К ЮБИЛЕЮ МГТУ «СТАНКИН»
Вниманию читателей предлагается продолжение подборки статей, посвященных 85-летию Московского государственного технологического университета «Станкин» (начало подборки см. «Измерительная техника»» № 7, 2011 г.).
Представленные статьи посвящены использованию компьютерной микроскопии при измерениях линейных и угловых размеров изделий, гетеродинным методам лазерной интерферометрии, проектированию и изготовлению средств измерений на основе трехмерного параметрического моделирования, диагностике и контролю металлорежущих станков с ЧПУ и другим темам.
681.518:535.44
Метод интеллектуальной компьютерной микроскопии при измерении линейных и угловых размеров изделий
В. И. ТЕЛЕШЕВСКИЙ, А. В. ШУЛЕПОВ, Е. М. РОЗДИНА
Московский государственный технологический университет «Станкин»,
Москва, Россия, e-mail: vitel@stankin.ru
Рассмотрены проблемы компьютеризации и интеллектуализации универсальных и инструментальных измерительных микроскопов. Предложены методы повышения точности наведения на края объектов, имеющих призматическую и цилиндрическую формы, на основе решений обратных задач математической оптики. Применение разработанных алгоритмов позволяет проводить измерения призматических и цилиндрических деталей с микрометровой точностью без использования измерительных ножей.
Ключевые слова: микроскоп, компьютеризация, дифракция, ретрофитинг.
The problems of a computerization and intellectualization of universal and instrumental measuring microscopes are considered. Methods to increase the accuracy of pointing on edges of the objects with prismatic and cylindrical forms based on inverse problem of mathematical optics solutions are suggested. The application of developed algorithms allows to measure prismatic and cylindrical objects with micron accuracy without use of measuring knifes.
Key words: microscope, computerization, diffraction, retrofitting.
Измерения линейно-угловых размеров изделий методами микроскопии широко используют в измерительной технике. Сам процесс измерения сводится к визированию точки теневого изображения края объекта, наблюдаемого под большим увеличением, и фиксации положения этой точки в прямоугольной или полярной системах координат посредством отсчетных устройств. По совокупности измеренных координат различных точек расчетным путем определяют геометрические параметры объекта.
При помощи универсальных и инструментальных измерительных микроскопов решают самые разнообразные задачи измерения линейно-угловых размеров деталей различной конфигурации, контрольных и технологических приспособлений, режущего инструмента, изделий опто- и микроэлектроники и других. Поэтому этот вид измерительного оборудования достаточно широко используют в измерительных лабораториях [1].
Во многих случаях измерения призматических деталей, деталей, имеющих цилиндрическую форму, например, валов,
роликов, проволоки, резьбовой поверхности, необходимо проводить с микрометрической точностью [1], но при этом нужна высокая квалификация контролеров и специалистов измерительных лабораторий. При измерениях изделий сложной формы число точек резко возрастает, что приводит к быстрой утомляемости персонала при обработке результатов, потере зрения и снижению производительности труда. В процессе измерений неизбежно возникают погрешности из-за субъективных ошибок контролеров при визировании (наведении) оптической системы микроскопа на измеряемый объект (по результатам экспериментальных исследований погрешность визирования достигает 0,02 мм), ошибок при снятии отсчетов со спиральных микроскопов при измерениях координат точек.
Выходом из положения является автоматизация отсчета, базирующаяся на замене традиционных шкальных систем с визуальным визированием на автоматизированные цифровые отсчетные устройства, такие как оптоэлектронные измерительные системы с растровыми или дифракционными решетками.
I
Рис. 1. Дифракция на режущей кромке резца
Компьютерная обработка результатов измерений по цифровым отсчетным устройствам позволяет выявить геометрические погрешности узлов микроскопа (из-за несоблюдения принципа Аббе, перекосов направляющих и т. д.) при проведении аттестации и поверке измерительных микроскопов и скорректировать эти погрешности, выполнив автоматический ввод поправки в результат измерения.
Однако при визуальном визировании на край объекта имеется источник погрешности, не устраняемый при аттестации и многократных измерениях. Речь идет о явлении дифракции на краю измеряемого объекта (рис. 1), которая в случае микроскопа имеет вид дифракции Френеля [2, 3]. Уменьшение этой погрешности наведения (которая целиком переходит в результат измерения и ограничивает его точность) снижает неопределенность визирования точки на край измеряемого объекта.
