Построение компьютеризированных измерительных информационных систем на базе контактных интерферометров для контроля линейных размеров прецизионных изделий

Изготовление высокотехнологичной продукции требует ужесточения допусков на размер, что обуславливает постоянное совершенствование эталонных средств измерений. Количество приборов и выполняемых с их помощью измерений в развитых странах характеризуется огромной цифройсотни миллионов. Однако весь массив измерительной информации, получаемый в результате измерений, становится значим и полезен только при обязательном условии обеспечения их единства и требуемой точности не зависимо от места, времени и условий их проведения.

Плоскопараллельные концевые меры длины (КМД), в частности 3 и 4-го разрядов, являются рабочими эталонами для передачи размера от эталона единицы длины до рабочих средств измерений, а также контроля размеров изделий в машиностроении. С помощью КМД производятся установка и градуировка измерительных приборов и инструментов, а также непосредственное измерение и разметка изделий, наладка станков и приспособлений и т. д. Таким образом, КМД являются наиболее важным элементом метрологического обеспечения предприятий.

Как известно [47], в международной системе физических единиц СИ одна из основных единиц — единица длины, воспроизводимая через длину световой волны.

В соответствии с Государственной поверочной схемой [35] для передачи размера единицы длины от рабочих эталонов высших разрядов к низшим используются интерференционные измерения. Интерференционные приборы являются наиболее естественными средствами измерений, так как основаны на передаче размера единицы длины через длину световой волны. Таким образом, чем больше уровней поверочной схемы они охватывают, тем гармоничнее сама схема.

Интерферометры являются приборами высшей точности на предприятиях нашей страны. В течение нескольких десятилетий интерференционные приборы используются для визуального наблюдения интерференционных картин в задачах измерений линейных величин. Процесс измерения заключается в извлечении необходимой информации из полученного изображения с последующей ее обработкой.

В нашей стране существует огромное количество стандартизованных средств измерений, которые содержат прекрасную механическую или оптико-механическую часть, при работе на которых накоплен большой методический опыт отечественных метрологов. Но в тоже время эти измерительные приборы морально устарели, так как не имеют средств автоматизации процесса измерений и обработки результатов измерений. Длительная работа на приборах с визуальным отсчетом показаний вызывает высокую утомляемость и существенное ухудшение зрения оператора. В связи с этим на многих предприятиях происходит отказ от использования этих средств измерений и замена их приборами на базе датчиков и линеек (индуктивных, топографических и т. п.), что снижает точность поверки КМД и уводит систему обеспечения единства измерений длины от естественного эталона — длины волны света.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей является автоматизация действующего парка измерительных приборов. На кафедре измерительных информационных систем и технологий (ИИСиТ) ГОУ МГТУ «СТАНКИН» под руководством проф., д.т.н. Телешевского В. И. разрабатывается новая концепция модернизации средств линейно-угловых измерений и контроля — интеллектуальный компьютерный ретрофиттинг (retrofitting) средств измерений [57]. Суть этой концепции сводится к тому, что существующее измерительное оборудование оснащается системами автоматизации и интеллектуализации процесса измерений с компьютерной обработкой результатов измерений без нарушения технических условий на средство измерения и стандартизованных методик их эксплуатации.

Кроме того, пользователю необходимо получать не только числовую информацию об отклонении измеряемого размера от эталонного, но и определять характеристики КМД (отклонение от плоскопараллельности, от срединной и номинальной длины) с последующим присвоением класса точности. Это вызывает необходимость проведения большого количества измерений и, как следствие, значительные объемы математической обработки. При этом велико влияние оператора на качество и точность поверки, что требует наличия высококлассных специалистов. Поэтому встает вопрос о необходимости автоматизации процесса обработки и выдачи результатов измерений.

