроизмерений в видимом участке оптического спектра

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Николаев Михаил Иванович

Казань 2007

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Евдокимов Юрий Кириллович

Защита состоится "_____" мая 2007 г. в _______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу: 420115, г. Казань, ул. К.Маркса, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10.

Автореферат разослан "_____" апреля 2007 г.

Ученый секретарь

общая характеристика работы

Актуальность темы. В последнее десятилетие на стыке областей прикладной оптики и средств вычислительной техники интенсивно развиваются системы технического зрения (СТЗ). СТЗ являются разновидностью приборов контроля параметров изделий, включающих оптический датчик изображения (источник измерительной информации), вычислительное устройство (элемент измерительного преобразователя) и программное обеспечение. Основная задача, решаемая такими аппаратно-программными модулями - контроль и измерение геометрических параметров различных объектов. Применение СТЗ исключает оператора из процесса принятия решения о значении измеряемой физической величины, что объективно улучшает показатели точности, достоверности и производительности геометрических измерений. Важными преимуществами СТЗ являются также бесконтактность и дистанционность измерений.

В СТЗ изображение объекта преобразуется в цифровую форму посредством фотоматрицы. Сформированное видео- или фотокамерой цифровое изображение вводится в компьютер и проходит цифровую обработку для определения геометрических параметров объекта.

Одним из интенсивно развивающихся направлений бесконтактных измерений и контроля геометрии объектов в машиностроении, в авиационной промышленности, в медицине и т.д. являются СТЗ, работающие в видимом участке оптического диапазона длин волн. Такие СТЗ имеют высокую производительность и низкую стоимость. Особый прикладной и научный интерес представляет дальнейшее развитие методов и средств СТЗ для контроля и измерения геометрии объектов с микронной точностью в видимом спектре в производственных условиях.

Особенностью контроля и микроизмерений в видимом спектре является расположение результатов в области, близкой к дифракционному пределу разрешения. Производственные условия использования СТЗ вносят дополнительные трудности. Это влияние на результат измерений вибраций, оптических помех и неизбежных загрязняющих факторов (пыль, микрочастицы и другие загрязнения объектов измерения условно названы в данной работе «геометрическим шумом»). Весьма важной задачей является разработка способов нейтрализации этих воздействий на метрологические характеристики СТЗ. зрение контроль оптический

Таким образом, разработка и исследование системы технического зрения для контроля и микроизмерений в видимом спектре в производственных условиях является актуальной проблемой.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются геометрический контроль и микроизмерения в видимом участке оптического спектра. Предметом исследования являются способ и методы повышения точности, алгоритмы и аппаратно-программные средства СТЗ производственного контроля и микроизмерений.

Цель работы. Повышение точности и производительности производственного контроля и микроизмерений геометрии объектов в видимом участке оптического спектра.

Научная задача. Разработка научно обоснованной методики повышения точности и производительности автоматизированного контроля и микроизмерений геометрии объектов в видимом участке оптического спектра в производственных условиях на основе системы технического зрения. Направления исследования:

· сравнительный анализ оптических методов бесконтактного контроля и микроизмерений;

· выявление основных факторов, влияющих на точность СТЗ, выполняющей геометрический контроль и микроизмерения в видимом участке оптического спектра в производственных условиях;

· предложить способ и методы компенсации систематической погрешности СТЗ при контроле и микроизмеренях геометрии объектов в видимом участке оптического спектра в производственных условиях;

· разработать аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение СТЗ для производственного контроля и микроизмерений;

· создать действующий образец СТЗ.

Методы исследования. Методы геометрической оптики, методы системного анализа, математической статистики, математического моделирования и программирования, цифровая обработка изображений и технический эксперимент.

Достоверность полученных результатов. Достоверность обеспечивается сопоставлением теоретических результатов с результатами моделирования, экспериментальными данными, а также практическим внедрением на предприятиях, подтвержденным актами испытаний и внедрения.

Научная новизна работы.

