БЕСКОНТАКТНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ

CONTACTLESS OF PROJECTION CONTROL OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF THE PRODUCT AND ITS IMPLEMENTATION

Evgeny Zhukov

candidate of Technical Sciences, associate professor of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Mariya Aldushina

student of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Andrey Minaev

student of the Department of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены методы бесконтактного проекционного контроля геометрических параметров изделий и приведены примеры их реализации. Дана классификация методов проекционного измерения, рассмотрены системы оптического проекционного контроля и прямого проекционного контроля, а также раскрыта их сущность, преимущества и недостатки. Кроме того рассмотрен алгоритм обработки полученного изображения на ПЗС-матрице и приведён пример расчёта линейного размера измеряемого объекта. Дан прогноз на дальнейшее применение и развитие указанных методов контроля геометрических параметров изделий при условии использования различных источников освещения: от ультрафиолета до рентгеновского излучения.

ABSTRACT

The article deals with methods of projection noncontact control of geometry of Cproducts and some examples of their implementation. Considered the classification of the projection methods of measurement, the optical projection system control and direct control of the projection, as well as the disclosure of their nature, advantages and disadvantages. Also considered algorithm for processing the resulting image on the CCD matrix, and is an example of the calculation of the linear size of the measured object. The forecast for the further implementation and development of these geometric parameters of product control methods on the condition the use of different light sources, from ultraviolet to X-rays.

Ключевые слова: управление; бесконтактное измерение; активный контроль; программа; геометрические параметры.

Keywords: management; non-contact measurement; active control; program; geometric parameters.

Процесс получения изделий в машиностроении связан с постоянным контролем точности получаемых размеров или геометрии изделий. Использование различных измерительных средств, в том числе и специальных, требует значительных временных затрат. Этот фактор является решающим в массовом производстве при 100 % контроле изделий. К тому же контактно-щуповые приборы требуют постоянной поднастройки, в виду износа измерительных поверхностей, а так же поднастройки связанной с изменением температуры окружающей среды.

Управление оборудованием с адаптацией по вычисляемому размеру или размеру, поступающему в технологическую систему заготовки, затруднено по этим же причинам.

На кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова разработаны приборы и методы проекционного измерения геометрии получаемых изделий в технологических системах механической обработки [7; 8]. Условно их можно разделить на две группы: метод оптического проекционного контроля и метод прямого проекционного контроля – сущность их приведена на рис. 1.

Схема оптического контроля (рис. 1, а): изделие 1 освещается источником света 2 [6], в качестве которого предпочтительным является источник монохромного излучения с постоянной длиной волны. За изделием 2 расположен светлый экран 5, рассеивающий и отражающий свет, пучки света, преломляясь через линзу 4 (или систему линз) попадают на поверхность ПЗС-матрицы 3, которая в свою очередь связана с электронным блоком, выполняющим обработку информации об объекте.

Схема прямого проекционного контроля (рис. 1, б): при котором изделие 1 освящается источником монохромного, коллинеарного излучения 2, часть излучения попадает на поверхность ПЗС-матрицы, а часть задерживается изделием, формируя на поверхности ПЗС-матрицы контур изделия. ПЗС-матрица так же связана с электронным блоком, выполняющим обработку графического изображения.

Согласно представленной схеме (рис. 1, а) изображение на поверхности матрицы по своим размерам не соответствует контуру профиля измеряемого объекта, в соответствии с коэффициентом увеличения оптической системы, который может изменяться в определенных пределах, а также принимать значения большие или меньшие единицы. Что соответственно свидетельствует об увеличении или уменьшении проекции измеряемого объекта. Это свойство проекционного оптического метода может быть использовано для измерения крупногабаритных объектов или микрообъектов, в зависимости от оптической системы.

Использование оптической системы связано с явлением преломления пучка света на границе сред, что вносит дополнительные искажения в проекцию профиля на поверхность ПЗС-матрицы. Именно этим и объясняется предпочтение в использовании источника освещения имеющего постоянную длину волны [6], при наличии достоверной информации о длине волны, искажение профиля проекции можно компенсировать программно.

Рисунок 1. Методы проекционного контроля геометрии объектов: а) оптический проекционный контроль, б) прямой проекционный контроль

Прямой проекционный метод не содержит недостатков, описанных в оптическом методе, т. е. отсутствует преломление лучей, создающих на поверхности ПЗС-матрицы контур профиля. Таким образом, изображение полностью соответствует контуру, за исключением погрешности равной длине волны, например, для источника красного излучения она соответствует примерно 30 нм.

Следовательно, прямой проекционный метод контроля можно использовать для измерения небольших объектов, но с высокой точностью, которая определяется размером элемента (зерна) ПЗС-матрицы. При этом размер объекта не должен превышать размера матрицы. И чем меньше размер зерна матрицы, тем выше точность измерений [9; 1].

