CC BY
0TECHNICAL SCIENCES
Бондар К.В.
Магктрант кафедри НАЕПС, ПриладобуЫвного факультету НТУУ «КП1 M. 1горя Скорського»
м. Кигв, Украша Маркна О.М.
Старший викладач, кандидат mexuinHux наук кафедри НАЕПС, Приладобудiвного факультету
НТУУ «КП1M. 1горя Сжорського» м. Кигв, Украша
Маркт М.О.
Кандидат техтчних наук, доцент, заступник завiдувача кафедри НАЕПС з науковог роботи Прила-добудiвного факультету НТУУ «КП1M. 1горя Сторського» м. Кигв, Украша
ВИЯВЛЕННЯ ДЕФЕКТ1В КЛЕЙОВИХ З'СДНАНЬ ОПТИЧНИХ ДЕТАЛЕЙ DETECTION OF DEFECTS ADHESIVE JOINTS OPTICAL COMPONENTS
Bondar K.
The undergraduate of NAEPS, instrument faculty NTUU "KPI them. Igor Sikorsky"
Markina O.
Senior teacher, PhD department NAEPS, instrument faculty NTUU "KPI them. Igor Sikorsky"
Markin M.
Ph.D., associate professor, deputy head of department of science NAEPS instrument faculty NTUU "KPI
them. Igor Sikorsky"
АНОТАЦ1Я
В робот побудовано оптико-електронну вимiрювальну систему на 6a3i оптичного мжроскопу МБС-09, цифрово! камери на основi CMOS матриц та джерела освилення (галогенною лампою, енергозберта-ючою та свилодюдною лампами) об'екту. Проведено дослщження з виявлення дефекпв клейових з'еднань оптичних деталей. При повторному дослщженш дефекпв використовували ультразвуковий пристрш «Ретона» за для зменшення кiлькостi та розмiрiв дефектiв клейових з'еднань.
ABSTRACT
The work built opto-electronic measuring system based on optical microscope MBS-09 digital camera based on CMOS matrix and the light source (halogen lamp, energy-saving and LED lamps) object. A study to identify defects adhesive joints optical components. In the second study defects using ultrasonic device "Retona" in order to reduce the number and size of defects adhesive joints.
Ключовi слова: CMOS матриця, CCD матриця, оптико-електронна вимiрювaльнa система, ОЕВС, дефекти клейових з'еднань, програма Gwyddion, Ультразвуковий пристрш «Ретона», УП «Ретона»
Keywords: CMOS matrix, CCD matrix, opto-electronic measuring system, OEMS, defects adhesive joints, program Gwyddion, ultrasonic device "Retona" UD "Retona"
Вступ
В реалгях сьогодення укра!нсько! держави де-далi гострiше постае питання про тдвищення кон-курентоспроможностi пвдприемств, модертзащю виробництва, впровадження нових технологiй та устаткування. Проввдна роль у цих процесах нале-жить галузi приладобудування, що випускае засоби вимiрювання, аналiзу, обробки i представлення ш-формаци, пристро! регулювання, автоматичнi i ав-томатизованi системи управлiння. Одна iз передо-вих галузей приладобудування належить оптицi. За рiвнем наукомiсткостi оптика посвдае один iз пере-дових напрямшв приладобудування. Сучасна оптика стала високоефективним засобом впливу на науково-техшчний прогрес не тiльки тому, що без не! важко обiйтися в рiзних сферах дiяльностi лю-дини, а й у зв'язку з тим, що вона може з великим устхом вирiшувати цший ряд уже поставлених техшчно^нженерних задач.
Серед приладiв, побудованих на явищi фiксацii оптичного випромiнювання об'ектiв, особливе
мюце займають оптико-електроннi прилади i системи, яким влaстивi висока точтстъ, швидкодiя, можливiсть обробки бaгaтовимiрних сигнaлiв в реальному чaсi.