· Проведен анализ погрешностей СТЗ для производственного контроля и микроизмерений в видимом спектре, определены условия «погрешности масштабирования» - погрешности нахождения границы объекта на его изображении (масштабирование), проявляющейся в виде искажения пропорций объектов измерения на их изображениях;

· Предложен способ компенсации погрешности масштабирования, положенный в основу метода калибровки параметров системы - метода соприкасающихся объектов (МСО);

· Предложен метод калибровки яркости (МКЯ), дополняющий МСО и состоящий в калибровке параметров системы калибровкой яркости изображения в цветовом пространстве стандарта RGB;

· Разработаны фильтры «геометрических шумов» на основе диффузного рассеивания (ФД) и на основе расфокусированного изображения (ФР) для фильтрации оптических помех в виде типичных производственных загрязнений микронных масштабов;

· Разработано программно-алгоритмическое обеспечение СТЗ.

Теоретическая значимость. Определены основные источники погрешности СТЗ, а также условия возникновения погрешности масштабирования и предложен способ ее компенсации.

В соответствии с предложенным способом компенсации погрешности разработаны метод соприкасающихся объектов и метод калибровки яркости.

Практическая ценность. По результатам работы созданы две СТЗ для контроля параметров деталей часового производства, которые внедрены на предприятиях как приборы технологического контроля. За счет автоматизации с помощью СТЗ контрольно-измерительных операций, выполнявшихся раньше визуально оператором, повышена достоверность и производительность технологического контроля, в 2-3 раза увеличена точность. Предложенный способ компенсации погрешности и разработанные на его основе методы калибровки (метод соприкасающихся объектов, метод калибровки яркости) и фильтры «геометрических шумов» (ФД, ФР) нашли применение как в составе разработанной СТЗ, так и в составе других средств оптического технологического контроля.

Публикация и апробация результатов. Основные результаты работы обсуждены на научно-технических конференциях:

· «Информационно-телекоммуникационные технологии». Всерос. науч.-техн. конф. в Сочи, 2004 г.;

· «Туполевские чтения». Междунар. молодежная науч. конф. в Казани, 2004, 2005 г.г.;

· «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Междунар. науч.-практ. конф. в Москве, 2004, 2005, 2006 г.г.;

· «Оптика и образование-2006». Междунар. науч.-практ. конф. в Санкт-Петербурге, 2006 г.

Основное содержание диссертации отражено в 20 печатных работах (в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК), включая решение о выдаче патента на способ компенсации погрешности масштабирования, а также свидетельство о регистрации программного средства поддержки СТЗ.

Реализация результатов. В период 2003-2006 г.г. КГТУ им. А.Н. Туполева по заказам предприятий ООО ПФ «Бриолет», ООО «Научно-технический центр «Восток» выполнены две хоздоговорные НИР “Система машинного зрения для контроля размеров часовых камней” и “Система технического зрения для измерений часовых деталей платино-мостового производства”. Разработаны и созданы СТЗ «Бриолет-01» и «ПМП-01» для измерения геометрических параметров часовых камней.

СТЗ внедрены на предприятиях как приборы технологического контроля в часовом производстве. На ООО ПФ «Бриолет» применение СТЗ уменьшило погрешность измерения с ± 3 мкм до ± 1-2 мкм и увеличило достоверность контроля с 70 % до 95 %. На ООО «НТЦ «Восток» погрешность измерений уменьшена с ± 4 мкм до ± 2 мкм, производительность процесса контроля возросла в 15ч20 раз. Результаты работы внедрены также в учебный процесс КГТУ им. А.Н. Туполева в виде лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация».

Пути дальнейшей реализации. ООО «НТЦ «Восток» планирует развитие сети разработанных автором СТЗ на различных производственных участках ОАО «ЧЧЗ «Восток» с последующим объединением локальных СТЗ в единую сеть как инструментальную основу системы качества ОАО «ЧЧЗ «Восток». Запланирована НИР на разработку СТЗ для ОАО «Казанский вертолетный завод». В учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева предусмотрено дальнейшее развитие лабораторного практикума на базе СТЗ. Дальнейшей реализации полученных результатов будут способствовать дополнительные работы по метрологической аттестации разработанной СТЗ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ компенсации погрешности масштабирования, положенный в основу метода соприкасающихся объектов (МСО) для калибровки параметров СТЗ;

2. Фильтр «геометрических шумов» на основе диффузного рассеивания (ФД);

3. Фильтр «геометрических шумов» на основе расфокусированного изображения (ФР);

4. Алгоритмическое и программное обеспечение СТЗ для контроля и микронных измерений;

5. Аппаратная реализация СТЗ для контроля и микронных измерений в видимом участке оптического спектра.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Объем диссертации 130 страниц, включая 65 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список включает 177 источников.

