|
Часть
7,
Выводы, |
7. Основные концепции построения систем контроля
В соответствии с алгоритмом автоматизации процессов обобщенную схему систем контроля на базе оптической согласованной фильтрации можно представить в виде схемы, показанной на рис.24. Основными элементами систем контроля являются источник света, формирователь плоской волны света, позиция контроля, когерентно-оптический процессор, электронный блок обработки сигналов и принятия решений, а также механизмы автоматической подачи деталей на позицию контроля и разбраковки деталей в соответствии с принятым решением.
Рис.25. Функциональная схема системы автоматического контроля линейных размеров на базе оптической согласованной фильтрации: 1 - источник когерентного света; 2 - формирователь плоской волны света; 3 - позиция контроля; 4 - когерентно-оптический процессор; 5 - блок обработки сигнала и принятия решений; 6 - блок управления; 7 - механизм автоматической подачи деталей; 8 - механизм разбраковки деталей.
Здесь в качестве источника света подходят лишь лазеры непрерывного излучения типа ЛТ-52, ЛГ-36, ЛГ-38 и т.п. Основным требованием при выборе лазера является требуемая мощность излучения, которая определяется исходя из чувствительности фотоприемника и дифракционной эффективности фильтра-голограммы.
Формирователь плоской волны света, состоящий обычно из микрообъектива, точечной диафрагмы и коллимирующей линзы, преобразует лазерный луч в плоскую однородную монохроматическую волну требуемого сечения, которая поступает на позицию контроля, где находится контролируемая деталь. Промодулированная амплитудным пропусканием контрольной позиции с деталью монохроматическая световая волна поступает на когерентно–оптический процессор, обязательными элементами которого являются оптические объективы для выполнения преобразования Фурье и голографический фильтр.
Основное требование, которому должны удовлетворять объективы для Фурье-преобразования, заключается в том, что волновые фронты, образованные при дифракции на структуре контрольной позиции с деталью, должны фокусироваться в точки на плоскости фурье-преобразования. Одновременно точки входной плоскости системы контроля должны быть отображены в соответствующие волновые фронты в фурье-плоскости. Эти волновые фронты в свою очередь должны отображаться в точки в плоскости, определяемой следующим Фурье-преобразованием, и так далее до тех пор, пока они, наконец, не появятся в выходной плоскости системы контроля. И, кроме того, объективы должны иметь разрешающую способность, величина которой определяется исходя из критерия Рэлея [13].
Одним из главных элементов, который оптимизирует корреляционный отклик системы контроля, является фильтр-голограмма. Оптимизация здесь проводится в направлении двух показателей: дифракционной эффективности голографического процесса и дискриминационной чувствительности к изменениям обрабатываемого сигнала. Наилучший из известных способов формирования согласованных фильтров состоит в записи фурье-голограммы на фотографических средах. Правда, фотографический процесс без привлечения дополнительных мер трудно поддается управлению. Путем же привлечения соответствующих схемных решений удается существенно расширить возможности управления фотографическим процессом. Такими полезными мерами оказались схемные решения по оптимизации фильтров за счет использования скрытого голографического изображения [20, 21], и электронного анализа амплитудного распределения в фурье-спектре [22]. Поэтому фотографическая регистрация до сих пор остается наиболее простым и дешевым способом изготовления голографических фильтров. В случае необходимости более точного управления информационным содержанием фильтров их целесообразно синтезировать с привлечением ЭВМ. Этот способ синтеза фильтров особенно эффективен для относительно простых по конфигурации деталей.
Независимо от того, предназначены ли фильтры для обнаружения определенного вида сигналов или для измерения отклонения от идеального сигнала, необходимо тщательно отбирать информацию, с которой должен быть согласован фильтр.
Следующим важным моментом, о
котором необходимо помнить, является то,
что размер фильтра должен быть согласован с
разрешающей способностью линзы для фурье-преобразования.
Дело в том, что апертура линз имеет вполне
определенные размеры и поэтому
воспроизводится лишь ограниченная область
пространственных частот. Наличие верхнего
предела пропускания пространственных
частот линзой приводит к тому, что при
получении сколь угодно резкой границы
изображения детали резкость
воспроизведенной линзой границы будет
определяться ее разрешающей способностью.
Таким образом, чувствительность контроля
ограничена разрешающей способностью линзы.
Четкость отображения края детали
приближенно находят по дифракционному
изображению точечного источника из
выражения 
.
Количественный анализ
этого выражения с учетом реальных
характеристик выпускаемых оптических
систем показывает, что достижимая
разрешающая способность составляет (2¸2,5)
мкм. Такого разрешения вполне достаточно
для контроля большинства деталей
приборостроении.