Обработка полученного на ПЗС-матрицы изображения выполняется в следующей последовательности. При получении изображения оно конвертируется в монохромное, для четкого разделения частей объекта. Затем, выполняется его попиксельная обработка [9]. При этом фиксируется номер элемента с которого начинается изменение яркости. Подсчет количества элементов в строке с нулевой или максимальной яркостью позволяет определить размер, при условии известного размера зерна матрицы. Например, источника программа посчитала 20 зёрен с нулевой яркостью, затем, в той же строке 120 зёрен с максимальной яркостью и 200 зёрен с нулевой яркостью. Всего в строке 340 зёрен. Таким образом, измеряемый размер составляет 120 зёрен (120 пикселей). Зная размер пикселя – 14 мкм, можно посчитать, что измеряемый размер 1,68 мм. Размер зерна современных ПЗС-матриц (или КМОП-матриц) может составлять 1–2 мкм, что уже позволяет оценить геометрию с точностью до нескольких микрометров, что обеспечивает контроль прецизионных деталей, используемых в машиностроении.

Использование специальных оптических систем с увеличением профиля проекции, на взгляд авторов бесперспективно, т. к. разрешение подобной оптической системы составляет половину длины наиболее короткой волны видимого диапазона излучения, для фиолетового цвета – 180 нм, что не позволяет работать в оптическом диапазоне.

При использовании источника, так, например, «дальнего ультрафиолета» возможно увеличение точности до 50 нм. Использование рентгеновского излучения с длиной волны от 80 до 10…5 нм является более перспективным. Но в любом случае, при использовании источника ультрафиолетового или рентгеновского излучения измерения, по мнению авторов, должны включать с использованием источника вторичного, видимого излучения, изображения от которого передаются на ПЗС-матрицу и обрабатываются по такому же принципу. При этом источник коллинеарного излучения уже не применяется, т. к. необходимо увеличение проекции до воспринимаемого матрицей размера элемента (пикселя). Следовательно, измерение предпочтительно выполнять согласно схеме измерений с точечным источником излучения (рис. 2).

Рисунок 2. Схема измерений с точечным источником излучения

Излучение от точечного источника 1, через изделие 2 проецируется на флуоресцентный экран 3, на котором формируется увеличенная проекция изображения 5, которое считывается ПЗС-матрицей – 4, и информация об изображении обрабатывается электронным блоком согласно процедуре, описанной выше. Таким образом, возможна реализация проекционного метода измерений для объектов, имеющих отклонения всего в несколько десятков нанометров [4].

Практическое применение предложенных авторами методов проекционного измерения геометрии может быть расширено путем решения таких задач как исследование точности обработки на станках с параллельной кинематикой [5] или на токарных станках-автоматах [10], а так же при решении задач моделирования процесса образования микропрофиля поверхности [2] и управления качеством получаемого изделия [3].

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по Соглашению № 14.577.21.0193 от 27 октября 2015 г. «Разработка роботизированного комплекса для реализации полномасштабных аддитивных технологий инновационных материалов, композитов, конструкций и сооружений».

Список литературы:

1. Жуков Е.М., Блудов А.Н. Автоматизированное определение величины припуска наплавленного железнодорожного колеса // Информационные системы и технологии. – 2014. – № 5 (85). – С. 74–80.
2. Жуков Е.М., Михарев Р.Ю. Моделирование процесса образования микропрофиля поверхности // Технические науки – от теории к практике. – 2016. – № 55. – С. 110–116.
3. Жуков Е.М., Сипун С.А. Управление шероховатостью при получении изделий механической обработкой // Технические науки – от теории к практике. – 2016. – № 56. – С. 54–58.
4. Никитин А.В. Проблемы измерений размеров в микроэлектронной технологии// Измерительная техника. – 2012. – № 8. – С. 15–20.
5. Рыбак Л.А., Гапоненко Е.В., Жуков Е.М. Исследование точности обработки на станках с параллельной кинематикой с учетом смещений приводных механизмов и силы резания // Технология машиностроения. – 2012. – № 12. – С. 25–28.
6. Табекина Н.А., Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Влияние явления дифракции света на точность автоматизированного процесса определения геометрических параметров профиля объектов// Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2016. – № 1. – С. 90–93.
7. Чепчуров М.С., Жуков Е.М., Блудов А.Н. Устройство оперативной бесконтактной диагностики отклонения профиля колеса железнодорожного // Механики XXI веку. – 2014. – № 13. – С. 139–144.
8. Чепчуров М.С., Табекина Н.А., Вороненко В.П. Контроль геометрических параметров в технологической системе на базе автоматов продольного точения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2016. – № 4. – С. 89–95.
9. Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Автоматизация процесса оценки точности канавки катания при изготовлении лапы бурового долота // Информационные системы и технологии. – 2015. – № 4. – С. 82–89.
10. Chepchurov M.S., Tyurin A.V., Zhukov E.M. Getting flat surfaces in turning // World Applied Sciences Journal. – 2014. – Т. 30. – № 10. – С. 1208–1213.