Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ классификация современных оптических и оптико-электронных методов и средств контроля положения рабочих инструментов станков с ЧПУ
1.1 Классификация оптических и оптико-электронных методов и средств контроля положения рабочих инструментов станков с ЧПУ 14
1.2 Принципы действия преобразователей для контроля положения рабочих инструментов станков с ЧПУ 15
1.2.1 Принцип действия лазерных преобразователей перемещений 15
1.2.2 Принцип действия фотоэлектрических преобразователей 17
1.2.3 Принцип действия преобразователей на основе многоэлементных полупроводниковых преобразователей 20
1.2.4 Особенности структур комбинированных преобразователей 22
1.3 Особенности построения и обработки информации в оптико-электронных преобразователях перемещений, основанных на отражающих шкалах 23
1.3.1 Описание принципа сканирования отражающей шкалы 23
1.3.2 Реализация принципа последовательного счета при работе в отраженных пучках лучей 25
1.4 Основные параметры и характеристики ОЭПЛП 30
1.5 Выводы по обзору и постановка задач исследований 33
2 Теоретические исследования принципов и особенностей построения оптико-электронных преобразователей линейных перемещений на основе меры штриховой 35
2.1 Обобщенная структурная схема построения ПЛПШМ 35
2.2 Модель формирования оптического сигнала от РМ
2.2.1 Моделирование освещения РМ 41
2.2.2 Модель формирование оптического сигнала от РМ 43
2.2.3 Особенности преобразования оптического сигнала от РМ в цифровое изображение 46
2.2.4 Модель приемника излучения и электронного тракта 47
2.2.5 Модель смаза изображения при движении СС 48
2.2.6 Преобразование информации в ПЛПШМ 51
2.3 Особенности построения алгоритмов обработки изображений штрихов РМ
2.3.1 Предварительная обработка цифровых изображений штрихов РМ 52
2.3.2 Анализ процесса обнаружения изображения штриха РМ 53
2.3.3 Определение координат штриха 58
2.4 Компьютерная модель синтезирования цифровых изображений обобщенной структуры ПЛПШМ 61
2.4.1 Описание модели ПЛПШМ 61
2.4.2 Результаты моделирования 64
2.5 Выводы по главе 66
3 Исследования и анализ влияния параметров элементов и влияющих факторов на работу ПЛПШМ 68
3.1 Методики выбора и расчетов параметров элементов ПЛПШМ 70
3.1.1 Методика выбора основных параметров оптической системы считывающей системы 70
3.2 Выбор источника излучения ПЛПШМ 71
3.3 Методика обеспечения быстродействия ПЛПШМ
3.3.1 Оценка времени начала сбора и передача информации в КТО 73
3.3.2 Оценка времени начала сбора информации в КГО 74
3.3.3 Стратегия сбора информации от ГКО и КТО 74
3.4 Результаты имитационного моделирования влияния элементов и влияющих факторов на работу ПЛПШМ 77
3.4.1 Сравнение алгоритмов поиска центра изображения штриха на РМ сгенерированной компьютерной моделью 77
3.4.2 Сравнение алгоритмов обнаружения изображениях штриха на РМ сгенерированной компьютерной моделью 80
3.4.3 Статическая характеристика ПЛПШМ при нормальных условиях эксплуатации 82
3.4.4 Моделирование пыли на первой поверхности объектива 83
3.4.5 Моделирование клиновидности защитного стекла 86
3.4.6 Моделирование царапин на защитном стекле 87
3.5 Экспериментальные исследования характеристик макетов элементов ПЛПШМ на стенде Университета ИТМО 88
3.5.1 Структурная схема испытательного стенда 89
3.5.2 Описание макета канала точного отсчета ПЛПШМ 91
3.5.3 Описание макета канала грубого отсчета 94
3.5.4 Канал контроля перемещений измерительного стенда 95
3.6 Экспериментальное исследование параметров и характеристик макетов СС ПЛПШМ на основе матричного ПОИ 96
3.7 Методы калибровки внешних и внутренних параметров ПЛПШМ 99
3.7.1 Калибровка канала точного отсчета 99
3.7.2 Калибровка канала грубого отсчета 102
3.8 Выводы по главе 104
4 Экспериментальные исследования элементов и экспериментальных образцов ПЛПШМ 106
4.1 Описание экспериментального образца ПЛПШМ 106
4.2 Конструкция составных частей экспериментального образца ПЛПШМ
4.2.1 Считывающая система 109
4.2.2 Оптический модуль считывающей системы ПЛПШМ 111
4.2.3 Рабочая мера экспериментального образца ПЛПШМ
4.3 Архитектура программного обеспечения ПЛПШМ 113
4.4 Испытания экспериментального образца ПЛПШМ 115
4.4.1 Описание стенда для исследования характеристик экспериментального образца ПЛПШМ 115
4.4.2 Исследование параметров и характеристик ПЛПШМ 118
4.5 Приемочные испытания опытного образца ПЛПШМ модели Л-2040 121
4.6 Выводы по главе 124
Заключение 126
Список использованных источников 130
Приложение а
- Принцип действия преобразователей на основе многоэлементных полупроводниковых преобразователей
- Особенности преобразования оптического сигнала от РМ в цифровое изображение
- Выбор источника излучения ПЛПШМ
- Рабочая мера экспериментального образца ПЛПШМ
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Одной из главных задач машиностроения является реконструкция и опережающий рост таких отраслей, как станкостроение, приборостроение, электротехническая и электронная промышленность, производство вычислительной техники, что позволит России набрать темпы для достижения уровня одной из ведущих мировых экономик.