Чтобы определить размеры фотопластинки, обеспечивающей разрешение не ниже C, вычислим расстояние X от центра плоскости Фурье, относительно которого регистрируются пространственные частоты, ставив деталь как дифракционную решетку с периодом C. При освещении пучком света, падающего перпендикулярно плоскости пространственных частот, синус угла дифракции определяется из выражения
.
(37)
Тогда расстояние
будет равно
,
(38)
где
— фокусное расстояние
линзы. В соответствии с выражением (38),
для того чтобы способность оптической
системы составляла не менее 2,5 мкм (объектив
с фокусным расстоянием 
мм), необходимо взять
фотопластинку с размерами не менее чем
15´ 15 см.
Заметим, что разрешающая способность
существующих голографических
фотоматериалов превосходит 5000
мм
,
что исключает возможность отрицательного
влияния фотоматериала на разрешающую
способность всей системы контроля.
Выходной сигнал
- корреляционный отклик когерентно-оптического процессора представляет собой изменяющееся распределение интенсивности света в выходной плоскости. Это распределение отражает результат сравнения контролируемой детали с эталонной, выполняемого процессором. Чтобы преобразовать эти результаты в полезный электрический сигнал, применяются фотоприемники. В зависимости от структуры процессора и его назначения для преобразования результата обработки в электрический сигнал используются следующие типы фотоприемников: фотоэлектронные умножители; фотодиоды и фототранзисторы; передающие телевизионные трубки; приборы с зарядной связью; матричные фотоприемники; сканисторы; позиционно-чувствительные фотоприемники и другие типы фотодетекторов. Основными требованиями к фотоэлектрическим преобразователям являются: высокая чувствительность к излучению используемого лазера, малые собственные шумы, линейность характеристики свет-сигнал в большом динамическом диапазоне. Детальные сведения о каждом из упомянутых типов фотоприемников можно найти в работе [24].Применительно к задачам контроля в точном приборостроении наибольшего внимания заслуживают фотоэлектронные умножители, так как именно этот тип фотоприемников имеет самую высокую чувствительность к световому излучению и малые собственные шумы.
Как отмечено в разделе
6, чтобы выделить малые отклонения контролируемой детали от эталонной, требуется точное согласование положений детали и фильтра. Параллельный сдвиг детали относительно исходного положения влияет лишь на положение корреляционного отклика и не оказывает никакого действия на его величину [23]. Кроме того, для выделения малых отклонений детали необходимо знать распределение световой энергии в корреляционном отклике, т.е. форму кривой отклика. При этом площадь, с которой интегрируется энергия, должна быть значительно меньше размера элемента разрешения в плоскости фотоприемника. В этой связи для получения формы кривой отклика необходимо использовать сканирование выходной плоскости когерентно-оптического процессора. С этой целью в схему процессора должен быть включен дефлектор, как показано на рис.25.
Рис.25. Когерентно–оптический процессор с дефлектором:
1 - лазер; 2 - формирователь плоской волны света; 3 - деталь; 4,6 - линзы для выполнения фурье-преобразования; 5 - голографический фильтр; 7 - дефлектор; 8 - точечное отверстие; 9 - фотоприемник.
Если детали на позицию контроля поступают непрерывно с помощью конвейера, то сканирование выходной плоскости можно осуществить колеблющимся зеркалом в направлении, перпендикулярном перемещению деталей. При дискретной подаче деталей требуется двухкоординатное сканирование. Угол отклонения зеркала и частота сканирования должны перестраиваться с учетом точности позиционирования деталей.
В тех случаях, когда детали трудно поддаются ориентации (зубчатые колеса, несимметричные детали и т.п.)
, необходимо использовать либо вращение изображения с помощью призмы Дове или Пехана [25], либо вращение фильтра [26]. Схемы оптических процессоров для этих случаев приведены на рис.26 и 27 соответственно.
Рис.27. Когерентно-оптический процессор с вращением изображения детали: 1 - лазер; 2 - формирователь плоской волны света; 3 - деталь; 4 - призма Дове; 5,7 - линзы для выполнения фурье-преобразования; 6 - голографический фильтр; 8 - точечное отверстие; 9 - фотоприемник.
Рис.28. Когерентно-оптический процессор с вращением фильтра: 1 - лазер; 2 - формирователь плоской волны света; 3 - деталь; 4,7 - линзы для выполнения фурье-преобразования; 5 - электродвигатель с полой осью вращения; 6 - голографический фильтр; 8 - точечное отверстие; 9 - фотоприемник; 10 - генератор частоты.