Наша робота присвячена конструюванню й до-слiдженню клейових дефектiв оптичних об'ектш, особливостей налаштування та усунення дефекпв пiд час склеювання, шдвищення точносл вимiрювaння геометричних розмiрiв дефектiв. З огляду лiтерaтури aнaлогiчнi дослiдження проводили Марина О.М., Маслов В.П. результата !х до-слiдження наведено в робот! [5]. Проте в цш роботi iнший об'ект дослщження, хоча оптичнi власти-востi та фiзичнi явища е однаковими притаманними оптичним об'ектам, однак в цш роботi система по-будована з застосуванням камери CCD. А в нашш роботi вимiрювaльну систему побудовано на бaзi камери з матрицею CMOS.
Актуальшсть
Остaннiм часом в технолопчно розвинених кра!нах значного поширення набули комп'ютери-зовaнi оптико-електроннi вимiрювaльнi системи
(ОЕВС) , за допомогою яких шформащя про структуру , стан та властивосп об'екпв рiзноl природи мiститься в !х випромiненi та перетворюеться в зоб-раження та аналiзуеться. ОЕВС ввдносять до найбiльш iнформативних засобiв контролю. Фiзич-ний принцип дп ОЕВС полягае у послщовносп пе-ретворень потоку оптичного випромiнювання, яке попадае у вхвдну апертуру. Оптична система фор-муе зображення об'екту в чутливш площинi свило -електричного перетворювача (СЕП), наприклад, матрицi приладiв i3 зарядовим зв'язком (ПЗЗ, CCD) i утворюеться первинний вiдеосигнал. Обробка от-риманих зображень за допомогою програмного за-безпечення е концевою операщею процесу контролю.
ОЕВС е надзвичайно перспективним засобом дослвдження у реальному чаа процесiв пошкод-ження та руйнування оптичних деталей у мюцях !х з'еднання у складi вузлiв та блоков шд час випробу-вань на мiцнiсть ввд рiзного роду фiзичних впливiв. При цьому параметрами контролю можуть бути геометричнi розмiри та перемiщення локальних областей деталей, яш мають малi (субмiлiметровi та мiкроннi) розмiри. При дослвдженш пошкодження та руйнування оптичних деталей у мюцях !х з'еднання у склащ вузлiв та блоков е доцiльним викори-стання ОЕВС, через ушкальну можливiсть вимiрювання геометричних, динамiчних та енерге-тичних параметрiв в реальному часi.
1снують науковi роботи де описано результати дослвдження оптичних об'ектiв, однак про застосу-
вання ОЕВС для контролю та вимiрювання геометричних розмiрiв дефекпв клейових з'еднань ранiше не застосовувались та не описувались. Тому вва-жаемо, що наведена вище проблема контролю якосп склокристалiчних матерiалiв на сьогодш по-внiстю не вирiшена. А наш результати до-слщження дозволяють в подальшому у вироб-нищга, процесi склеювання оптичних деталей уникнути й зменшити к1льк1сть та геометричш роз-мiри дефектiв клейових з'еднань.
Стенд оптико-електронноТ системи
За основу ОЕВС взято камеру вичизняного ви-робника OLTEC, оптичний мiкроскоп радянського виробництва МБС-09, що е широко застосовуваним в навчальному процесi та науково-дослщних шсти-тутах. Блок освгглення спроектовано наступним чином: юнуе можливiсть вибору джерела освiтлення та розташування його з рiзних сторш (зверху, знизу, навколо) вiдносно об'екту дослщження. Сто-совно джерел освилення обрано: по-перше, гало-генна лампа потужшстю 40 Вт (OSRAM); по-друге, енергозбер^аюча лампа потужнiстю 15 Вт, (OSRAM); в трете, свилодюдна лампа потужшстю 6,5 Вт (EUROLAMP). В ОЕВС застосовували блок живлення для передавально! камери OLTEC LC-144P - 12 В DC 120 мА, а система освiтлення об'екту тдключалась до живлення 220 В. Вщео-за-хоплення зображення об'екту обробляеться елек-тронними елементами плати Easier CA.