Для обеспечения опережающего роста машиностроения необходимо освоить производство новых высокоточных металлообрабатывающих комплексов и оборудования. Современное металлообрабатывающее оборудование характеризуется наличием программно-аппаратного комплекса числового программного управления (ЧПУ). При этом погрешность обработки деталей на сегодняшний день составляет 5-10 мкм при перемещениях в диапазоне порядка 1-2 метров. Указанная погрешность преимущественно определяется погрешностью позиционирования рабочего инструмента этого комплекса, которая в ряде случаев обеспечивается оптико-электронными преобразователями перемещений, как российского, так и зарубежного производства. Обеспечение высокой точности таких преобразователей при сохранении уровня надежности систем, их работоспособности при высоких скоростях обработки деталей (перемещение рабочего органа осуществляется со скоростями до 30 м/с), позволяет увеличить в целом экономическую эффективность производства.
Поэтому разработка более совершенных преобразователей линейных перемещений исполнительных механизмов промышленных станков является крайне важной задачей и обуславливает актуальность разработки и проведения необходимых прикладных исследований для создания преобразователя субмикронной точности (с погрешностью порядка микрометра и менее) и высоким быстродействием.
На сегодняшний день самыми высокими точностными характеристиками обладают лазерные преобразователи, однако при наличии возмущений в воздушном тракте (такие возмущения возникают в реальных цеховых условиях эксплуатации при быстром движении рабочего инструмента или при наличии вблизи тракта человека) погрешность возрастает до нескольких десятков и сотен микрометров. Кроме того, интерферометрические системы работают только в инкре-ментном режиме. Инкрементные преобразователи осуществляют счет пройденных меток на шкале, либо пиков интенсивности в оптическом сигнале. При этом счет осуществляется с момента включения или принудительного сброса. Работа преобразователя в таком режиме влечет за собой необходимость калибровки преобразователя после каждого включения. Для повышения эффективности производства преобразователь должен работать в абсолютном режиме. Преобразователь с абсолютным режимом работы формирует сигнал, соответствующий каждому положению объекта и позволяет определять смещение рабочего инструмента даже в случае исчезновения и восстановления питания и не требует возвращения объекта в начальное положение.
Наличие выпускаемых промышленностью рабочих штриховых мер (РМ), основанных на материале из инварстабиля, высокоэффективных источников оптического излучения и матричных приемников оптического излучения (МПОИ), современных алгоритмов обработки цифровой информации создают предпосылки для создания оптико-электронных преобразователей субмикронной точности с высоким быстродействием.
Указанные обстоятельства определяют актуальность и важность темы диссертации, посвященной исследованию принципов построения и разработке субмикронного оптико-электронного преобразователя линейных перемещений на основе штриховой меры для диапазонов перемещений рабочих органов станков порядка нескольких метров, способных работать при скоростях перемещений порядка 5 м/с.
Целью работы является исследование особенностей построения, разработка и реализация субмикронных оптико-электронных преобразователей линейных перемещений на основе линейной штриховой меры для контроля положения рабочего инструмента станка с ЧПУ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ и классификацию существующих методов бесконтактного контроля перемещений, выполнить критический анализ возможности применения оптико-электронных преобразователей перемещений для контроля положения рабочего инструмента станка с ЧПУ.
2.Разработать математическую модель ПЛПШМ, учитывающую параметры его основных элементов.
3.Разработать и провести исследования имитационной компьютерной модели ПЛПШМ, учитывающей влияние основных факторов, возникающих при реальной эксплуатации ПЛПШМ, в том числе влияние скорости и ускорения перемещения рабочего инструмента станка с ЧПУ.