Личный вклад автора. Автором предложен способ компенсации погрешности масштабирования, на основе которого были разработаны метод соприкасающихся объектов (МСО) и метод калибровки яркости (МКЯ), использованные для калибровки параметров СТЗ. Предложенный способ позволил использовать разработанные автором фильтры «геометрических шумов» (ФД, ФР) и увеличить точность и производительность измерений.

Получение результатов. Результаты получены компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями и в процессе производственных испытаний на базе разработанных СТЗ. Оценка погрешности СТЗ выполнена на базе разработанной статистической модели.

Использованные методы. Для анализа погрешности СТЗ и разработки методов МСО, МКЯ и фильтров ФД, ФР применены методы математического моделирования, методы геометрической и физической оптики. При разработке ПО и формировании аппаратного комплекса применялись методы системного анализа. Обработка экспериментальных данных выполнена методами математической статистики.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко охарактеризовано современное состояние аппаратуры и методов оптического контроля и микроизмерений. Сформулированы цель и задача исследования.

В главе 1 «Обзор современных методов и средств оптического контроля и микроизмерений для систем технического зрения» на основе обзора выполнена классификация методов и средств контроля и микроизмерений и построенных на их базе СТЗ. Классификация позволяет определять достигнутую и потенциальную точность для применения той или иной комбинации методов и аппаратных средств.

Несмотря на обилие оптических средств измерений, актуальными на производстве остаются вопросы производительности и стоимости измерений. Например, компания «Mitutoyo» производит системы QUICK VISION-ELF с погрешностью измерений ±1 мкм, однако параметры стоимости и производительности позволяют рассматривать эти системы не в качестве производственного, а лишь в качестве лабораторного средства контроля.

Многие публикации связаны повышением точности. Например, в работе Annarita Lazzari и др. анализ серийно выпускаемой СТЗ показал случайную составляющую погрешности ± 6 мкм. Наименьшая погрешность (± 0,5 мкм) получена визуально на измерительном микроскопе УИМ-23 (Ю.Б. Коляда и др.). Это можно объяснить тем, что существуют характерные для СТЗ и не проявляющиеся при визуальном контроле погрешности.

Одним из недостаточно исследованных факторов, влияющих на точность СТЗ, остается нахождение границы и определение контура изображения. При этом вопросам формирования границы уделяется много внимания. Например, 26 вариантов изложено в патенте Линь Чжоучэнь, и др. В то же время, мало исследованы вопросы погрешности нахождения границы и связанное с этим искажение пропорций объекта (масштабирование). В работе Соколова С.М., Трескунова А.С. учитывается необходимость калибровки параметров СТЗ, влияющих на масштабирование, но предложенный алгоритм основан на субъективных зрительных ощущениях оператора. Решение вопроса масштабирования могло бы повысить точность производственного контроля с применением СТЗ до уровня, приемлемого для большинства технологических операций в приборостроении и сделать возможным широкое применение СТЗ в этой области. Это повысило бы производительность и достоверность результатов производственного контроля в приборостроении.

Рассмотрение методов и соотношений, описывающих измерительный процесс СТЗ, выполнено по критерию пригодности для производственных условий. Наряду с нестабильностью питающего напряжения, вибрациями и загрязнениями, учитывалась согласованность результатов измерений одного и того же объекта после разных технологических операций. Поэтому, например, при определении центров отверстий предпочтительны не алгоритмы, связанные с отысканием центра по максимальному и минимальному диаметрам, а алгоритмы, связанные с определением центра масс для всей совокупности точек на измеряемом круге.