Основним чутливим елементом ОЕВС е камера OLTEC, тому насамперед, розглянемо ii характеристики.
Рис. 1 - Зовншнт вигляд безкорпусно1 камери OLTEC LC-144P
Особливютю камери е той факт, що вона е мо-дульною та безкорпусною. В нашiй роботi було ви-сунуто припущення, що вiдсутнiсть корпусу камери дозволить зменшити тепловий на^в матриц й елементiв камери та й вщповвдно знизити похи-бку вимiрювання параметрiв об'ектiв, для визна-чення яких буде застосовуватись ОЕВС. Розмiр матрицi CMOS 1/4'', з роздшьною здатнiстю 420 Tvl й чутливiстю 1 Lux. Камера представляе собою моноблок (рис. 1), ,габаритно монтажнi розмiри якого32 x 32 мм. , з фжсованим об'ективом, який монтуеться кршленням типу MTV та фокусною вщстанню 3,6. Тип ввдеосигналу PAL. Робочий режим температур ввдповщае дiапазону -10 ... + 50 °С.
Для побудови ОЕВС обрано оптичний м^оскоп МБС-09, що е доступним та за техшчними характеристиками ввдповвдае найпростiшому оптичному мiкроскопу. При конструюванш ОЕВС можна за-стосовувати оптичний мжроскоп Б1ОЛАМ. Такий вибiр мiкроскопу виконано з метою доступносп й можливостi вiдтворення побудови ОЕВС. Короткий опис складових вузлiв та зовнiшнiй вигляд мiкроскопу наведено на рис. 2. Основними складо-вими мшроскопу е: оптична головка мжроскопа -1; окуляр- 2; предметний столик - 3; ручки для ре-гулювання збiльшення зображення - 4; блок освгглювально! системи - 5; основа мшроскопу - 6.
4
Рис. 2 - Зовтшнт визляд оптичного мтроскопу МБС-09
Чинником, що впливае на точшсть вимiрювaння мiкрометричних розмiрiв оптичних деталей е освiтлення [6], тому в статп наведено результата експериментальних дослщжень з рiзними видами освiтлення. Проведено експериментaльнi дослвдження з рiзними джерелами освiтлення, яким влaстивi свiтлотехнiчнi характеристики описaнi в роботах [1 - 3].
За основу блоку освилення було взято три рiзнi види джерел. А саме: галогенна лампа потужшстю 40 Вт, температурою накалювання 3000 К, свпловою ввддачею 15 - 22 лм/Вт; енергозберта-юча лампа потужшстю 15 Вт, температурою накалювання 4000 К, свпловою вщдачею 40 лм/Вт; сви-лодiоднa лампа потужшстю 6,5 Вт, температурою накалювання 6500 К, свпловою вщдачею 80 - 100 лм/Вт.
