ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ФОТОАНАЛИЗА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ БИЕНИЯ ОПОРНЫХ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Потехин Дмитрий Витальевич

студент 1 курса, кафедра ВТО, ВПИ (филиал) ВолгГТУ, г. Волжский

E-mail: deletir@gmail.com

Санинский Владимир Андреевич

научный руководитель, канд. тех. наук, доцент, ВТО, ВПИ (филиал) ВолгГТУ, г. Волжский

Технология измерения размеров геометрических фигур под названием фотограмметрия может в корне изменить методологию контроля и измерений деталей машин после их механической обработки. Например, радиальное биение шеек валов раньше традиционно контролировали предельными калибрами-скобами и измеряли, например, с помощью стандартной индикаторной головки. Теперь можно контролировать и измерять, используя альтернативный метод: метод фотоанализа при помощи компьютерной техники. При этом, что особенно важно, для соблюдения технологической дисциплины, появилась возможность хранения и обработки данных на компьютере.

В ВПИ проводится апробация данного метода, который заключается в следующем: цилиндрическая деталь (коленчатый вал двигателя ВАЗ) была установлена в центра. При помощи цифрового фотоаппарата было получено 6 снимков цилиндрической шейки диаметром 50,795 h 6 мм (по чертежу изготовителя). Измерения осуществлялись с поворотом детали на 360º через 60º. Данные передавались на ЭВМ, анализировались с помощью программного обеспечения и в результате получили отклонение от формы.

Установка для исследования возможностей фотоанализа состояла из центров, исследуемого объекта (коленчатого вала), эталона по ГОСТ 9038-90 1 класса точности, цифрового фотоаппарата и компьютера со специальным программным обеспечением (рисунок 1).

Для определения точности измерения используются термины пиксель и светочувствительная матрица.

Пиксель — наименьший логический элемент двумерного цифрового изображения в растровой графике, а также физический элемент светочувствительной матрицы. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, характеризуемый определённым цветом. Соответственно, чем больше пикселей на единицу площади содержит изображение, тем более оно детально [3].

Светочувствительная матрица — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов. Она предназначена для преобразования спроецированного оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных и является основным элементом цифровых фотоаппаратов, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств [2].

Рисунок 1. Измерительная установка

На рисунке изображены: фотоаппарат, измеряемый объект (коленчатый вал), эталон (концевая мера длины)

В опытах используется цифровой фотоаппарат Canon 500D, который имеет размер светочувствительной матрицы 22,3х14,9 мм при разрешении 15.5 мегапикселов. Рассмотрим какие значения точности мы можем получить, используя данный аппарат. Условимся фотографировать заданный участок высотой h=100 мм. Ширину участка можно определить используя размеры матрицы:

Получаем, что на каждый миллиметр фотоснимка участка приходится примерно

пикселей, т. е. чуть больше одного пикселя на один микрометр. Если увеличить масштаб и фотографировать участок высотой h=50 мм и шириной соответственно

то на каждый миллиметр участка приходится уже

пикселей, т. е. более 4 пикселей на один микрометр, что значительно повышает точность измерения.

В процессе проведения опытов были получены снимки коренной шейки коленчатого вала и части концевой меры длины.

Рисунок 2. Пример получаемого снимка

Нами была предпринята попытка реализовать собственную программу по автоматизированному анализу данных снимков, однако возникла проблема в достаточно долгой обработке каждого снимка (более двух часов). Поэтому было решено использовать программную среду MathCad в связке с программным продуктом Microsoft Excel и проводить анализ снимков в ручном режиме.

Снимки загружались в MathCad, где они представлялись в виде целочисленной матрицы с числами в диапазоне от 0 до 255, где 0 — наиболее тёмный пиксель, 255 — наиболее светлый пиксель. Затем из всего снимка выделялись узкие участки снимка с целью отсечения лишних областей, не представляющих интереса для измерения.

Рисунок 3. Выделенная область снимка

После этого полученная матрица передавалась в программный продукт Microsoft Excel где числовое значение цвета каждого пикселя занимало отдельную ячейку. Уже в таком виде различимы контуры детали и эталона.

Для более удобного анализа производили выделение областей матрицы различными цветами на следующие категории:

1.  цвет пикселя лежит в интервале 0 50

2.  цвет пикселя лежит в интервале 50 200

3.  цвет пикселя лежит в интервале 200 255

Таким образом, удалось разграничить тёмные участки снимка. Однозначно принадлежавшие объекту исследования и эталону, светлые участки снимка, однозначные принадлежащие фону, а так же переходные границы на объекте, которые образовывались вследствие отражения света фона.

На следующем этапе, высчитывалось количество пикселей между плоскостью эталона и точками на поверхности шейки в трёх сечениях: у левой границы шейки, посередине и у правой границы. От этих трёх значений бралось среднее арифметическое.

Проанализировав все полученные снимки одной шейки, находим максимальное и минимальное значение. Их разница и будет представлять собой величину радиального биения. Но на этом этапе данная величина представлена в пикселях.

Для перевода значения в пикселях в миллиметры необходимо вычислить тарировочный коэффициент. Зная толщину используемого эталона b= и посчитав, какое количество пикселей занимает эталон на снимке, определяем, сколько миллиметров приходится на один пиксель, используя формулу:

В конечном итоге, перемножая полученную величину биения в пикселях и таррировочный коэффициент получаем искомую величину радиального биения.

В процессе проведения опытов была выявлена зависимость получаемых значений от фокусного расстояния и расстояния между матрицей фотоаппарата и измеряемым объектом.

Так, при съёмке с максимальным оптическим приближением образуется дополнительная бочкообразность изображения — дисторсия. Для борьбы с этим явлением следует отказаться от использования оптического приближения или использовать особые асферические линзы, которые не искривляют изображение.

Таблица 1.

Результаты исследования

Результаты эксперимента подтверждают возможность измерения геометрической формы деталей машин фотографиями в проходящем свете с точностью, которая характеризуется 1 микрометр на пиксель. Точность измерения может изменяться вплоть до 4 пикселей на один микрометр, при изменении расстояния до фотографируемого объекта. Время обработки измеренных размеров не превышало 20 минут.

Измерения удобно осуществлять в лабораторных и производственных условиях при анализе погрешностей соосных поверхностей до 6-го квалитета точности. При этом, что особенно важно, для соблюдения технологической дисциплины, появилась возможность хранения и обработки данных на компьютере.

Список литературы:

1.Лобанов А.Н. Фотограмметрия. // М.: Недра, 1984. — 551 с.

2.Матрица (фото) // Википедия: свободная энциклопедия. URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица_(фото) (дата обращения 18.06.2012 г.)

3.Пиксель // Википедия: свободная энциклопедия. URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/Пиксель (дата обращения 18.06.2012 г.)