CC BY
21Построение теневого датчика
для контроля геометрических параметров изделий
Черепанов Александр Николаевич,
к.ф.-м.н., доцент, зам. директора Центра по работе с предприятиями, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, tchustu@mail.ru
Тыщенко Игорь Сергеевич,
Лаборант, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, tis-public@yandex.ru
Попова Мария Александровна,
лаборант, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, mari.mashapopova@mail.ru
Вахнин Дмитрий Олегович,
лаборант, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, dmitrii.vakhnin@gmail.com
В данной статье приведен обзор процесса разработки теневого датчика (базового и повышенной точности) для контроля геометрических параметров изделий, в частности, рассмотрен процесс проектирования оптического детектора и электронной составляющей конечного изделия. Данный тип датчиков имеет огромный потенциал применения в конвейерном производстве и в ВПК. Он позволяет бесконтактно производить неразрушающий контроль метрологических характеристик конечного изделия. В статье приведены два наиболее часто используемых принципа построения теневых датчиков: сканирование с использованием вращающегося оптического элемента (зеркала/призмы) или сканирование путем формирования широкодиапазонного линейного света - и разобраны преимущества и недостатки каждого подхода. Принцип работы предлагаемой реализации основан на проецировании тени измеряемого объекта на CMOS-матрицу через оптическую систему. Результатом измерения является облако точек измеряемой поверхности в сечении с требуемыми метрологическими характеристиками, а также рассчитанные по пользовательскому сценарию геометрические размеры изделия в сечении. С использованием датчиков обеспечивается контроль геометрии сечения измеряемой детали в окружности активной зоны датчика с высокой частотой и точностью. Для предлагаемой реализации приводятся факторы, влияющие на погрешность измерения, и оценивается конечная погрешность датчика как для базового датчика, так и для варианта повышенной точности. Основной особенностью проектируемого устройства является его малогабаритность. Датчик разрабатывается как встраиваемый первичный сенсор с небольшими габаритами, весом и потребляемой мощностью. Эти особенности датчика, а также удобный конструктив, обеспечивают его размещение в составе любого измерительного прибора или системы. Ключевые слова: теневой датчик, оптическая система, мобильность, cmos-матрица, контроль поверхности, выявление дефектов.
Введение
Датчик теневой двумерный оптоэлектронный (далее по тексту «датчик») разрабатывается как первичный сенсор (электронный узел) различных измерительных приборов и систем, так и самостоятельное измерительное устройство. Датчик предназначен для бесконтактного теневого контроля диаметров, зазоров и положений технологических объектов. С использованием датчиков обеспечивается контроль геометрии сечения измеряемой детали в окружности активной зоны датчика с высокой частотой и точностью. Результатом измерения является облако точек измеряемой поверхности в сечении с требуемыми метрологическими характеристиками, а также рассчитанные по пользовательскому сценарию геометрические размеры изделия в сечении. Возможности применения датчика очень обширны: начиная с использования в контроле на конвейерном производстве и заканчивая высокоточными измерениями для военно-промышленного комплекса.
Техническая реализация
В мировой практике проектирования и изготовления теневых датчиков (оптических микрометров) в основном используется два принципа сканирования:
- сканирование с использованием вращающегося оптического элемента (зеркала/призмы);
- сканирование путем формирования широкодиапазонного линейного света.
Оптический микрометр основанный на первом принципе использует вращающийся оптический элемент для отражения и преломления лазерного луча с целью проецирования его по всей зоне измерения.
Фактически работа такого микрометра основана на измерении времени перекрытия светового пучка при относительном перемещении контролируемого изделия и этого пучка. На рисунке 1 приведена наиболее распространенная схема устройства, работающего по этому методу.
Световой пучок от источника излучения (лазера) 1 формируется оптической системой 2 и поступает на вход сканирующего устройства 3. На выходе устройства 3 пучок перемещается по измерительному пространству, в котором нахо-
0 55 К* £
55 П П 1
и
у
а
s
а б
дится контролируемое изделие 4. На выходе фотоприемного устройства 5 образуется информационный сигнал, поступающий затем на вход устройства вторичной обработки информации 6, включающего ЭВМ. Здесь производится измерение длительности сигнала, которая известным функциональным образом (например, линейно) связана с контролируемым геометрическим параметром (размером) изделия 4. Важным нормировочным компонентом, участвующим в процессе измерения, является калибровочная рамка 7.