4.Разработать, реализовать и исследовать алгоритмы обработки изображения, позволяющие определять положение изображения штриха РМ на МПОИ.
5.Разработать и реализовать макеты модулей ПЛПШМ для исследования их параметров и характеристик.
6.Разработать стенд для исследования макета ПЛПШМ.
7.Разработать методику калибровки ПЛПШМ с целью исключения возможных систематических погрешностей РМ.
8.Разработать стенд для исследования экспериментального образца ПЛПШМ.
9.Разработать и изготовить экспериментальный образец ПЛПШМ, и провести его исследования и испытания.
Научная новизна работы
1.Разработана математическая модель ПЛПШМ, учитывающая параметры основных элементов ПЛПШМ, и влияние основных факторов, возникающих при реальной эксплуатации ПЛПШМ, в том числе влияние скорости и ускорения перемещения рабочего инструмента станка с ЧПУ.
2.Разработана методика калибровки ПЛПШМ, позволяющая устранить влияние погрешности нанесения штрихов на РМ на погрешность ПЛПШМ.
3.Разработан алгоритм обнаружения изображения штриха на одномерном представлении изображения РМ на основе параллельной комбинации линейных пороговых устройств и анализа очередности их срабатывания.
4.Выбран алгоритм взвешенного суммирования для оценки координат штриха РМ на одномерном представлении изображения, полученного от МПОИ на основе критерия минимизации среднего квадратического отклонения его погрешности и времени обработки изображения, позволяющий добиться субмикронной погрешности в поле оптической системы считывающей системы.
Теоретическая и практическая значимость
1.Применение разработанной математической и компьютерной моделей ПЛПШМ, позволяет установить взаимосвязь между оптическими свойствами различных элементов ПЛПШМ и вкладами отдельных составляющих в суммарную погрешность ПЛПШМ.
2.Обоснован выбор алгоритма взвешенного суммирования при обработке изображения штриха РМ для оценки его координат, как обладающего наименьшей погрешностью и наибольшим быстродействием.
3.Разработанный и изготовленный макет ПЛПШМ, позволил подтвердить возможность реализации ПЛПШМ с субмикронной точностью (предельная погрешность преобразователя в пределах поля оптической системы считывающей системы (СС) не более 0,22 мкм).
4.Разработан и реализован стенд для исследования параметров и характеристик ПЛПШМ, который позволяет оценивать влияние изменений собственной температуры ПЛПШМ и питающего напряжения на погрешности ПЛПШМ.
5.Полученные результаты исследования экспериментального образца ПЛПШМ позволили подтвердить возможность создания ПЛПШМ с предельной суммарной погрешностью преобразования перемещения, не превышающей 1,5 мкм в диапазоне до 2 м.
Методология и методы исследования
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы системного анализа, математические методы теории преобразования оптического излучения в оптико-электронных системах, методы цифровой обработки изображений, методы компьютерного моделирования.
Имитационные исследования проведены методами компьютерного имитационного моделирования в программной среде Zemax, языка программирования python совместно с библиотекой компьютерного зрения opencv.
Экспериментальные исследования проведены методами физического моделирования на базе лаборатории кафедры оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО.
Практическая проверка выбранных параметров ПЛПШМ осуществлена посредством экспериментальных исследований экспериментального и опытного образца ПЛПШМ в лабораторных условиях, а также на стендах компании ОАО «Специальное Конструкторское Бюро Измерительных Систем».
Положения и результаты, выносимые на защиту
1. Методика и алгоритм обнаружения изображения штриха на одномерном представлении изображения РМ на основе параллельной комбинации линейных пороговых устройств и анализа очередности их срабатывания позволяют уменьшить вероятность ложного срабатывания и увеличить вероятность правильного обнаружения изображения штриха на РМ.
2.Функциональное разделение алгоритма обработки изображения РМ на два конвейерно-параллельно реализуемых процесса: обнаружение по методу двойного порога и оценку положения штриха по методу взвешенного суммирования, позволяет уменьшить время обработки изображения в ПЛПШМ.
3.Методика калибровки канала точного отсчета, основанная на регрессионном анализе взаимосвязи первичных отсчетов ПЛПШМ с эталоном, позволяет устранить влиянием нелинейности поля оптической системы СС на результаты измерения.
4.Методика калибровки канала грубого отсчета, основанная на определении отклонения расстояния между штрихами от номинального значения в сочетании с калибровкой точного канала, позволяет расширить диапазон измерений при малом увеличении погрешности.
5.Результаты исследования экспериментального образца ПЛПШМ показали возможность реализации ПЛПШМ с суммарной предельной погрешностью не более 1,5 мкм в диапазоне перемещений до 2 м.