Программные средства для программирования СТЗ должны содержать инструменты работы с изображениями, в т.ч. получение изображений по различным каналам от внешних источников, фильтрацию и извлечение измерительной информации, а также выполнять генерацию управляющих сигналов исполнительным механизмам, автоматическое документирование. Из программных продуктов, используемых в научных и производственных целях, подобной функциональностью обладают LabVIEW и ВидеоТесТ. При этом пакет программ LabVIEW предпочтителен как обладающий широким набором функций для получения и обработки сигналов измерительной информации.

Обзор показал, что при разработке системы технического зрения для производственного контроля и микроизмерений в видимом спектре должны быть решены вопросы фильтрации загрязнений, компенсации погрешности масштабирования, адаптации алгоритмов измерений к производственным условиям.

В главе 2 «Погрешности системы технического зрения и методы повышения точности производственного контроля» отмечается, что типичной производственной задачей является контроль изделий, имеющих круговую симметрию в основе своей формы. На рис. 1 в качестве такого примера показан часовой камень и эталон концевой меры (плитка Иогансона).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Размеры объекта контроля (D, d) и эталона (l)

Для объектов такой формы возможно применение метода формирования изображения в проходящем свете. По сравнению с интерференционными методами, увеличивается производительность, но может оказаться недостаточной точность. Поэтому в работе применен дифференциальный метод измерений, учитывающий использование эталонов, выполненных в виде предельных калибров и плиток Иогансона. Главной целью в этой главе является анализ погрешностей СТЗ. В таблице дано наименование и описание основных источников погрешности.

На основе рассмотренных источников погрешности предложена статистическая модель СТЗ, получена оценка суммарной погрешности . На статистической модели показаны две большие группы систематических погрешностей, оказывающих существенное влияние на точность измерения. Влияние проявляется в виде искажения пропорций объектов измерения на их изображениях, формируемых СТЗ. Это обусловлено обработкой изображения в СТЗ и связанной с этим погрешностью нахождения границы на изображении объекта (масштабированием). Предложен способ компенсации погрешности масштабирования, новизна способа подтверждена решением о выдаче патента на изобретение. На базе предложенного способа разработан метод калибровки СТЗ, условно названный методом соприкасающихся объектов - МСО.

Разработанный метод МСО состоит в том, что в пространстве предметов СТЗ размещают эталонный объект вместе с объектами измерения. Объекты приводят в состояние касания и регулировкой параметров СТЗ (яркости изображения, силы света, длины волны и т.д.) добиваются соприкосновения объектов на изображении. Тем самым реализуется поправка C_п для компенсации группы систематических погрешностей (погрешностей масштабирования, компенсируемых методом МСО). Согласно принципу геометрического подобия в геометрически линейной системе если объекты соприкасаются физически и на изображении, то систематические погрешности СТЗ, приводящие к искажению пропорций на изображении, будут компенсированы.

МСО позволяет выполнить комплексную калибровку СТЗ. Учитывая, что методом МСО устраняются систематические погрешности, становится возможным применение предложенных автором двух вариантов фильтров «геометрических шумов»: на основе диффузного рассеивания (ФД) и на основе расфокусированного изображения (ФР). Посредством ФД и ФР (глава 3) устраняются «геометрические шумы» изображения, вызванные загрязняющими объект микрочастицами. При этом сами фильтры вносят существенную систематическую погрешность (группа вторичных погрешностей в приведенной выше таблице), но она устраняется применением МСО. Применение ФД и ФР основано на размывании границ изображения, сформированного диффузным рассеиванием или расфокусированного изображения.

Погрешности, компенсируемые МСО, включают в себя также погрешности, обусловленные дифракционным пределом разрешения оптических элементов, поскольку дифракционный предел разрешения также проявляется в виде размывания границ. Под пределом разрешения в оптике подразумевается способность различать расположенные рядом элементы. В частности, этому удовлетворяет дифракционный предел разрешения по критерию Рэлея.

В случае, когда измеряемые геометрические размеры многократно превышают значение предельного разрешения, зависящая от него погрешность может оказаться пренебрежимо малой. Уменьшение разрешения проявится на изображении в виде фильтрации дополнительных включений, но в целом плавные контуры объекта будут восстановлены любой пороговой функцией. При этом условием неискаженного восстановления границ объекта измерения является условие однородности их размывания. Действительные значения геометрических параметров объекта на изображении восстанавливаются применением МСО. В этом случае разрешающая способность оптико-электронной системы определяется размером пикселя фотоматрицы и линейным увеличением оптической системы. Эти параметры будут определять точность вычисления геометрических координат градаций яркости размытых границ объекта.