У процес поеднання й шдключення всiх еле-ментiв структурно! схеми в единий вимiрювaльний стенд, зiштовхнулись з рядом особливостей налаштування. А саме було виявлено, що камера вiдмовляеться працювати з заданими парамет-рами(12 В DC 120 мА) й вiдобрaжaе тiльки шуми, хоча попередне шдключення з передавальною камерою з CCD - матрицею виявилось успiшним з сталим складом вах вузлiв ОЕВС. Шляхом експериментальних дослвджень було встановлено причину, виявилось, що камера працюе з напругою 12 В та струмом в 120 мА, а блок живлення який за-стосовувався при шд'еднанш з номiнaльних 12 В i 120 мА падав до 9 В та 400 мА вщповвдно. Як вка-зувалося вище при пiдключеннi камери з матрицею CCD, !й було достатньо 9 В i просадка напруги в 3 В не вплинула на стaбiльнiсть роботи камери. Але для нашою камери цього було не достатньо i в ре-зультап при пiдключеннi ввдображались лише шуми. Отже було прийнято ршення зaмiнити на бiльш потужний i стaбiльний блок живлення, який витримував i працював стaбiльно при шдключенш
нашою камери з матрицею CMOS, за заданих умов в умовах в 12 В DC 120 мА.[4]
Результати експериментальних дослщжень
Експериментaльнi дослiдження щодо вияв-лення дефектiв клейових з'еднань оптичних об'екпв проводили з застосуванням галогенно! лампи потужнiстю 40 Вт (OSRAM) в якостi дже-рела освилення, оск1льки попереднiй aнaлiз результата дослiджень ламп показав нaйкрaщi показники роздшьно! здaтностi зображення штрихов еталонно! мiри (комплект штрихових мiр ГОСТ 11415-78) при !i застосуванш За об'екти дослiдження обрано клейовi композици стандартних кле1в та деяш, що не е оптичними, однак результати !х досл1дження е показовими стосовно вiзуaлiзaцп дефектiв через щ№нють та колiр клею. Кле! наносили на оптично-прозорi скельця розмiром 20 х 30 мм й товщиною 2 мм та 3 мм, що були попередньо зачищеш вщ будь-яких речовин (пилу, бруду та iншого). Склеювання проводилось методом накладання скла одне на одне з подальшим очiкувaння зaкрiплення клейового розчину. Хочемо зазначити, що вищеперерaховaнi показники е сталими для вах експерименпв.
В робоп проведено експериментaльнi до-слiдження з наступними клеями: клей момент, хiмiчний склад якого це - цианакрилад 97 - 99 %, ефiри (етил - 2 цианакрилат, метил - 2 цианакри-лат) цианакрилова кислота; клей полiвiнiлaцетaт-ний, хiмiчний склад якого це - полiвiнiлaцитaт 95 %, синтетичш волокна; епоксидний клей, хiмiчний склад якого це - композицп на основi епоксидно! смоли; термопластичний клей, хiмiчний склад якого це -термопластичш полiмернi мaтерiaли на основi етилвшшацетату та полiмiду.
Пiсля дослiдження клейових з'еднань ОЕВС, отримано 1х зображення наведеш на рис. 3. Анaлiз та визначення геометричних розмiрiв проводили з застосуванням програмного забезпечення Gwyddion.
a) 3o6pawennR Kneüoeozo 3 'ednannR (nonieini- 6) 06 'eMne 3o6pawennR ^inbnicmb Kneüoeozo 3 'ed-na^mamnuü, h=2 mm) nannR (nonieinina^mamnuü, h= 2 mm)
e) 3o6pawennR Kneüoeozo 3 'ednannR (Kneü «Mo- z) 06 'eMne 3o6pawennR ^inbnicmb Kneüoeozo 3 'edna-Mewn», h=2 mm) hhr (kjieü «MoMewn», h= 2 mm)
d) 3o6pawennR Kneüoeozo 3 'ednannR (Kneü mep- e) 06 'eMne 3o6pawennR ^inbnicmb Kneüoeozo 3 'edna-MoiwacmwHuü, h=2 mm) __hhr (k Kneü mepMonnacmimmdi, h= 2 mm)
d) 3o6pawennR Kneüoeozo 3 'ednannR (Kneü e) 06 'eMne 3o6pawennR ^inbnicmb Kneüoeozo 3 'edna-enoKcudnuü, h=2 mm) uur (Kneü enoKcudnuü, h= 2 mm)
Puc. 3 - 3o6pawennR Kneüoeux 3 'ednanb ma ix o6 'eMni 3o6pa^ennR
Також проведено дослщження щодо усунення дефектiв клейових з'еднань, для цього використано Ультразвуковий Пристрiй (УП) «Ретона». Що дозволила з застосуванням вiбрацil випустити буль-башки повиря в клейовому з'eднаннi. До основних техшчш характеристик УП «Ретона» слщ вiднести: напругу живлення 220 ± В, частота 50 Гц; потуж-нiсть 5 Вт; частоту акустичних коливань ви-промiнювачiв 100 кГц ± 6 кГц. Конструкцiя УП «Ретона» складаеться з джерела живлення, ви-промiнювача i з'еднувального кабелю та мае серти-фiкат вщповадносп № РОСС RU. 11ME41. В 02389 й гiгiенiчний висновок № 70 ТС 31515 Т +131198 ввд 26.11.98 р. Результатом дп вiбрацil на клейове з'еднання в рiдкому станi стало зменшення иль-костi та геометричних розмiрiв дефектiв, що були проявом недотримання технологй' склеювання, оск1льки експериментальнi дослвдження проводились в учбовiй лабораторп, а не в науково-до-слвдному iнститутi, а також зб№шено площу склеювання на 28 % та мщшсть клейового з'еднання. Проте, це не знижуе результат щодо виявлення цих дефектiв та визначення 1х розмiрiв. Адже без наяв-ностi дефектiв не було б можливим 1х виявлення.