Практическая реализация результатов работы
Результаты работы отражены в 10 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения Университета ИТМО, что подтверждено 2 актами использования материалов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 конференциях: III, IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2015 гг.); XLII и XLIII научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург, Россия, 2013-2014); X, XI Международная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2014); Международная конференция SPIE Photonics Europe (г. Брюссель, Бельгия, 2014 и 2016), Международная конференция SPIE Optical Metrology 2015 (г. Мюнхен, Германия 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, 2 свидетельства на объекты интеллектуальной собственности, 8 статьей в периодических изданиях, включенных в международные базы данных Web of Science и Scopus, получен
один патент и одно свидетельство регистрации интеллектуальной собственности.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 113 наименований и одного приложения, содержит 140 страниц, 69 рисунков, 2 таблицы.
Принцип действия преобразователей на основе многоэлементных полупроводниковых преобразователей
В полупроводниковых преобразователях положение рабочего органа определяется при помощи обработки изображения объекта (например, точечного или протяженного источника, или самого рабочего инструмента или его части), полученного с МПОИ. Обычно [43,44, 45,46] на объекте контроля закрепляют высококонтрастную метку или их набор. Основным достоинством таких преобразователей является их бесконтактность и высокая гибкость применения.
Полупроводниковые преобразователи представляют собой оптико-электронный прибор, состоящий из метки или шкалы, закрепленной на объекте контроля, оптической системы, одного или нескольких МПОИ, а также цифрового или аналогового тракта обработки. Может применяться и обратная схема закрепления измерительной системы и метки, т.е. преобразователь жестко закрепляется непосредственно на рабочем инструменте, а метка или шкала находится на неподвижной части станка. Кроме того, применяются и преобразователи без применения меток и шкал, в таких случаях меткой является сам объект контроля, а измерительная информация находится путем определения информативных признаков на изображении объекта контроля.
Примером такого типа преобразователей может служить оптико-электронный преобразователя перемещения относительно реперной метки [44]. Преобразователь установлен на скамье 1 и содержит базовый модуль 2, модуль обработки и передачи данных 3, двухкоординатная отсчетно-регулировочная подвижка 4 в данном случае макетирует перемещение рабочего инструмента станка, контрольные метки 5 и 8. Рядом с модулем обработки и передачи данных расположен преобразователь интерфейса 6, блок питания, в качестве анализатора информации может выступать ПЭВМ или станок с ЧПУ 7.
Такие преобразователи могут работать в достаточно сложных условиях эксплуатации и имеют достаточно большие диапазоны контроля перемещений (таблица 2.2). 1.2.4 Особенности структур комбинированных преобразователей
Комбинированные преобразователи – представляют собой устройства с двумя и более встроенными преобразователями рассмотренных типов. Например, индукционный преобразователь [29, 30] в паре с емкостным [28, 29], первый хорошо определяет скорость и ускорения, в то время как второй преобразователь точно определяет смещение. Либо полупроводниковый преобразователь, служащий для точного инкрементного измерения и магнитный преобразователь для обеспечения абсолютного типа измерений.
Магнитные преобразователи [24, 25] редко применяются при линейных и угловых измерениях из-за недостаточной точности по сравнению с емкостными, индуктивными и, тем более, с полупроводниковыми и лазерными преобразователями. Их основная область применения металлорежущие станки с ЧПУ, технологическое оборудование, электродвигатели, электроприводы и др., Достоинства магнитных преобразователей в их бесконтактности и малой чувствительности к внешним условиям, загрязнению, вибрациям и т.п. Преобразователь Магнитная лента Рисунок 1.6 - Магнитный преобразователь перемещений Линейный магнитный преобразователь (рис. 2.6) состоит из гибкой магнитной линейки (ленты), жестко устанавливаемой, например, на станину станка и подвижной считывающей головки, которая крепится к подвижному узлу станка. Магнитная линейка представляет собой многослойную ленту, состоящую из подложки, с нанесенным на нее магнитным слоем, и защитного покрытия. С внутренней стороны на магнитную линейку наносится адгезивный (клеящий) слой, защищенный воздухонепроницаемой пленкой.
На магнитном слое нанесены намагниченные штрихи (полюса из постоянных магнитов) и слабо намагниченные интервалы между ними. Расстояние между полюсами магнитов напрямую влияет на скорость считывания данных считывающей головкой и определяет быстродействие системы и ее номинальные рабочие скорости.
Погрешность измерения линейных магнитных преобразователей при разрешающей способности от 1,0 до 25 мкм и повторяемости ±2,0 мкм составляет ±(5-10) мкм [47, 48].