Рис. 1. Схема теневого датчика с вращающимся зеркалом
В таких устройствах, используют различные способы определения длительности информационного сигнала, например, способы стробиро-вания, следящего порога, двойного дифференцирования и т.п. Точность выбранного метода во многом зависит от качества формирования сканирующего пучка лучей и, как следствие, от формы фотоэлектрического импульса (время-импульсного сигнала), образующегося на выходе фотоприемного устройства, поскольку энергетический профиль сканирующего пучка определяет форму и длительность фронтов информационного сигнала.
Второй метод построения оптического микрометра, который и будет рассмотрен в данной статье, основан на создании опорного лазерного излучателя линейного света без использования вращающихся призм и зеркал. Вместо этого используется либо полупроводниковый лазер, либо мощный светодиод, специальная оптическая системы для развертки луча и высокоскоростная CCD матрица.
Данное решение обеспечивает значительное увеличение скорости измерения и улучшение его точности. Датчики, которые не имеют движущихся частей не создают вибраций и не генерируют паразитное теплоизлучение, влияющее на точность. Такие датчики неприхотливы в эксплуатации, долговечны и надежны.
Датчики, основанные на данном методе, являются очень точным и надежным инструментом для проведения высокоскоростных измере-
ний в том числе движущихся изделий на скоростных производственных и сборочных линиях.
В разрабатываемых датчиках планируется применить мощный, GaN (Gallium Nitride) 520 nm светодиодный излучатель, либо (для некоторых применений) полупроводниковый лазер. Излучатель с длиной волны 520 nm намного лучше подходит для облучения выбранной CCD матрицы (по чувствительности и стабильности), чем применяемые в большинстве массовых датчиков лазерные диоды GaP.
Дополнительное преимущество разрабатываемым датчикам дает использование специальной телескопической оптической системы, которая формирует высококачественный линейный не расходящийся пучок света, который «обволакивает» измеряемый объекта и формирует контрастную светотеневую картину на CCD матрице.
Вне зависимости от метода сканирования теневые датчики имеют погрешности, связанные с отклонением от параллельности лазерного пучка в измерительном пространстве. Качественным отличием выбранного метода сканирования является возможность программной компенсации данной ошибке.
Главным недостатком метода сканирования с вращающимся зеркалом является непостоянство и нелинейность скорости перемещения лазерного пучка, обусловленное влиянием сферической аберрации объектива сканирующей системы. Данная погрешность является основной в таком типе датчиков. Этот тип погрешности не может быть компенсирован программным способом и прогрессирует при старении датчика и износе вращающихся механизмов.
Также отметим, что важнейшими достоинствами выбранного метода является: относительная простота его конструктивной реализации; достаточно высокая скорость обработки информации; меньшая, чем у других методов, подверженность погрешностям позиционирования контролируемого изделия; освоенность и сравнительная простота элементной базы.
Оценка точности
Основные погрешности оптических микрометров в основном вызваны двумя факторами:
• стабильностью светотеневой проекции объекта, связанной с не параллельностью светового пучка и эффектом увеличения, который максимально устранен в телецентрической оптике, но все же присутствует.
• разрешающей способностью принимаемой матрицы.
Также существуют другие типы погрешности, связанные с дисторсией оптической системы (аберрацией оптической системы, при которой коэффициент линейного увеличения изменяется по полю зрения объектива) и другими типами
аберраций. Однако эти погрешности могут быть максимально нивелированы с помощью вторичной обработки изображения, использования калибровочных кривых и таблиц.
Рассмотрим основные погрешности, влияющие на измерения:
1. Погрешность, связанная с параллельностью светового пучка.
Рассматриваем случай с использованием телецентрической оптической системы с телецен-тричностью порядка а = 0.02 градуса (оптимальное значение среди объективов, представленных на рынке, а значит достижимое).
Расстояние между приемником и передатчиком максимальное Dmax:
• базовый датчик 200 мм;
• повышенной точности 30 мм.
Объект при измерении находится в центре с возможным отклонением ЛЬ:
• для базового датчика +/- 3 мм;
• для датчика повышенной точности +/- 1,5 мм.
Разница в размерах тени объекта при его
дрейфе от Отах/2 - ЛЬ до Отах/2+ ЛЬ составит:
йЛ" = = ^ясвд
(1)
Что составляет:
• для базового датчика 2 мкм;
• для датчика повышенной точности +/- 1 мкм.
