Лазерные сканирующие системы контроля геометрических параметров изделий массового производства

Актуальность темы

диссертации. Автоматизированный и автоматический контроль параметров изделий на всех стадиях современного производства давно и прочно занял главенствующее положение в секторе контрольно-измерительной техники. Основными факторами, сдерживающими еще большее его распространение, являются зачастую высокая стоимость требуемого оборудования, особенно высокоточного и работающего в сложных эксплуатационных условиях, недостаточная надежность и стабильность отдельных параметров и характеристик многих современных составляющих элементной базы контрольно-измерительных устройств, а иногда и ряд других факторов.

Среди методов и средств автоматического и автоматизированного контроля одно из первых мест занимают оптические методы и средства, которые широко используются для контроля и измерения самых различных свойств, параметров и характеристик изделий машиностроения и приборостроения: топографии, цвета, химического состава их поверхностейоднородности прозрачных изделийгеометрических размеров и формы изделийпространственного положения, скорости, ускорений, вибрации изделий и их отдельных частей и т. д.

Основными преимуществами оптических методов и средств являются, как известно, высокая скорость измерений, бесконтактность (дистанционность), высокое пространственное разрешение, разнообразие форм взаимодействия оптического излучения с изделиями (поглощение, отражение, дифракция, преломление, поляризация и др.), возможность вести многомерные измерения в реальном масштабе времени. Эти методы и средства обеспечивают большую достоверность информации о размерах и форме контролируемого изделия и взаимном расположении отдельных его элементов, нежели широко распространенные сегодня в робототехнике телевизионные датчики. Получаемые с их помощью сигналы гораздо меньше зависят от условий освещения, степени загрязненности наблюдаемых объектов, качества обработки или чистоты поверхностей этих объектов, чем это имеет место в телевизионных датчиках. Динамический диапазон этих сигналов, а следовательно, и контролируемых размеров и форм, также гораздо больше, чем в системах, где полезная информация извлекается из амплитуды сигнала (освещенности изображения). При этом проще организуется и вторичная обработка этих сигналов.

Высокое пространственное разрешение позволяет обеспечить при использовании оптических методов и средств принципиально более высокую точность, нежели при использовании радиоэлектронной (радиотехнической) аппаратуры. Однако при оценке возможностей оптических методов контроля и измерений приходится считаться с рядом факторов, снижающих эту точность. Например, при контроле малых линейных размеров к числу этих факторов относятся в первую очередь:

• возможные изменения геометро-оптической схемы измерений (расфокусировки, несоосности, децентрировки и т. п.);

• вредное влияние внешних условий (изменений температуры, вибрации и т. п.);

• неопределенность или трудность определения краев изделия, т. е. положения точек пограничных кривых, фиксирующих эти края;

• изменение параметров контролируемых изделий (размеров, материала, характера поверхности и т. п.);

• принципиально неустранимые или остаточные шумы отдельных звеньев измерительной аппаратуры, а также конструктивно-технологические (инструментальные) погрешности, снижающие разрешающую способность аппаратуры.

Влияние некоторых из этих факторов может быть ослаблено при многократных измерениях и соответствующей статистической обработке их результатов. Другие, например из-за вариаций профиля контролируемых изделий, статистической обработкой не устраняются.

Дальнейшее распространение оптических методов, а также средств контроля и измерений сталкивается с рядом трудностей общего и частного характера. Во-первых, отсутствует обобщенная методика расчета основных параметров этих средств контроля, необходимая для инженерного проектирования новых систем, т. е. для решения часто возникающих новых производственных задач. Во-вторых, наблюдаемая тенденция к повышению точности измерений геометрических параметров изделий массового производства требует определения рациональных путей борьбы с влиянием перечисленных выше факторов, снижающих эту точность. Это определение должно базироваться на тщательном анализе источников основных погрешностей контроля и измерений и исследовании разнообразных способов учета ослабления их влияния на результаты измерений.