Поскольку актуальной проблемой является использования шкал, применяемых в существующих станках и измерительном технологическом оборудовании целесообразно особое внимание уделить принципам работы ОЭПЛП основанных на отражающих шкалах.
Для упрощённого представления принципа сканирования изображения посредством формирования сигнала, создаваемого оптическим излучением: решётки двух шкал с равным периодом штрихов перемещаются относительно друг друга – шкала и сетка. Подложки шкал выполнены из оптически прозрачного материала, так как решётка измерительной шкалы может использоваться как на просвет, так и на отражение.
Когда коллимированный пучок оптического излучения проходит через штрихи, тёмные и светлые полосы проецируются на штриховую меру с аналогичным периодом штрихов (рис. 2.7). Когда две сетки перемещаются относительно друг друга, поток оптического излучения модулируется: если прозрачные промежутки совпадают, то большая часть света проходит сквозь них. Эти изменения интенсивности оптического сигнала преобразуются в электрические сигналы. Специально расположенные сканирующие линейные фильтры выделяют при движении выходные сигналы близкие к синусоидальным. Небольшой период структуры сетки ограничивает допустимый зазор между измерительным и индикаторным растром. При малых расстояниях между штрихами на работоспособность схемы влияет зазор между растрами и их толщина. Практически допуски монтажа для преобразователей на принципе сканирования изображения выполняются для шкал с периодом 10 мкм и шире [42].
Особенности преобразования оптического сигнала от РМ в цифровое изображение
Выражение под знаком интеграла будет представлять передаточную функцию модели смаза изображения при движении: т о Н, (u,v) = ]e- MM )+vyo(t))dt ( 2 25)
Например, для СС установленной на рабочем инструменте станка с ЧПУ величина смаза цифрового изображения будет определяться поступательным движением рабочего инструмента в направлении движения х. Если рассматривается только одна координата перемещения с ускорением а, то: X(t\ = — = !LL ( 2.26) ov ) т т , где s - величина смещения изображения РМ за время экспонирования Т. Тогда полагая, что смещения по координате у отсутствует (т.е. yo(t)=0), а также учитывая выражения 2.25 и 2.26, получим выражение передаточной функции смаза цифрового изображения при поступательном движении: а-3 Hfav) = )e-l27luMt)dt =\el2nU dt =ГШ3) = ЛТЕ2І2шяТ2и), ( 227) о о 32яіаи 3 - . V Т где En(z) - интегральная показательная функция.
Полученная функция показывает типичную передаточную функцию смаза изображения, возникающего при движении СС относительно РМ. Зная эту зависимость можно восстановить исходное изображение (без смаза).
Описанная модель смаза изображения 2.27 позволит исследовать устойчивость алгоритмов обработки изображений на устойчивость к смазу изображения. 2.2.6 Преобразование информации в ПЛПШМ
На основе рассмотренных элементов математической модели предлагается общая модель преобразования информации в ПЛПШМ (рис 2.5).
В предлагаемой модели ИИ освещает РМ пучком излучения (в общем случае не параллельным), на поверхности РМ происходит частичное отражение, частичное рассеяние. Частично рассеянное, частично отраженное излучение попадает на вход ОС, которая формирует соответственное распределение освещенности на поверхности матричного ПОИ.
Стоит отметить, что эта картина не стационарна и изменяется со временем, например, из-за движения РМ. Затем полученная картина преобразуется в электрические сигналы и формируется цифровое изображение. В этом случае функция преобразования сигналов в ПЛПШМ будет выглядеть следующим образом (п.п. 3.2.1 - 3.2.5): F(x,y,z) = puA0-x-fr(6i,(pi,6r,(pr)-H(x,y,z) [Hl] +т]е(х,у), ф"1 }+ ( 2.28) где Ф - поток оптического излучения испускаемого ИИ; fr(du pt, 0r, pr) - функция отражения излучения на поверхности РМ; Н(х, у, z) - функция преобразования координат объекта в координаты на матричном ПОИ; i/z(w,v) - передаточная
функция смаза цифрового изображения; Ф"1 - обратное преобразование Фурье; риу - функция преобразования оптического сигнала в цифровое изображение; Ле {Х У) - реализация шумов электронного тракта СС.
Выражение 2.28 описывает преобразование сигналов в ПЛПШМ и может быть положено в основу анализа влияющих факторов на работу ПЛПШМ, а также служит основой для его компьютерной модели.