Необходимо отметить, что применение вращения изображения детали или фильтра приводит к значительному снижению скорости контроля. Подтверждением сказанного являются результаты проведенных в этом направлении исследований
[9], которые представлены в виде таблицы 1.Таблица
1. Влияние сканирования на скорость контроля.|
Тип сканирования, положение детали |
Скорость контроля при непрерывной подаче детали |
Скорость контроля при дискретной подаче детали |
|
|
³ 10 дет./сек.
|
» мсек.
|
|
|
» 1
дет./сек. |
|
|
|
» 1
дет./сек. |
» 1
mсек. |
Итак, действительно, получение кривой отклика за счет вращения изображения детали или фильтра существенно снижает скорость контроля. Поэтому в ряде случаев представляет интерес использование многоканальных фильтров, где каждый канал содержит фильтр, соответствующий частичной ориентации детали
[28].Однако число фильтров, которое можно разместить в частотной плоскости оптического процессора, ограничено. В самом деле, процессор имеет граничную пространственную частоту
и каждый из фильтров требует полосу частот
,
то их количество, располагаемых в фурье-плоскости,
равно [29]
.
(37)
На практике число фильтров обычно не превышает
10. Увеличение информации в частотной плоскости процессора о частичных угловых ориентациях детали может быть достигнуто путем записи фильтров на одной голограмме. Правда, на одной голограмме записать не более 4 фильтров. Обусловлено это, с одной стороны, уменьшением дифракционной эффективности голограммы, а с другой стороны, снижением отношения сигнал/шум за счет перекрестных искажений [30].Для управления работой оптического процессора, для связи его с другими электронными устройствами обработки информации, входящими в состав оптико-электронного комплекса, необходимы электронные устройства различного функционального назначения. Элементная база этих устройств должна строиться на основе современной микроэлектроники (интегральные схемы, оптроны и т.п.) и интенсивно развивающихся в последние годы направлений - интегральной и волоконной оптики и микроволноводной голографии [31-34].
Что касается вопросов создания механизмов автоматической подачи деталей, их разбраковки и предварительной ориентации, то они детально рассмотрены в работах
[35-37].Подводя итог изложенного в настоящей работе, можно сделать следующие основные выводы:
разработана математическая модель процесса контроля линейных размеров на базе оптической согласованной фильтрации;
проведена
метрологическая оценка систем контроля
линейных размеров с помощью
голографического фильтра. Показано, что
без привлечения дополнительных мер они
обладают относительной погрешностью
измерения порядка 5×10
;
преобразование информации как в предметной, так и в частотной плоскостях системы контроля позволяет существенно снизить абсолютную погрешность измерения и тем самым расширить возможности оптической согласованной фильтрации при контроле деталей точного приборостроения;
параллельный сдвиг детали относительно маски или апертуры на (10-20) мкм практически не сказывается на качестве операции контроля, и такая точность позиционирования детали технически выполнима;
угловое отклонение детали при ориентации ее на позиции контроля относительно требуемого положения на (10-15)¢ практически не сказывается на точности контроля, и такая точность угловой ориентации детали вполне выполнима;
для допусковой разбраковки деталей разработан и исследован метод оптической согласованной фильтрации с противофазной компенсацией. При этом допуск на контролируемый размер может быть изменен в пределах 20% относительно требуемого размера;
разработаны основы концепции построения систем контроля линейных размеров на базе когерентно–оптического коррелятора с голографическим фильтром.
1. Саркин В.И. Современное состояние средств контроля размеров, формы и шероховатости поверхности деталей приборов. М.: ИНИИТЭИ приборостроения, вып.3, 1979. - 60 с.
2. Епифанов О.С., Мировицкий Д.И., Шанин В.И. и др. Голографический контроль массового производства деталей с электрооптической индикацией. Тезисы докладов 4-го Всесоюзного семинара по оптическим и электрооптическим методам и средствам передачи, преобразования, переработки и хранения информации. М., 1973, с. 8.
3. Оптическая обработка информации. Под ред. Д. Кейсессента. М.: Мир, 1980. - 347 с.
4. Применение методов Фурье-оптики. Под ред. Г.Старка. - М.: Радио и связь, 1988. - 535 с.
5. Шанин В.И. Исследование возможности оптической согласованной фильтрации для контроля геометрии деталей в точном приборостроении. -Оптико-механическая промышленность, 1982, т. 7, с. 15-17.
6. Ковалевский В.А. Методы оптимальных решений в распознавании изображений. - М.: Наука, 1976. - 328 с.
7. Шанин В.И. Возможность применения когерентной оптики и голографии для контроля часовых деталей и узлов. Сб. "Исследования в области технологии часового производства" . -М., 1981, с. 107-118.
8. Красниковский В.Г., Шанин В.И. Исследование когерентно-оптической обработки информации для контроля геометрии деталей точного приборостроения. Материалы международной школы по когерентной оптике и голографии. - Прага, 1980, с. 153.
9. Indebetow G., Tschudi T. and Steffen J. Optical information processing for control quality of small mechanical pieces. - Appl. Opt., 1976, v.17, n. 6, p. 911-917.
10. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. -М.: Мир, 1971. - 495 с.
11. Суминов В.М., Акилин В.И., Шанин В.И. Повышение селектирующих свойств голографической обработки информации при распознавании образов по их контурам. -Тезисы докладов Всесоюзной научно-техн. конф. "Проблемы генерирования, обнаружения и эффективности применения сложных сигналов
" . Киев, 1982, с. 97.12. Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Качественное оконтуривание двумерных теневых изображений. -Автометрия, 1979,
N 1, с. 33-44.13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука, 1970. - 856 с.
14. Indebetouw G., Tschudi T. and Herzider G. Quality control of small mechanical pieces using optical correction techniques.Appl.Opt., 1976, v.15, N 2, p. 516-522.
15. Бахрах Л.Д., Курочкин А.П. Голография в микроволновой технике. - М.: Сов. радио, 1979. -320 с.
16. Мировицкий Д.И., Пичугин А.П., Шанин В.И. Голографический способ определения признаков отличия между сравниваемыми образами. -Радиотехника и электроника, 1975, т.20,
N 6, с. 1171-1176.17. Мировицкий Д.И., Пичугин А.П., Шанин В.И. Устройство получения комплексных фильтров объемных объектов. Авторское свидетельство
N 378793, 1973, бюл. изоб. N 19.18. Williams R.E. Partially Coherent Processing by Optical Means. -JEEE Trans.Inform.Theory, 1965, v.IT-11, p. 449.
19. Шанин В.И. Прецизионный контроль линейных размеров методами оптической согласованной фильтрации. Тезисы докладов Российской науч.-техн. конф.
"Новые материалы и технологии машиностроения" . М., 1992, с. 23.20. Соболев Г.А., Гирина М.Г. Исследование скрытого голографического изображения. -Сб. "Регистрирующие среды для голографии
" . -Л.: Наука, 1975, с. 88.21. Красниковский В.Г., Самсонов Г.А., Шанин В.И., Халатова Е.С. К вопросу автоматизации синтеза оптических согласованных фильтров. -Труды 2-ой Всесоюзной науч.-техн. конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение
" . М., 1976, с. 289.22. Шанин В.И., Самсонов Г.А., Красниковский В.Г. Устройство синтеза голографического фильтра. Авторское свидетельство
N 531413, 1976.23. Vander Lugt A. The effect of small displacement of spatial filters.-Appl.Opt., 1967, v.6, N 7, p. 1221.
24. Петраков А.В. Автоматические телевизионные комплексы для регистрации быстропротекающих процессов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -152 с.
25. Croce R., Burton G. Techniques for high-data-rate two-dimensional optical pattern recognition.-RCA Review, 1971, v.32, N 12.
26. Шанин В.И., Пичугин А.П., Шапов В.С. Устройство для распознавания образов. Авторское свидетельство
N 586738, 1977.27. Василенко Г.И., Цибулькин Л.М. Голографические распознающие устройства. -М.: Радио и связь, 1985. -312 с.
28. Casasent D., Psaltis D. New optical transforms for pattern recognition. - Proc.JEEE, 1977, v.65, ? 1, p. 77-84.
29. Indebetow G. Using of optical information processing in problem quality control of small mechanical pieces.- Appl. Opt., 1977, v.16, N 7, p. 1944-1950.
30. Оптическая голография. Под ред. Г.Колфилда. -М.: Мир, 1982, т.2.
31. Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф., Мировицкий Д.И., Шанин В.И. Устройство для возбуждения оптической линии. Авторское свидетельство
N 376843, бюл.изоб. N 19, 1973.32. Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф., Мировицкий Д.И., Камлюк С.Н., Шанин В.И. Устройство для получения согласованного фильтра. -Авторское свид.
N 413559, бюл.изоб. N 30, 1974.33. Марков П.И., Шаповалов В.М. Волоконно-оптические преобразователи в приборах технологического контроля. - Минск, Наука и техника, 1984. -112 с.
34. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение. -Л.: Машиностроение, 1987. -328 с.
35. Яхимович В.А. Транспортно-загрузочные и сборочные устройства и автоматы. -Киев: техника, 1976. - 191 с.
36. Иоффе Б.А. Электромагнитное опознавание и ориентирование деталей. -М.: Знание, 1976. -64 c.
37. Иванов А.А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями. -М.: Машиностроение, 1981. -271 с.
38. Vander Lugt A., Rotz F.B., Klooster A. Character-reading by optical spatial filtering.-Optical and Electro-optical Information Processing, 1965, p. 125-141.
Авторы:
Владимир Иванович Шанин, e-mail: shanin@chat.ru
О. В. Шанин
 |
 |
£ ± 5
мкм
£ ± 2×
10
20 мксек.
- сканирование, 1 кГц
- сканирование, 1 кГц)