Разработка и исследование лазерных триангуляционных приборов для промышленного размерного контроля

• Автор: Плотников, Сергей Васильевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 89 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Анализ основных составляющих погрешности
триангуляционных измерений
1.1 Модель триангуляционной измерительной системы
1.2 Основные составляющие погрешности и методы их измерения
1.3 Анализ влияния различных составляющих погрешности
1.4 Выводы к главе
Глава 2. Поиск оптимальных методов обработки сигнала
2.1 Исследование методов обработки сигнала путем
численного моделирования
2.2 Экспериментальное сравнение методов обработки
2.3 Обсуждение результатов
2.4 Выводы к главе
Глава 3. Снижение пространственной случайной погрешности
путем оптимизации ширины зондирующего пучка
3.1 Механизмы влияния ширины пучка на погрешность измерения
3.2 Цель и методика экспериментального исследования
3.3 Экспериментальные зависимости погрешности измерения
от ширины зондирующего пучка
3.4 Выводы к главе
Глава 4. Повышение точности измерений путем использования
зондирующего пучка со структурированным освещением
4.1 Суть предлагаемого способа
4.2 Проверка эффективности предложенного способа численным моделированием
4.3 Экспериментальная проверка
4.4 Выводы к главе
Глава 5. Использование триангуляционного метода для создания
систем промышленного размерного контроля
5.1 Измеритель внутреннего диаметра
5.2 Лазерный цифровой измеритель расстояний
5.3 Устройство бесконтактного контроля биений колес
5.4 Измеритель толщины ленты
5.5 Измеритель биений валов гидроагрегатов ГЭС
5.6 Выводы к главе
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Приложения

Введение
Современное промышленное производство на пороге XXI века - это гибкое и, в значительной степени, автоматизированное производство. Высокая степень автоматизации производства необходима для снижения стоимости производимых изделий, а гибкость обеспечивает быструю реакцию на изменение рыночной конъюнктуры и позволяет расширять и видоизменять ассортимент выпускаемой продукции. Очевидно, что успех этой продукции на рынке в первую очередь будет определяться соотношением между ценой и качеством. В свою очередь, системы обеспечения качества, особенно в условиях гибкого автоматизированного производства, должны предусматривать непрерывный контроль как параметров технологического производственного процесса (например, корректность настроек автоматических линий при поточном производстве), так и параметров готовой продукции.
Значительную долю среди операций промышленного контроля занимает контроль геометрических параметров (размерный контроль). Особенно велика эта доля в отраслях промышленности, связанных с металлообработкой - в первую очередь, в машиностроении, автомобильной, авиационной и атомной промышленности. Основными требованиями к системам и средствам контроля при этом являются высокие точность и быстродействие, а также надежность, гибкость и совместимость с системами управления технологическим оборудованием.
Существующий в настоящее время в данных отраслях парк контрольноизмерительных средств и систем не отвечает указанным выше требованиям. Основными средствами размерного контроля до сих пор остаются пробки, шаблоны, скобы и другие подобные средства. Осуществляемый такими средствами контроль субъективен, непроизводителен и, поскольку является по сути допусковым, непригоден для оперативной коррекции технологического процесса. Системы размерного контроля на основе контактных датчиков также реализуют преимущественно допусковый контроль и требуют значительных затрат времени на обслуживание и настройку вследствие износа мерительного инструмента.
Указанные выше жесткие и зачастую противоречивые требования в наибольшей степени удовлетворяются средствами и системами бесконтактного размерного контроля [1]. Такие системы могут быть реализованы, например, на базе индуктивных [2] или пневматических [3] датчиков. Однако системы на основе индуктивных датчиков имеют узкую область применения, поскольку весьма чувствительны к материалу контролируемого изделия, а системы на основе пневматических датчиков, как правило,
имеют очень узкие (менее 1 мм) диапазоны измерения. От этих недостатков свободны средства и системы, построенные на базе оптико-электронных методов контроля [4], чем и объясняется их значительная доля среди бесконтактных систем размерного контроля.
В настоящее время основную часть таких оптико-электронных средств промышленного размерного контроля составляют системы на основе интерференционного метода, метода теневой проекции, триангуляционного и дифракционного методов [5].
Среди интерференционных систем контроля преобладают системы на базе интерферометра Майкельсона [6-8], использующие интерференцию двух когерентных лазерных пучков, один из которых является опорным, а второй содержит информацию об изменении оптической длины пуги до отражателя, установленного на контролируемый объект. Подобные системы обеспечивают наиболее точные измерения (погрешность 0.01 мкм и менее), однако практически не пригодны для прямых измерений параметров объекта, поскольку требуют наличия специальных отражателей, закрепленных на измеряемом объекте. Наиболее широкое применение такие интерференционные системы находят при контроле перемещений прецизионных столов различных станков и механизмов.
Интерференционные системы гетеродинного типа [9] позволяют измерять с высокой точностью расстояния непосредственно до поверхности объекта. Недостатком подобных систем является их высокая сложность, и, как следствие, высокая стоимость.
Метод теневой проекции (или теневой метод) [10] основан на построении и регистрации теневой проекции контролируемой области объекта и последующем расчете геометрических параметров объекта по проекции. Теневой метод широко используется для контроля диаметров проволоки и труб, геометрических параметров изделий типа тел вращения, толщины эластичных материалов и т.д.. Как правило, погрешность измерения при этом составляет от 1 до 10 мкм. Основным недостатком теневого метода, существенно ограничивающим сферу его применения, является невозможность контроля объектов, геометрические параметры которых не передаются теневой проекцией (например, сложнопрофильные корпусные изделия).
Определение размеров объекта дифракционным методом контроля [11,12] основано на использовании для целей измерения дифракционной картины Фраунгофера, создаваемой объектом при его освещении когерентным источником. Системы контроля на основе дифракционного метода близки по сфере применения к теневым системам контроля, как правило, обеспечивая при этом большую точность контроля. Однако, такие системы имеют относительно узкий диапазон контролируемых размеров (верхний

образца. Такое различие объясняется тем, что в триангуляционных системах контролируемая поверхность является частью оптической схемы, формирующей сигнал. Поэтому микроструктура и ориентация (для анизотропной) поверхности во многом определяют величину искажений исходного сигнала.
Рис. 2.9 Среднеквадратическое отклонение и среднее значение координаты распределения при различных уровнях пороговой обработки.
Изотропный эталон шероховатости:
./ — медианный метод, 2 — метод центра тяжести.
На рис. 2.7, Ь — 2.9, Ь нетрудно видеть значительную зависимость среднего значения <х> координаты центра распределения сигнала от величины порога р. Так, для образца шлифованной поверхности (см. рис. 2.7, Ъ) изменение значения порога р в диапазоне от 30 до 80 % максимального значения сигнала приводит к изменению <х> более чем на шаг фотодиодной линейки. Эта зависимость обусловлена наличием в сигнале постоянной составляющей и несимметричностью его формы. При работе реальной системы уровень освещенности и величина постоянной составляющей могут изменяться, что может явиться источником дополнительной погрешности. Для уменьшения величины такой погрешности целесообразно значение порога р рассчитывать исходя из текущего уровня постоянной составляющей сигнала, т. е. вводить динамический уровень пороговой обработки.
Заметим также, что при медианном методе обработки зависимость <х> от величины порога р меньше, чем при обработке методом центра тяжести. Наиболее ярко это видно на рис. 2.9, Ь, где изменение значения порога р в диапазоне от 0 до 28 % максимального значения сигнала приводит к изменению значений <х> на 0,1 и 0,45 шага для медианного метода и метода центра тяжести соответственно.