Существует еще один фактор влияния размера пикселя фотоматрицы на разрешающую способность системы и погрешность измерений, назовем его «волновой фактор». Этот фактор учитывает соотношение между длиной волны падающего на фотоматрицу излучения и допустимым размером пикселя. Учет волнового фактора становится необходимым в условиях применения ФД, ФР и МСО. С учетом этого, погрешность компенсации методом МСО ограничивается погрешностью дискретизации фотоматрицы е_ФМ. В работе показано, что

В частном случае, для объектов простой формы с круговой симметрией

где s - длина стороны пикселя (полагается, пиксель имеет форму квадрата), Г - линейное увеличение, л_макс - максимальная длина волны в спектре падающего на пиксель излучения.

Рис. 2. Статистическая модель СТЗ

МСО компенсирует большую группу систематических погрешностей. Статистическая модель упростится и примет вид рис.2.

Согласно модели рис. 2 оценку суммарной погрешности разработанной СТЗ можно выразить соотношением:

где A₁чA₄ - безразмерные весовые коэффициенты, значения которых могут быть получены экспериментально. Подстановкой в (3) соответствующих погрешностей получено соотношение для оценки суммарной погрешности СТЗ:

= [(2A_В ^. T ^. F_В)² + (б_Т ^. t ^. D₀)² + (T ^. F_В^. 4 A_В h_Ш /l_Ш)² + 2(Г• s/2)²]¹

В соответствии с (4) получено максимальное значение суммарной погрешности ? 2,6ч2,9 мкм. Расчет произведен согласно требованиям ГОСТ для нормальных условий линейных и угловых измерений. Амплитуда возмущающих вибраций A_В = 1 мкм; частота возмущающих гармонических вибраций F_В = 30 Гц; время экспозиции на фотокамере T = 1/60 с; средний коэффициент линейного расширения б_Т = 10^-5 град^-1; интервал изменения температуры t = 10° C; начальный диаметр объекта D₀ = 1,4 мм; длина стороны квадратного пикселя s = 2.7 мкм; увеличение Г ? 1; высота штатива h_Ш = 67 см; база штатива l_Ш = 62 см; максимальная длина волны в спектре падающего на пиксель излучения л_макс = 0,8 мкм. Учитывая, что в зависимости от формы объекта составляющая погрешности е_ФМ (1) может принимать разные значения, расчет суммарной погрешности выполнен интервально для двух вариантов формы объекта согласно (1), (2).

При средних значениях основных влияющих факторов (F_В = 15 Гц, A_В = 0,5 мкм) получено среднее значение погрешности ? 1,1ч2,0 мкм.

В главе 3 «Моделирование и экспериментальное исследование системы технического зрения» выполнено моделирование методов МСО и МКЯ, а также экспериментальные исследования показали, что при калибровке СТЗ с применением этих двух методов обеспечивается погрешность измерений ± 1-2 мкм. При моделировании учитывалось, что существуют погрешности, характерные для СТЗ и не проявляющиеся при визуальном контроле. В этой связи исследовано влияние фильтрации и формата кодирования изображений (JPEG, TIFF, BMP), а также размера, формы и ориентации объекта измерения на погрешность СТЗ.

Для изучения влияния этих факторов, включая формат кодирования, проведены исследования на сформированных программно моделях объекта измерения. Рассмотренные четыре формата кодирования одного и того же изображения объекта обозначены на рис. 3 индексами: 1 - без сжатия, 2 - сжатие без потерь, 3 - с минимальными потерями по стандарту JPEG, 4 - с максимальными потерями по стандарту JPEG. Графики l₁чl₄ (обозначение согласно рис. 1) отображают результаты, полученные для компьютерного моделирования прямоугольных объектов (плитки Иогансона). Эти результаты совпадают для всех четырех прямоугольных объектов. Графики d₁чd₄ отображают результаты, полученные для компьютерного моделирования кольцевых объектов. Эти результаты совпадают для трех кольцевых объектов и незначительно отличаются для четвертого объекта. Следовательно, формат кодирования JPEG практически не влияет на точность измерений СТЗ.