Висновок
Пропонуемо для контролю й визначення гео-метричних розмiрiв дефектiв клейових з'еднань оп-тичних деталей проводити на ОЕВС з спецiалiзова-ним програмним забезпеченням Gwyddion, яке е у вiльному доступi. За рахунок цього зображення об'екту дослщження можливо аналiзувати у 3D проекцп, що значно пiдвищуе точнiсть вимiрювання у мiкрометричному дiапазонi. Це сто-суеться глибини й щiльностi проклеювання з'еднання. В нашiй робоп описано особливостi побудови та налаштування ОЕВС сконструйовано! з застосу-ванням камери CMOS, вибору типу джерела освплення об'екту вимiрювання й наведено результата експериментальних дослiджень визначення розмiрiв дефектiв. Експериментальнi дослвдження проведено на зразках клейових з'еднань оптично-прозорого скла розмiрами 20 х 30 мм, товщиною 2
мм та 3 мм. Також наведено результата до-слщження щодо усунення дефекпв клейових з'еднань з застосуванням УП «Ретона». Що дозволила з застосуванням вiбрацiï випустити бульбашки повггря в клейовому з'еднанш та зб№шити площу клейового з'еднання на 28 %.
Список лггератури
1. Markina O.M. Development of the television control method of transparent material in the optical rangei [in Ukraine] / O.M. Markina, N.V. Kachur, V.P. Maslov // Quality, standardization, control: Theory and Practice: XIV International Scientific and Practical Conference., 23-26 september 2014 . - Odessa, 2014. -С. 88-89.
2. Patent №95934, Ukraine. MPK (2006.01) G01N 25/72. Control method of optically transparent materials [in Ukraine] / O.M. Markina, N.V. Kachur, Markina applicants OM Kachur NV - № u 2014 08494, submitted 25.07.2014; published. 12.01.2015, Bulletins. № 1.- 2 с.
3. Markina O.M. Evaluation of measurement errors geometrical parameters by means of television information and measurement systems [in Ukraine] / М. О. Markin, О. М. Markina // Vestnik NTU "KPI". Series of instrumentation. - 2009. - Released. 38. - С. 102-106.
4. Бондар К.В. Особливосп налаштування оптико-електронно1 вимiрювальноï системи для визначення дефекпв клейових з'еднань оптичних деталей / К.В. Бондар, О.М. Марина // Харив. -2016
5. Марина О.М. / Термографiчне до-слщження телевiзiйноï вщеокамери з ПЗЗ - матрицею / Марина О.М., Дунаевський В.1., Маслов В.П., Качур Н.В. // Сенсорна електрошка i мжросистемш технологи. - 2014 - Т.11, Вип. 4. - 103-108 С
6. Маркина О.Н. Исследование особенностей использования галогенных ламп JC в телевизионной измерительной системе / О.Н. Маркина // Сборка в машиностроении, приборостроении, -2015. - Вып. 5 (178). - С. 6-8.