Для получения информации о положении штрихов РМ необходимо разработать алгоритм обработки изображения РМ. Такой алгоритм должен обладать малой погрешностью определения положения штрихов РМ, высоким быстродействием, а также потенциальной простотой реализации.
Учитывая необходимость контролировать в ПЛПШМ только одну координату перемещения изображение штриха достаточно преобразовывать изображение к одномерному виду. Такой подход позволяет существенно сократить время обработки сигналов. В этом случае на одномерном представлении изображения необходимо найти области, содержащие штрихи. В найденных областях одномерного представления изображения необходимо рассчитать положение штриха с использованием алгоритмов, позволяющих получить уточненное положение штриха с погрешностью менее одного пикселя. При этом для простоты реализации математической процедуры в программируемых интегральных схемах (ПЛИС) и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП) на входе системы изображение инвертируется.
Пусть J(x, у) - инвертированное по уровню цифровое изображение РМ, зарегистрированное МПОИ. Преобразуем это двумерное распределение в одномерное путем суммирования изображения по столбцам [82, 83]: S(x)= ЦДх,у), (2.29) где N - количество строк. Пример предварительной обработки изображения РМ: а - увеличенное изображение штриха РМ, б - одномерное представление изображения РМ При обработке цифровых изображений РМ важной операцией, от которой зависит погрешность определения положения штриха, является обнаружение самого штриха на изображении.
Для оценки надежности обнаружения предлагается рассмотреть две возможных процедуры обнаружения штриха: скользящее вейвлет-преобразование и обнаружение на основе двойного порога.
Выбор источника излучения ПЛПШМ
Для выявления наилучшего алгоритма обнаружения изображения было проведено исследование вероятностных характеристик алгоритм двойного порога и алгоритма скользящего окна. Для этого было сгенерировано по 1000 изображений штриха на РМ для различных соотношений сигнал/шум (в диапазоне 100 - 5 и шагом 1), с известным местоположением штриха. После чего на каждом изображении производилось обнаружения штриха. При этом обнаружение считалось успешным, если заданное положения штриха и окно определения положения имели пересечение не менее 80%. В ходе эксперимента контролировались следующие параметры: вероятность правильного обнаружения (штрих обнаружен верно); вероятность ложного срабатывания (штрих обнаружен, но положение не совпадает); вероятность пропуска (штрих не найден). Результаты исследования приведены на рисунках 3.7, 3.8 и 3.9.
Из рисунка 3.7 следует, что вероятность правильного обнаружения уменьшается с уменьшением соотношения сигнал/шум для обоих алгоритмов. Однако абсолютные значения данного параметра у алгоритма двойного порога превосходят значения данного параметра у алгоритма скользящего вейвлет-преобразования. Кроме того, скорость уменьшения вероятности правильного обнаружения с уменьшением соотношения сигнал/шум у алгоритма двойного порога меньше чем у алгоритма скользящего вейвлет-преобразования.
В то же время вероятность ложного срабатывания возрастает с уменьшением соотношения сигнал/шум для обоих алгоритмов (рис. 3.8). При этом при высоких значениях соотношениях сигнал/шум вероятность ложного срабатывания меньше у алгоритма скользящего вейвлет-преобразования. Однако абсолютные значения мало различаются.
Кроме того, вероятность пропуска возрастает с уменьшением соотношения сигнал/шум для обоих алгоритмов (рис. 3.9). Однако абсолютные значения данного параметра у алгоритма двойного порога меньше чем значения данного параметра у алгоритма скользящего вейвлет-преобразования. Кроме того, скорость уменьшения вероятности пропуска с уменьшением соотношения сигнал/шум у алгоритма двойного порога меньше чем у алгоритма скользящего вейвлет-преобразования.
Кривые оценки вероятности ложного срабатывания обнаружения изображения штриха РМ от отношения сигнал/шум Рисунок 3.9 – Кривые оценки вероятности пропуска обнаружения изображения штриха РМ от отношения сигнал/шум Как показало исследование вероятностных характеристик алгоритмов обнаружения изображения штриха на РМ по совокупности результатов алгоритм двойного порога превосходит алгоритм скользящего вейвлет-преобразования.
Для проверки результатов моделирования и работы алгоритма обработки изображения была исследована статическая характеристика (зависимость установившихся значений выходной величины от перемещения СС ПЛПШМ относительно РМ) ПЛПШМ. При этом шкала смещалась относительно объектива СС ПЛПШМ, положение фиксировалось, а затем в этом положении снималось 10 кадров, и шкала вновь перемещалась на заданный шаг. Диапазон измерений составил 1 мм с шагом - 0.1 мм.