В отличие от компьютерных моделей, реальные объекты измерения характеризуются разбросом геометрических параметров. «Геометрический шум» носит случайный характер, поэтому на примере измерения реальных объектов рассмотрено действие фильтрации. Проведено сравнение результатов измерений с использованием фильтра Гаусса и фильтра «геометрических шумов» на основе диффузного рассеивания - ФД.

Графики на рис. 3 показывают, что применение двумерного фильтра Гаусса уменьшает случайную составляющую погрешности и значительно изменяет систематическую составляющую. Графики d₅, d₆, d₇ отражают результаты, полученные с помощью СТЗ при измерении внутренних диаметров трех часовых камней. Камни изготовлены в одной партии и технология изготовления такова, что разброс значений d₅, d₆, d₇ гарантированно не превышает ±1 мкм. Значительный разброс на номинальном уровне силы света (I_ср = 100 %, определяется методом МСО) объясняется влиянием случайных пылевидных частиц на периметре объекта измерения. Фильтр Гаусса уменьшает разброс результатов почти в 3 раза при номинальном уровне силы света.

Рис. 3. Результаты измерения внутреннего диаметра d часовых камней при изменении силы света (а - результаты модельных d₁чd₄, l₁чl₄ и реальных d₅, d₆, d₇ измерений; б - те же результаты при использовании фильтра Гаусса)

Фильтр «геометрических шумов» на основе диффузного рассеивания основан на том, что увеличение I_ср (см. рис. 3) уменьшает разброс результатов. Диффузное рассеивание света (например, при формировании изображения на матовом слое) позволяет добиться незаметности пылевидных частиц увеличением силы света источника при фиксированном пороге бинаризации изображения. Таким образом, можно реализовать эффективный фильтр загрязнений - ФД. На рис. 3 область ФД соответствует участку I_ср = 108ч110 %. При этом в результаты измерений надо вносить поправку через процедуру МСО. Эффективность ФД выше фильтра Гаусса, что выражается в существенном уменьшении разброса результатов.

Применение фильтра «геометрических шумов» ФР заключается в том, что измерения проводятся на расфокусированном изображении. При этом исключается случайная погрешность, обусловленная влиянием загрязнений, но появляется систематическая погрешность е_ФР, обусловленная размыванием границ объекта (см. рис. 4). Погрешность е_ФР устраняется калибровкой параметров СТЗ по методу МСО.

Рис. 4. Удаление загрязнений фильтром «геометрических шумов» расфокусировкой изображения

В главе 3 также приведены результаты, полученные с помощью предложенного ФР и результаты моделирования алгоритмических вариантов Фурье-фильтрации. Показано, что погрешность с применением предложенного варианта ФР составляет не более ± 2 мкм, а погрешность с применением Фурье-фильтра составляет не менее ± 3 мкм при более низкой производительности.

Результаты моделирования и экспериментов согласуются с результатами количественной оценки погрешности СТЗ, полученными в главе 2.

В главе 4 «Аппаратно-программная реализация системы технического зрения для решения производственной задачи контроля и микроизмерений» рассмотрена базовая структурная схема СТЗ (см. рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Структурная схема СТЗ

1 - источник освещения; 2 - коллиматор; 3 - объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 - объектив; 6 - изображение объектов на матовом экране; 7, 8 - объектив; 9 - фотоматрица; 10 - персональный компьютер (ПК); 11 - программное обеспечение (ПО).

Свет от точечного источника 1 преобразуется в параллельный поток линзами коллиматора 2 и падает на предметное стекло 3, где устанавливают объекты измерения. Далее лучи попадают в объектив 4, 5, который проецирует на экран 6 увеличенное теневое изображение объектов. Экран, имеющий матовую пленку, является элементом диффузнного фильтра (ФД). С экрана двумерное оптическое изображение воспринимается объективом 7, 8 цифровой камеры, затем преобразуется фотоматрицей 9 камеры в цифровую форму и пересылается для обработки и хранения в виде файла на жестком диске компьютера 10. Компьютер выполняет идентификацию и адресацию объектов измерения. В зависимости от программного алгоритма 11, выполняются операции контроля или измерения. Результаты сохраняются на жестком диске и отображаются на мониторе, а также формируются управляющие сигналы для механизмов перемещения объектов измерения.