Каждые 10 лет точность деталей для высоких технологий повышается в 1,5−1,6 раза (на 1 квалитет), в связи с чем, идет тенденция к повышению разрядности предприятий. Для этого необходимо повысить точность используемых эталонных средств измерений, а значит и средств их поверки. Использование методов и алгоритмов компьютерной обработки интерференционных изображений позволяет существенно повысить точность обработки интерференционных сигналов, а значит уменьшить погрешность получаемых результатов измерений.

В силу указанных причин, актуальной является задача снижения погрешности измерения, повышения производительности и автоматизации измерительных процессов, улучшения условий труда операторов на основе цифровой обработки интерференционных изображений.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Анализ существующих методов и средств цифровой обработки интерференционных изображений.

2,.

3.

4.

5.

6.

7,.

8,.

1,.

2, 3 4 1.

Математическое моделирование формирования интерференционного изображения в оптико-электронной измерительной системе на основе ПЗС-матрицы.

Исследование эффективности использования ПЗС-матрицы для регистрации интерференционного изображения в контактных интерферометрах.

Разработка алгоритмов обработки интерферограммы. Разработка алгоритма определения центра интерференционной полосы. Исследование эффективности алгоритма определения центра полосы. Разработка структуры информационно-измерительной системы (ИИС) на базе контактных интерферометров и ее реализация на примере интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов. Экспериментальное определение погрешности измерения ИИС.

Научная новизна работы заключается в следующем: Выявлена целесообразность использования ПЗС-матрицы в качестве управляемой электронной шкалы высокого разрешения, пространственный период которой аттестуется в длинах световой волны. Определен способ интерполяции цифрового интерференционного сигнала и выявлен алгоритм ее реализации.

Разработан новый поисковый алгоритм определения центра интерференционной полосы, существенно повышающий разрешающую способность и снижающий погрешность измерения интерферометра. Определена структура ИИС на базе контактных интерферометров, основанной на цифровой обработке интерференционных изображений.

Практическая ценность работы обусловлена следующим: Разработанный алгоритм определения центра интерференционной полосы позволил повысить разрешающую способность до 0,001 мкм (1 нм), уменьшить вариацию показаний до 0,002 мкм и абсолютную погрешность измерения до 0,03 мкм на всем диапазоне показаний.

2. Разработанная ИИС на базе контактного интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов позволила повысить производительность процесса поверки не менее, чем в 3−4 раза при сохранении стандартизованной методики поверки КМД и технических условий на прибор.

3. Результаты работы открывают перспективы повышения разрядности поверяемых на интерферометрах КМД до уровня 2-го разряда.

На защиту диссертации выносятся следующие положения:

1. Использование ПЗС-матрицы в измерительных приборах позволяет применять ее в качестве управляемой электронной шкалы высокого разрешения, пространственный период которой аттестуется в длинах световой волны, с дискретностью отсчета 1 элемент (пиксель).

2. Использование оптико-электронной системы на базе ПЗС-матрицы для цифровой обработки интерференционных изображений не вносит значительной погрешности в результаты измерений (относительная погрешность — порядка 0,01 шага полос).

3. Использование поискового алгоритма определения центра интерференционной полосы с параболической интерполяцией увеличивает точность определения ее центра по сравнению с визуальным до 30 раз.

4. Разработанная архитектура и программно-математическое обеспечение ИИС позволяют повысить разрешающую способность интерферометров в 100 раз при уменьшении вариации показаний до 10 раз и абсолютной погрешности измерения — в 1,5−2 раза.

5. Созданная в работе компьютеризированная ИИС на базе контактного интерферометра ИКПВ для поверки КМД 3 и 4-го разрядов обеспечивает полную автоматизацию процесса поверки при сохранении стандартизованной методики поверки КМД, технических условий и порядка работы с прибором.

7. Результаты работы по построению измерительных информационных систем на базе контактных интерферометров открывают перспективы повышения разрядности поверяемых на них КМД до уровня 2-го разряда и расширения функциональных возможностей приборов для контроля геометрических параметров разнообразных прецизионных деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.