Настоящая диссертация посвящена обобщению большого накопленного к настоящему времени опыта разработки и исследования оптических средств и методов контроля геометрических параметров изделий массового производства и созданию достаточно общих методов расчета и выбора основных параметров таких средств, обеспечивающих прежде всего высокую точность измерений. Учитывая большую перспективность лазерных сканирующих систем контроля, что более подробно будет рассмотрено ниже, основное внимание при проведении диссертационных исследований уделялось именно этим системам.

С учетом всего сказанного выше основной целью диссертации является разработка методов проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства, а также исследования этих систем для выявления наиболее рациональных путей повышения точности измерений. В рамках решения этой важной народнохозяйственной проблемы основными задачами диссертационных исследований являлись:

• выявление методов высокоточных измерений геометрических параметров изделий массового производства, наиболее рациональных для использования их в современной практике с учетом состояния существующей элементной базы;

• определение путей повышения точности измерений, учитывающих специфику лазерных сканирующих систем;

• разработка инженерных методик расчета основных конструктивных параметров важнейших узлов лазерных измерительных устройств — оптической системы и сканатора;

• создание обобщенной методики расчета и проектирования лазерных сканирующих систем, предназначенных для проведения указанных выше измерений;

• апробация этой методики в процессе разработки новых систем и их эксплуатации.

Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, полученные лично автором:

1. Получены аналитические зависимости, описывающие информационный сигнал на выходе первичного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, и позволяющие провести точностный анализ процесса измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий.

2. Впервые обращено внимание на существование одной из важнейших составляющих общей погрешности измерения размеров объемных изделий, зависящей от конфигурации и отражающих свойств поверхности изделия. Получены формулы для оценки этой составляющей. Предложен способ компенсации ее влияния на точность измерений.

3. Показано, что искажения энергетического профиля лазерного сканирующего пучка при выборе оптической схемы телецентрического сканирования и двойного дифференцирования как способа обработки информационного сигнала не сказываются на общей точности измерений.

4. Для исключения или ослабления влияния на точность измерений непостоянства скорости перемещения лазерного сканирующего пучка по измерительному пространству предложено оригинальное схемотехническое решение.

5. Предложено использовать взаимную компенсацию остаточной сферической аберрации объектива сканирующей системы и дефокусировки, вносимой сканатором, что заметно ослабляет влияние последней на точность измерений.

6. Получены формулы, позволяющие рассчитать один из важнейших исходных параметров для проектирования лазерной сканирующей системы — диаметр лазерного пучка в плоскости измерений.

7. Предложена методика расчета оптических однои двухкомпонентных оптических систем лазерных сканирующих устройств с использованием вариансов. Для трехкомпонентных систем сформулирована методика их габаритного расчета с использованием конфокального параметра.

8. Предложена методика расчета основных параметров вращающихся оптико-механических сканаторов — зеркал и призм.

9. Разработана обобщенная методика проектирования лазерных сканирующих систем контроля геометрических параметров изделий для проекционного (теневого) метода измерений.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана пригодная для проектирования широкого класса лазерных измерительных сканирующих систем инженерная методика расчета и выбора их основных звеньев, т. е. их важнейших конструктивных параметров.

2. Проведено сравнение различных оптических и оптико-электронных методов контроля геометрических параметров изделий с учетом специфики массового производства и современного состояния элементной базы.

3. Дана сравнительная характеристика разнообразных современных сканирующих устройств, позволяющая оценить их возможности с точки зрения использования их в лазерных сканирующих системах.

4. Получены аналитические и графические зависимости, пользуясь которыми можно оценить величину погрешности измерений размеров из-за влияния конфигурации и отражающих свойств поверхности объемных (не плоских) изделий. Предложен способ компенсации этой погрешности, позволяющий вести измерения геометрических параметров плоских и объемных изделий практически с одинаковой точностью.