В заключительной части главы приведена аппаратно-программная реализация СТЗ для производственного контроля и микроизмерений в видимом спектре. На производстве часовых камней применение СТЗ уменьшило погрешность результатов контроля с ± 3 мкм до ± 1-2 мкм, а достоверность возросла с 70 % до 95 %. Разработанная для измерения часовых камней СТЗ была при минимальных затратах на аппаратное обеспечение адаптирована для решения новой производственной задачи - контроля с погрешностью ± 2 мкм межцентровых расстояний на деталях платино-мостового производства часовых механизмов (около 40 точек на одной детали). На платино-мостовом производстве применение СТЗ повысило точность измерений в два раза (погрешность уменьшилась с ± 4 мкм до ± 2 мкм), производительность процесса контроля возросла в 15ч20 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнена классификация и проведен сравнительный анализ машинных оптических методов бесконтактного контроля и микроизмерений. Обоснован выбор методов и средств, наиболее подходящих для решения производственной задачи. Указаны основные факторы, характерные для СТЗ и ограничивающие точность производственного контроля в видимом диапазоне. Эти факторы систематизированы и представлены через погрешность масштабирования (искажение пропорций на изображениях).

2. Предложен способ компенсации погрешности масштабирования. Новизна способа подтверждена патентом на изобретение (получено положительное решение о выдаче патента). Предложенный способ реализован в виде процедур, названных методом соприкасающихся объектов (МСО) и методом калибровки яркости (МКЯ). Показана эффективность применения способа для компенсации систематических погрешностей и калибровки системы.

3. На основе предложенного способа разработаны фильтры «геометрических шумов» для фильтрации загрязняющих объект измерения микрочастиц. Исследованы альтернативные варианты и показана эффективность предложенных фильтров в производственных условиях.

4. Разработана статистическая модель СТЗ, для которой приведена оценка погрешности в режимах контроля и измерения. Получена теоретическая оценка среднего значения погрешности измерений ± 1-2 мкм. Предложенная модель СТЗ позволяет оценить погрешность как системы в целом, так и ее функциональных элементов. Показана возможность компенсации большой группы систематических погрешностей предложенным способом (МСО).

5. Моделированием и экспериментальными исследованиями СТЗ найдено реальное значение оценки погрешности ± 1-2 мкм. Данная точность достигнута применением разработанных методов МСО, МКЯ и фильтров ФД, ФР.

6. Разработано аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение СТЗ для геометрического контроля и микроизмерений в производственных условиях. Программное обеспечение СТЗ зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов программ.

7. Создано два действующих образца СТЗ. По результатам производственных испытаний применение СТЗ уменьшило погрешность измерений с ± 3-4 мкм до ± 1-2 мкм, повысило достоверность контроля с 70 % до 95 %. Производительность увеличилась в 15ч20 раз. Результаты диссертационной работы внедрены в часовое производство ОАО «ЧЧЗ «Восток», а также в учебный процесс КГТУ им. А.Н. Туполева.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Евдокимов Ю. К., Николаев М. И. Система технического зрения для геометрических микроизмерений // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2006. - Выпуск 4(44). - С. 21-23.

2. Евдокимов Ю.К., Николаев М. И. Анализ источников погрешностей в системе технического зрения при измерении геометрии микрообъектов // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2(47). - Казань: ЗАО «Новое знание», 2006. -- С. 54-63.

3. Николаев М. И. Математическая модель системы технического зрения для геометрических микроизмерений // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2(47). - Казань: ЗАО «Новое знание», 2006. - С. 64-76.

4. Николаев М. И. Аппаратная реализация системы технического зрения для измерения геометрии микрообъектов // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 3(44). - Казань: ЗАО «Новое знание», 2005. - С. 19-29.

