ПОГРЕШНОСТИ В ИЗМЕРЕНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ПРОЕКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

ERRORS IN THE MEASUREMENTS USING AN OPTICAL PROJECTION DEVICES

Evgeny Zhukov

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

Russia, Belgorod

Anna Ponomaryova

Student of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G.Shukhov

Russia, Belgorod

Maxim Vagner

Candidate of Technical Sciences, Head of the Technical Bureau of ESPC “Oskol Electrometallurgical Plant” JSC

Russia, Belgorod

Работа выполнена в рамках гранта Проект ПСР.

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы управления погрешности в измерениях с использованием оптических проекционных способов контроля. Рассматриваются различные методы проекционного контроля, дается их сравнительных анализ и оценка преемственности получаемых результатов. Проведен анализ погрешностей измерительной системы при различных длинах волн светового потока и даны рекомендации по применению в различных областях машиностроения.

ABSTRACT

In article considers questions of management of errors in the measurements using optical projection methods of control. Consider the various projection methods of control, gives them a comparative analysis and evaluation of the continuity of the results obtained. The analysis of the measuring errors of the system at different wavelengths of the light flux and recommendations for application in different fields of engineering.

Ключевые слова бесконтактный контроль; погрешность; оптические устройства; точность измерения; ПЗС-матрица.

Keywords: contactless control; error; optical devices; measurement accuracy; CCD array.

Бесконтактные способы контроля, применяемые в машиностроительных производствах [3, 4, 8, 13] обладают несомненным преимуществом – высокой относительной скоростью контроля данных о профиле контролируемой поверхности.

На кафедре БГТУ им. Шухова [5, 6, 10] разработаны как сами приборы бесконтактного контроля поверхностей, в том числе и крупногабаритных объектов, так и теоретические основы бесконтактных способов контроля.

На основании работ различных авторов, можно предположить, что наибольшей эффективностью обладают проекционные способы контроля, как чисто проекционные, так и проекционные оптические [9, 6]. В основе этих способов лежит метод анализа проекции профилей избранного объекта, реализуемый с помощью специального аппаратного и программного обеспечения. К аппаратному обеспечению относят специальные устройства для ввода изображения (данных о нём) в вычислительное устройство. Таким устройством является ПЗС-матрица. При анализе проекции учитывается, является ли оно просто фронтальной картинкой как рассмотрено в работе [11], или же проекция профиля объекта в продольном или поперечном сечениях. Оба варианта представлены на рис.1.

Следует отметить, что рисунок 1 (в) является модификацией рисунка 1 (б), следовательно, и при отраженном световом потоке возможно наличие оптической системы. Варианты проекционного метода, объединившие опыт применения таких устройств, подробно рассмотрены в работе [2], но существует значительно меньше публикаций в настоящее время об использовании оптических систем в особых устройствах.

На светорассеивающий экран рисунок 1 (а) направлен световой поток от источника света. Источником света предпочтительно является источник монохромного излучения с постоянной длинной волны. Перед светорассеивающим экраном находится объект. Экран рассеивает и отражает пучки света и попадает на поверхность ПЗС-матрицы, связанную с электрическим блоком, который выполняет обработку информации об объекте [2].

Прежде чем выносить анализ погрешностей, вносимых оптической системой, примем условие, использующееся в работе [7], что размер объекта, вычисляемой системой складывается из размеров пикселей, входящих в его проекцию. Следовательно, первой погрешностью является минимальная величина элемента вычисления линейного размера пикселя.

В связи с тем, что на границе вначале или в конце измеряемого отрезка погрешность равная половине пикселя, таким образом, с учетом размера пикселя погрешность будет составлять – 1 пиксель, т.е. присутствует погрешность при засветке менее половины пикселя [12].