5. По предложенной методике рассчитан объектив, позволяющий исключить влияние непостоянства скорости сканирования лазерным пучком измерительного пространства на общую погрешность измерений.

6. Предложен алгоритм обработки информационного сигнала, позволяющий исключить или заметно ослабить влияние непостоянства скорости сканирования и дефокусировки на точность измерений.

7. Получены формулы для расчета диаметра лазерного пучка в плоскости сканирования — основного исходного параметра для проектирования оптической системы лазерного сканирующего устройства. Разработана метод и устройство для экспериментального определения этого диаметра.

8. Предложены способы определения погрешности измерений, возникающей из-за несовпадения траектории сканирования с направлением, по которому измеряется размер контролируемого изделия.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется: проверкой предлагаемых методов и методик проектирования лазерных сканирующих систем при разработке ряда систем контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроениясравнением результатов аналитических расчетов точности измерений разработанных систем и результатов их экспериментальных исследованийсопоставлением результатов аналитических расчетов (по предложенным в диссертации методикам) точностных характеристик известных по литературе и техническим описаниям зарубежных систем аналогичного назначения и данных этих систем, содержащихся в указанных источникаххорошим совпадением результатов физического моделирования основных узлов лазерных сканирующих систем, работающих проекционным (теневым) методом, с результатами их машинного моделирования (на ЭВМ) по алгоритмам и формулам, предложенным в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах, среди которых:

Международный форум по проблемам науки, техники, образования (Москва, 1997 г.),.

Третья международная конференция «Распознавание-97» (Курск, 1997 г.),.

Юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления (Датчики-98)» (Гурзуф, 1998 г.),.

Всесоюзное совещание «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе» (Барнаул, 1981 г.),.

Межвузовская всесоюзная конференция «Измерения и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983 и 1984 гг.), а также публиковались в ряде научно-технических изданий (см. ниже).

Апробация основного научно-практического результата диссертационной работы, а именно, предложенной методики инженерного расчета и проектирования высокоточных лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий массового производства при разработке и внедрении в промышленность ряда лазерных сканирующих устройств, подтвердила ее рациональность и эффективность.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Из всего многообразия оптико-электронных методов контроля геометрических параметров изделий машиностроения и приборостроения для условий крупносерийного и массового производства в настоящее время наиболее предпочтительными являются проекционный (теневой) и триангуляционный методы.

2. Полученные зависимости, описывающие информационный сигнал на выходе первичного измерительного преобразователя лазерной сканирующей системы, работающей проекционным методом, позволяют оценить потенциальную точность измерений, производимых с помощью такой системы.

3. Результаты анализа отдельных составляющих общей погрешности измерений подтверждают целесообразность использования способа двойного дифференцирования информационного сигнала. При использовании оптической схемы с телецентрическим ходом лучей такая обработки сигнала исключает погрешность из-за дефокусировки, а также погрешность из-за искажения энергетического профиля сканирующего лазерного пучка.

4. Один из важнейших параметров, исходных для проектирования лазерных сканирующих систем для контроля геометрических параметров изделий, а именно, диаметр лазерного пучка в плоскости контролируемого размера может быть рассчитан из условий оптимального согласования параметров оптико-механического и электронного блока и заданной точности измерений по методике, предложенной в диссертации.

5. Методики габаритного расчета одно-, двухи трехкомпонентных оптических систем, формирующих лазерный сканирующий пучок, позволяют установить требования к основным элементам лазерных сканирующих систем — лазеру, телескопической или квазителескопической коллимирующей оптической системе, формирующей системе и сканирующему устройству.

6. Разработанная методика коррекции объектива устройства телецентрического сканирования позволяет рассчитать оптическую систему, в которой сферическая аберрация и дефокусировка, вносимая сканатором, взаимно компенсированы.

7. Предложенный способ компенсации вредного влияния отраженной от поверхности контролируемого изделия составляющей сканирующего лазерного пучка позволяет.