5. Решение от 22.03.2007 о выдаче патента на изобретение согласно заявки 2005140712/28(045339) РФ. Способ компенсации погрешности масштабирования системы технического зрения для микроизмерений / Евдокимов Ю. К., Николаев М. И., Доронин А. Н. (РФ).

6. Программное средство поддержки системы технического зрения / Николаев М. И. - Казань, 2006. - Регистр. Госкоорцентр, ОФАП . - № .03524577.01512-01 99 01.

7. Ю.К.Евдокимов, М.И.Николаев. Методика калибровки изображений микрообъектов и ее реализация программными средствами LabVIEW // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments / Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 18-19 ноября 2005 года: Сборник трудов конф. - М: Изд-во РУДН, 2005. - С. 267-271.

8. М.И.Николаев. Метод компенсации погрешности масштабирования калибровкой яркости изображения в цветовом пространстве RGB // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments / Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 17-18 ноября 2006 года: Сборник трудов конф. - М: Изд-во РУДН, 2006. - С. 263-265.

9. Система машинного зрения для контроля размеров часовых камней. Обзор современного состояния систем технического зрения: Отчет о НИР (промежуточ.) / КГТУ им. А.Н. Туполева, филиал «Восток»; Руководитель Ю.К. Евдокимов. - № ГР 0120.0409420; Инв. № 02200405344. - Казань, 2004. - 52 с.: ил. - Отв. исполн. М.И. Николаев; Соисполн. А.В. Михайлов.

10. Система машинного зрения для контроля размеров часовых камней. Способ и аппаратно-программные средства системы технического зрения для микроизмерений в световом диапазоне длин волн: Отчет о НИР (заключ.) / КГТУ им. А.Н. Туполева, филиал «Восток»; Руководитель Ю.К. Евдокимов. - № ГР 0120.0409420; Инв. № 02200607597. - Казань, 2006. - 57 с.: ил. - Отв. исполн. М.И. Николаев; Соисполн. А. Ю. Кирсанов.

11. Ю.К.Евдокимов, М.И.Николаев. Система измерения геометрии часовых камней на основе технологии машинного зрения // Информационно-телекоммуникационные технологии / Всерос.научн.-техн.конф.: Тез. докл. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - С. 13-14.

12. М.И.Николаев. Разрешающая способность системы машинного зрения // XII Туполевские чтения / Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференции. Том IV. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004. - С. 47-48.

13. М.И.Николаев. Влияние интерполяции на точность оптических измерений // Туполевские чтения / Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2005 года: Материалы конференции. Том IV. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005. - С. 46-47.

14. М.И.Николаев. Формирование эталонной модели в системе машинного зрения // XII Туполевские чтения / Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференции. Том IV. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004. - С. 48-49.

15. М.И.Николаев. Метрологическая аттестация системы машинного зрения, основанной на программном обеспечении NI IMAQ Vision // XII Туполевские чтения / Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференции. Том IV. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004. - С. 49-50.

16. М.И.Николаев. Техническое зрение на базе искусственных нейронных сетей в промышленных системах контроля // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments / Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 15 ноября 2004 года: Материалы конф. - М: Изд-во РУДН, 2004. - С. 101.

17. М.И.Николаев. Экспериментальные исследования системы технического зрения для измерения микрообъектов // Туполевские чтения / Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2005 года: Материалы конференции. Том IV. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005. - С. 48-49.

18. М.И.Николаев. Погрешность моделирования при измерении диаметров микрообъектов программными средствами LabVIEW // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments / Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 18-19 ноября 2005 г.: Сборник трудов конф. - М: Изд-во РУДН, 2005. - С. 372.

19. Евдокимов Ю. К., Николаев М. И. Моделирование эффектов дифракции и параллакса на матовой поверхности // Оптика и образование-2006 / Междунар. науч.-практ. конф. : Сборник трудов конф. - СПб. : Изд-во СПбГУ ИТМО, 2006. - С. 81-82.

20. Николаев М. И. Моделирование и экспериментальное исследование дифракционного фильтра // Оптика и образование-2006 / Междунар. науч.-практ. конф. : Сборник трудов конф. - СПб. : Изд-во СПбГУ ИТМО, 2006. - С. 85-86.

Размещено на Allbest.ru