В данной работе развита методика, описанная в [4, 5], применительно как к призматическим, так и гладким цилиндрическим деталям. Показано, что погрешность наведения на край объекта может быть существенно снижена, а при контроле гладких цилиндрических деталей требуемая точность может быть достигнута без использования измерительных ножей. Отметим, что применение ножей в традиционных измерительных микроскопах (универсальных — УИМ-21, УИМ-23, УИМ-29 и созданных на их базе измерительных машинах ДИП; инструментальных — БМИ, ММИ, ИМЦ, ИМЦЛ) ограничено измерением гладких цилиндрических и конических элементов, элементов резьбовых поверхностей [1]. Измерительные ножи подвержены быстрому износу, настройка их положения при измерении индивидуальна и весьма трудоемка, поэтому для многих измерительных задач, решаемых на производстве, их применение оказывается затрудненным или невозможным.
Оптический анализ изображения сводится к регистрации теневого изображения изделий посредством ПЗС-мат-рицы, установленной вместо окуляра, с подключением ее к компьютеру для анализа и цифровой обработки изображения в реальном времени. По существу речь идет об интел-
Рис. 2. Экспериментально полученное распределение интенсивности в дифракционной картине (протяженность края объекта в направлении оптической оси 0,02 мм, увеличение объектива 5х)
лектуальной компьютерной микроскопии, поскольку результат измерения учитывает дополнительные знания о влиянии дифракции на точность измерений.
Основные принципы построения измерительной информационной системы (ИИС), преимущества, характеристики и возможности компьютеризированного микроскопа подробно рассмотрены в более ранних публикациях [4, 5].
Разработанное авторами программно-математическое обеспечение (ПМО) позволяет наблюдать на дисплее изображение измеряемой зоны объекта с выбранным увеличением и визирной марки (перекрестия). Специальный алгоритм осуществляет анализ изображения дифракции Френеля на краю объекта и исследует распределение интенсивности света во френелевской дифракционной картине. Алгоритмически решается обратная задача математической оптики, заключающаяся в том, что по характеру распределения интенсивности света определяется положение края объекта, породившее это распределение. Определяются также координаты элементов цифрового изображения, соответствующие положению края объекта. Визирование выполняется в специальном окне путем захвата в перекрестие отмеченных элементов изображения, принадлежащих краю объекта.
*р1 р2 лр
Рис. 3. Идеальное распределение интенсивности в дифракционной картине при освещении тонкого непрозрачного экрана
Рассмотрим алгоритм, применяемый для деталей с плоской кромкой.
Экспериментально полученные распределения интенсивности (рис. 2) по форме близки к идеальному (рис. 3), но, как правило, интерференционные полосы, расположенные вдоль границы, могут быть неявно выражены. Чаще всего наблюдаются одна черная и одна светлая полосы.
В соответствии с классическим видом отклика оптической системы (см. рис. 3) необходимо определить уровень интенсивности, соответствующий затуханию осцилляций, что в реальном случае представляет собой сложную задачу [2, 3]. В этой связи определение уровня 10, к которому «сходится» осцилляция, приводит к значительной погрешности.
На основе анализа задачи, описывающей дифракцию на краю полуплоскости [2], найдено решение, которое заключается в том, что интенсивность первой, самой яркой полосы составляет 1,37 от установившегося значения. Эта полоса для рассматриваемых объектов всегда явно просматривается и легко может быть различима в зоне измерения.
Обработка при помощи ПМО позволяет найти первый максимум интенсивности.
Принимая, что на границе тени I = 0,25 /0, а для первого максимума 1/10 =1,37, находим такие элементы изображения в зоне визирования, интенсивность которых соответствует их нахождению на крае объекта. Но, к сожалению, далеко не всегда вычисленное значение совпадает со значениями интенсивности I, представленными в текущий момент в изображении зоны визирования. Поэтому целесообразно задать интенсивность интервалом значений. Затем необходимо найти элементы изображения (пикселы), удовлетворяющие условию попадания в интервал.
Алгоритм нахождения положения границы объекта сводится к следующему: на ПЗС-видеокамеру попадает изображение области края объекта, где происходит его оцифровка. Получают матрицу целых чисел от 0 до 255, каждое из которых соответствует интенсивности в данной точке изображения. Среди элементов матрицы отыскивают наиболее яркие и самые темные. Затем элемент с наибольшей яркостью принимают за 1,37 от установившегося значения 10, а с наименьшей яркостью — за 0.
Далее вычисляют значение, соответствующее 0,25 10, и отыскивают элементы матрицы, близкие к этому значению. Эти элементы выделяют. Для осуществления визирования перекрестие совмещают с выделенными элементами изображения.
Применение данного алгоритма для призматических деталей позволило бесконтактно проводить измерения с микрометровой точностью. Например, при измерении размеров деталей с протяженностью края 0,02 мм применение данного алгоритма позволило снизить погрешность определения координат края до 0,6 мкм.
Исследования, проведенные для призматических деталей с краем различной протяженности в нап
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.