2. Погрешность, связанная с разрешающей способностью принимаемой матрицы.
Разработке подлежат два датчика:
• базовый датчик с диаметром рабочей поверхности 65 мм;
• повышенной точности с диаметром рабочей поверхности 6 мм;
Предполагается использовать монохромную матрицу CMOS с разрешением 5120x5120 с функцией мультиэкспозиции и субпиксельной вторичной обработке.
При требуемой точности +/-0,01% от диапазона (точность определения параметра методом усреднения по минимум 10 точкам, что примерно равно участку на изделии длиной 0,1 мм для 65 мм датчика) требуемая точность измерения в точке составит максимум +/- 0,0316% от диапазона (+/-0,01%
Используя матрицу 5120x5120, без учета вторичной обработки изображения погрешности в точке получим 0,0195 % от диапазона.
Конструктивное решение
Конструктивно датчик состоит из двух частей -излучателя, который проецирует на измеряемый объект линейный не расходящийся пучок света (как правило лазерный) и приемника с высококачественной телецентрической оптической системой и ПЗС фотоприемника. Все оптические и
электронные компоненты находятся внутри корпусов этих модулей. Оптическая система от внешней среды защищается защитными кварцевыми или сапфировыми стеклами. Корпуса герметизируется. Связь датчика и подача электропитания осуществляется по кабелю типа «витая пара».
Принцип оптического микрометра основан на проецировании тени измеряемого объекта на СМОБ-матрицу через оптическую систему.
Излучение полупроводникового лазера формируется в виде не расходящегося пучка и проецируется на объект. Теневая картина объекта телецентрическим объективом собирается на двумерной СМОБ-матрице. Полученное изображение контура объекта анализируется на ПЛИС и процессором, который рассчитывает требуемые геометрические размеры.
Датчики могут оснащаться системами обдува окон и водяного/воздушного охлаждения.
При эксплуатации датчик устанавливается таким образом, чтобы контролируемый объект располагался посередине между излучателем и приемником. Ось (плоскость) объекта должна быть максимально перпендикулярно оптической оси датчика. Датчик используется в основном для контроля тел качения.
Структурное построение разрабатываемого датчика приведено на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема датчика
Электронная часть датчика представляет из себя набор плат, выполненный в минимально возможном габарите. Предполагается двухуровневая конструкция из двух плат: плата интерфейсов, питания и гальванической развязки и основная вычислительная плата.
Обеспечение мобильности устройства
Датчик разрабатывается как встраиваемый первичный сенсор с небольшими габаритами,
О 55 К* £
55 п п 1
у
а
s
а б
весом и потребляемой мощностью. Эти особенности датчика, а также удобный конструктив, обеспечивают его размещение в составе любого измерительного прибора или системы.
Управление датчиком осуществляется по интерфейсу RS-232/485 или по Ethernet 10/100BASE-TX через локальную или глобальную информационную сеть. Таким образом, для управления применимы любые стандартные решения, например, датчик, при необходимости, можно подключить к модему или устройству беспроводного доступа.
Управляющая ПЭВМ и/или контроллер может быть размещена как в непосредственной близости от датчика, так и на произвольном удалении (в том числе через сеть Интернет) от него для обеспечения возможности размещения датчика в условиях, где постоянное нахождение персонала нежелательно, или на подвижных платформах.
Поскольку все задачи реального времени, а также значительная часть задач управления и контроля решаются ПЛИС и процессором «на борту» датчика, требования к вычислительным возможностям управляющей ПЭВМ, объему памяти и т.п. не предъявляются и допускают использование устройств различных классов, таких как ноутбук или планшетный компьютер в зависимости от их наличия и удобства использования.
Конструкция фотоприемника
В качестве приемного фотоприемника выбрана матрица PYTHON1300 (NOIP1SN1300A).