Рисунок 1. Схема ввода графической информации об объекте:

а) отраженный световой поток; б) прямая проекция; в) оптическая проекция

Оптические проекционные системы используются для определения размеров объектов, величина которых либо превышают размеры ПЗС-матрицы, либо значительно меньше ее, но в любом случае – это будет искажённое изображение, при этом величина искажения чтения размера пикселя будет соответственно влиять на величину погрешности измерения. Например, если размеры объектов превышают размеры ПЗС-матрицы в -раз, то погрешность увеличивается в -раз. При увеличении объекта, т.е. в том случае, когда он значительно меньше размеров матрицы погрешность уже будет относиться к погрешность его изображения, т.е. принимает условие того, что изображение, формируемое на поверхности ПЗС-матрицы, имеет погрешности обычного светового микроскопа, т.е. разрешение при этом равно половине длинны волны видимого спектра излучения, например, для фиолетового цвета это составляет примерно 80 нм, т.е. это предел «распознаваемого» оптической системой объекта. В машиностроении измерения с такими погрешностями встречаются крайне редко. Но следует учитывать, что именно эта величина является минимальной абсолютной погрешностью. Следовательно, следует смещаться в другой оптический диапазон измерений, например ультрафиолетовый, в этом случае при измерении микрообъектов абсолютная погрешность будет значительно меньше. Это экспериментальный спектр ультрафиолетового измерения, препятствием для которого является уже просто воздух, т.е. позволяющий проводить измерения только в вакууме, что и является препятствием для использования ультрафиолетового диапазона в условиях действующего предприятия.

Выход, по мнению авторов, из ситуации, когда оптика вносит искажения изображения объекта в использование других методов контроля проекции изображения, например, камеры-обскуры [1]. Второй путь – создание ПЗС-матрицы, имеющих значительную площадь при минимальном возможном размере пикселя, менее 1 мкм.

Список литературы:

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Том 3. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика (3-е издание). // М.: Высшая школа, 1979.
2. Жуков Е.М., Алдушина М.А., Минаев А.И. Бесконтактный проекционный контроль геометрических параметров изделий и его реализация. // Технические науки - от теории к практике. 2016. № 58-1. С. 121-127.
3. Жуков Е.М., Алдушина М.А. О реализации возможности автоматизированного проекционного контроля широкоразмерных деталей. // Технические науки - от теории к практике. 2016. № 9 (57). С. 49-54.
4. Жуков Е.М., Блудов А.Н. Автоматизированное определение величины припуска наплавленного железнодорожного колеса. // Информационные системы и технологии. 2014. № 5 (85). С. 74-80.
5. Жуков Е.М., Никольская В.Е., Зуенко Д.В. Верификация положения оси проекционного измерительного прибора. // Инновации в науке. 2016. № 57-2. С. 105-110.
6. Маслова И.В., Лозовая С.Ю., Чепчуров М.С. Дистанционная диагностика состояния опорных деталей сушильных барабанов// Вестник Тамбовского государственного университета.2013.Т.19 №3. С.653-658.
7. 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 тахнологического университета В.Г.Шухова. 2016.№1. С90-93.
8. Чепчуров М.С., Афанаскова Ю.А. Бесконтактный способ контроля шероховатости поверхности деталей.Технология машиностроения. // 2009. №11.С.17-18.
9. Чепчуров М.С., Жуков Е.М., Блудов А.Н. Способы проекционной оценки геометрии объектов в машиностроении и их реализация. // Монография – Белгород: изд-во БГТУ, 2015. –152 с.
10. Чепчуров М.С., Жуков Е.М., Блудов А.Н.. Устройство оперативной бесконтактной диагностики отклонения профиля колеса железнодорожного // МЕХАНИКИ XXI ВЕКУ, - Братский государственный университет. Братск:, 2014. - №13. - С. 139-144.
11. Чепчуров М.С., Четвериков Б.С. Позиционирование изделия в процессе автоматизированного бесконтактного контроля формы его поверхности качения. // Вестник Белгородского государственного университета им.В.Г. Шухова. 2016.№2. С.99-103.
12. Четвериков Б.С., Табекина Н.А..  Методы оценки отклонения от круглости канавки  катания лапы шарошечного долота.//. Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2015. №3.С.25-31
13. 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.