Результаты моделирования представлены на рисунке 3.10. Видно, что статическая характеристика не является линейной, максимальное отклонение составляет 1,31 пикселя. Такие отклонения вызваны аберрациями используемого объектива. Стоит отметить, что величина систематической погрешности, вызванная данными отклонениями, может быть учтена при калибровке (п.п. 3.7). В результате регрессивного анализа было получено уравнение кривой, аппроксимирующей результаты моделирования:
В результате регрессивного анализа было получено уравнение кривой, аппроксимирующей результаты моделирования: у= 30,824JC3+ 0,2153JC2- 5,073JC - 0,02. ( 3.18) В формуле 3.18 под х понимается регистрируемые показания ПЛПШМ, а под у - исправленные. Полученная зависимость 3.18 будет в дальнейшем использована для устранения нелинейности в показаниях при экспериментальных исследованиях блоков ПЛПШМ.
Моделирование пыли на первой поверхности объектива проводилось для выявления влияния запыленности объектива на качество изображения штрихов. Для моделирования пыли на поверхности защитного стекла использовалась Релеевская модель [107] рассеяния на частицах. На защитное стекло был нанесен воздушный слой толщиной 0,1 мм, содержащий различное количество сферических частиц, и проведено моделирование с различными длинами свободного пути луча от 0,1 до 0,01 мм. Под длиной свободного пути понимается минимальное расстояние, которое может проделать луч света, не испытывая столкновения со сферической частицей.
В качестве параметра, характеризующего ухудшение изображения, были выбраны контраст сгенерированного изображения. При этом считается, что чем выше контраст изображения, тем меньше теоретически достижимое СКО случайной составляющей погрешности ПЛПШМ [108]. Как следует из графиков на рисунке 3.11 контраст экспоненциально возрастает с ростом длины свободного пути т.е. уменьшением запыленности защитного стекла ПЛПШМ.
Рабочая мера экспериментального образца ПЛПШМ
Конструкция оптического модуля считывающей системы приведена на рисунке 4.6. Для большей наглядности показаны внешний вид модуля и его фронтальный разрез. Основой конструкции модуля является фрезерованный дюралюминиевый корпус сложной формы 1, обеспечивающий точное расположение (в пределах технологических допусков на изготовление) и стабильность компонентов модуля, входящих в его оптическую схему и непосредственно влияющих на точность измерений. Плоское зеркало 3 с внешним отражением опирается на выступы корпуса и фиксируется накладами 2. В тело корпуса по резьбе ввинчивается объектив Вега-7 5. Фокусировка объектива осуществляется поворотом его с помощью воротка, устанавливаемого в пазы корончатого кольца 6 (устанавливается вместо штатного прижимного кольца последней линзы объектива) через окно в корпусе модуля. Достигнутое сфокусированное положение объектива фиксируется стопорными винтами 4. Призма-куб 7, направляющая излечение от источника на шкалу рабочей меры, устанавливается на корпусе через дополнительную оправу и фиксируется прижимными пластинами. Лазерный модуль 8 устанавливается в выемке корпуса и закрепляется прижимной накладкой.
В рабочей мере (рисунок 4.7) объединены в один блок две отсчетные шкалы: штриховая мера 1 и магнитная шкала 2, использующиеся в каналах точного и грубого отсчета соответственно. При этом обе шкалы объединены в единую систему координат рабочей меры, относительно которой измеряет свое положение считывающая система.
Основой рабочей меры является штриховая брусковая мера длины типа IБ по ГОСТ 12069-90 [60]. Корпус меры (1, рисунок 4.7) выполнен в виде профилированного бруса, на полированной рабочей поверхности которого 4 нанесены штрихи с интервалом 1 мм. Материалом меры является сплав инвар-стабиль (сталь с массовой долей никеля 58%), имеющий коэффициент температурного расширения (11,5±0,5) 10-6/K. Рабочая мера может содержать как одну штриховую меру, так и быть составленной из нескольких сегментов. При этом длина одного сегмента может варьироваться от 130 мм до 2020 мм, что позволяет применять ПЛПШМ в станках и прочих прецизионных исполнительных механизмах в широком диапазоне их рабочих ходов. Рабочая поверхность меры 4 с нанесенными штрихами защищена от внешних воздействий защитным стеклом 2, вклеенным в паз корпуса.
Магнитная шкала (3, рисунок 5.7) является частью магнитного датчика AGM фирмы "GIVI MISURE", который использован как канал грубого отсчета. Магнитная шкала приклеивается на боковую поверхность меры. От внешних воздействий шкалу защищает полоса нержавеющей стали толщиной 0,3 мм, наклеенная на ее наружную поверхность.