PYTHON 1300 это 1 дюймовая SXGA CMOS фото приемник с пиксельным массивом 1280 на 1024 точек. Высокочувствительные пиксели с размерами 4.8 ^m x 4.8 ^m поддерживают такие режимы считывания как конвейерный, и триг-герный. На обоих режимах обеспечиваются низкие уровни шума. Кроме того, обеспечивается двойное корреляционное считывание в режиме глобального затвора с уменьшенным уровнем шума и увеличенным динамическим диапазоном. Приемник имеет встроенные программируемый усилитель и 10 битный АЦП. Время интеграции и параметры усиления могут быть переконфигурированы без каких-либо видимых артефактов на изображении. Опционально встроенный контроль экспозиции (AEC) может контролировать эти параметры динамически. Уровень «черного» либо калибруется автоматически, либо регулируется согласно пользовательской установки. Высокий уровень программирования используя четырёхпроводный последовательный интерфейс позволяет пользователю считывать не всю матрицу, а необходимый участок матрицы с большей скоростью. До 8 участков может быть запрограммировано.
Заключение
В данной статье приводится обзор проблем, возникающих при построении теневых датчиков для контроля геометрических параметров различной продукции на производстве, а также приведены решения некоторых из них. Представлены 2 основных принципа построения теневого датчика: сканирование с использованием вращающегося оптического элемента (зеркала/призмы) или сканирование путем формирования широкодиапазонного линейного света.
В статье рассмотрена реализация конструктивного решения для таких датчиков, приводится оценка точности и указаны способы обеспечения мобильности устройства.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора №02.G25.31.0161 от 01.12.2015г.
Литература
1. Венедиктов А. З., Пальчик О. В. Измерение геометрических параметров сложных цилиндрических объектов, Датчики и системы, №1, 2005, с.24-28.
2. Михалев А. С., Михалева Е. М. Особенности выбора элементов установки для теневого фонового метода, Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов, 2012, с. 156-157.
3. Бахолдин А. В., Романова Г. Э., Цуканова Г. И. Теория и методы проектирования оптических систем, СПб: СПб НИУ ИТМО, 2011. - 104 с.
4. Рабинович С. Г. Погрешности измерений. -М.: Энергия, 1978.
5. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энер-гоатомиздат, 1991.
1. 6. Мушруб В.А. Критерий полупростоты кольца косых многочленов // Фундаментальная и прикладная математика. 1995. Т. 1. № 3. С. 701.
Creation of the shadow sensor for control of geometrical
parameters of products Cherepanov A.N., Tyshchenko I.S., Vakhnin D.O.
Ural federal university of a name of the first President of Russia B. N. Yeltsin
This article provides an overview of development and construction of a shadow sensor (basic and extended precision versions) for monitoring geometrical parameters of products, in particular the photo detector design and the electronic part of the unit. This type of sensor has a huge potential application in in the manufacturing process and in military applications. It allows contactless nondestructive testing of metrological characteristics of the final product. The article describes the two most commonly used principles of building shadow sensors: scanning using a rotating optical element (mirror / prism) or scanning through the formation of a wide-range linear light. Advantages and disadvantages are demonstrated for each approach. The principle of operation of the proposed detector is based on projecting the shadow of the object on the CMOS-matrix through an optical system. Measurement results in a cloud
of measured points with the required metrological characteristics and in calculation of geometric dimensions of the product in the section according to the user scenario, the. With the use of sensor geometry provided by the control section of the measured parts in the circumference of the core of the sensor with a high frequency and precision. In addition, factors that affect the accuracy of measurements are discussed and the final measurement error is counted for both basic and extended precision versions. The main feature of the designed device is its small-sized. The sensor is designed as a plug-primary sensor with small size, weight and power consumption. These features of the sensor, as well as user-friendly, constructive allow its placement in any part of the measuring device or system.
Key words: shadow sensor, optical system, mobility, CMOS-matrix, surface control, defect detection.
References
1. Venediktov AZ, Palchik OV Measurement of geometric parameters of complex cylindrical objects, Sensors and systems, No. 1, 2005, p. 24-28.
2. Mihalev AS, Mikhaleva EM Features of the choice of installation elements for the shadow background method, All-Russian Conference on Photonics and Information Optics. Collection of scientific papers, 2012, p. 156-157.
3. Bakholdin AV, Romanova G.E., Tsukanova GI Theory and
methods of designing optical systems, SPb: SPb NIU ITMO, 2011. - 104 p.
4. Rabinovich SG Measurement errors. - Moscow: Energia, 1978.
5. Novitsky PV, Zograf IA Estimation of errors in measurement
results. - L .: Energoatomizdat, 1991.
6. Mushrub V.A. A criterion for the semisimplicity of the skew
polynomial ring // Fundamental and Applied Mathematics. 1995. T. 1. № 3. P. 701.