Программное обеспечение блока обработки написано на языке описания аппаратуры Verilog HDL (Verilog Hardware Description Language). Программа описывает взаимодействие со всеми сопряженными компонентами считывающей системы, а также включает в себя модули обработки входной видеоинформации.
Вид архитектуры программного обеспечения блока обработки представлен на рисунке 4.8. В архитектуре программного обеспечения можно выделить следующие основные модули: - модуль обработки входного SSI запроса (SSIREQPROCESS) - модуль захвата изображения (CCDCapture) - модуль конфигурации камеры (Cameraconfig) - модуль обработки изображения (Image_proccesing) -модуль общения с устройством считывания магнитной шкалы (SSICKGEN) - модуль считывания значения поправки из EEPROM (EEPROMcontroller) - модуль обработки всех данных и расчета текущего значения положения Преобразователя (SUMMOUT)
При включении ПЛПШМ происходит инициализация всех компонентов системы, ПЛПШМ переходит в режим ожидания запроса. При получении запроса, соответствующего протоколу общения с управляющим устройством модуль обработки входного SSI запроса, формирует сигнал старта для всех устройств. Модулем Trigger_camera формируется управляющий сигнал видеокамеры для захвата кадра модулем CCD_Capture. Полученное изображение передается в модуль обработки изображения Image_proccesing, где происходит операция расчета положения штриха.
В то же самое время, стартовым сигналом выполняется запрос на устройство считывания магнитной шкалы, на основе полученного в модуле SSI_CK_GEN положения магнитного датчика, из устройства ПЗУ модулем считывается значение величины поправки. Все полученные данные передаются ПЛПШМ в модуль SUMM_OUT, где происходит расчет величины положения ПЛПШМ в момент появления запроса. Итоговое значение модулем SSI_REQ_PROCESS передается управляющему устройству.
Исследования экспериментального образца ПЛПШМ производились на экспериментальном стенде Университета ИТМО, специально созданного на кафедре оптико-электронных приборов и систем (рис. 4.9). Стенд состоит из основания, на котором смонтирована измерительная часть системы, виброопор основания, каретки передвигающейся по направляющим основания с помощью привода каретки. На основании, с помощью устройств базирования и крепления, закрепляется контролируемый преобразователь. Провода от преобразователя и привода по подающему рукаву кабелей проходят к транспортеру кабелей, предназначенному для разгрузки каретки от паразитных усилий. Транспортер кабелей передвигается по направляющим транспортера кабелей. На основании также смонтированы части лазерного интерферометра – лазерный блок, делитель луча (ДЛ) и блок компенсации. Отражатель луча (ОЛ) закреплен на каретке. Блок электроники и персональный компьютер находятся вне термостатированного помещения и соединены с остальными элементами экспериментального стенда проводами. Для того чтобы учесть в результатах измерения влияния изменения температуры и относительной влажности окружающей среды используется блок компенсации.
Структурная схема сформированного экспериментального стенда для исследования экспериментального образца ПЛПШМ Выходные сигналы ПЛПШМ поступают в блок электроники, где с помощью квадратурного реверсивного счётчика (на схеме не показан) определяется координата. Квадратурные сигналы лазерного интерферометра поступают в блок электроники, и подаются на квадратурный реверсивный счётчик-делитель (на схеме не показан), который через определенные интервалы вырабатывает импульсы-защелки для определения текущей координаты положения преобразователя по рабочей мере. Таким образом собираются данные: координаты лазерного интерферометра и соответствующие им значения ПЛПШМ. Данные поступают по USB-интерфейсу в промышленный ЭВМ, где обрабатываются совместно с данными блока компенсации.
Процесс контроля ПЛПШМ происходит при перемещении рабочей меры ПЛПШМ 17 (рисунок 4.10), с одновременным контролем этого перемещения лазерным интерферометром в составе лазерного измерительного блока МL10 3, разделителя пучка лучей поз. 4 и отражателя поз. 5. ПЛПШМ 8 и линейный отражатель 5 жестко соединены с кареткой экспериментального стенда
Измерения производятся при перемещении каретки 14 по направляющим 6, жестко закрепленным на станине 15. Оптическая ось лазерной измерительной системы параллельна оси шкалы рабочей меры ПЛПШМ 17 и направлению перемещения каретки 12. Реверсивное перемещение каретки 14 осуществляется электроприводом в составе электродвигателя 10, редуктора 18, клиноременной передачи и зубчато-реечной передачи. Вращение от электродвигателя 10, через понижающий редуктор и клиноременную передачу, передается на зубчатое колесо 11, находящееся в зацеплении с зубчатой рейкой 16, смонтированной на станине