WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для формирования отображения на экране предложено устройство, которое состоит из следующих элементов (рис. 2): осветителя (включающего источник излучения 1 и анаморфотную телескопическую оптическую систему 2, формирующую веерообразный пучок световых лучей); экрана 4, на который падают лучи, отраженные на поверхности исследуемой трубки 3; видеодатчика 5 с двухкоординатным фотоприемником, осуществляющего анализ и первичную обработку информации о форме и параметрах кривой-отображения. После захвата изображения, сформированного на экране, и его оцифровки с помощью видеодатчика информация передается в компьютер, где осуществляется ее последующая обработка с целью вычисления диаметра.

Рис. 2. Схема измерительной установки

Для получения уравнения создаваемой на экране кривой-отображения, была рассмотрена схема, представленная на рис. 3. Здесь световые лучи выходят из точки А и падают на поверхность цилиндра радиуса R, ось которого совмещена с осью z декартовой системы координат. Плоскость, в которой лежат лучи, наклонена к оси z и, следовательно, к направляющим цилиндра под углом. Длина луча равна l; Q – расстояние от начала координат до точки Zq (точка пересечения экрана с осью z); – вектор нормали к поверхности в точке падения луча: Mk; Mk – точки падения луча соответственно на поверхность цилиндра и на экран.

Рис. 3. К выводу формулы (1)

Из анализа хода лучей на рис. 3 с учетом переноса начала системы координат в точку Zq было получено параметрическое уравнение плоской кривой, образованной пересечением отраженных лучей с плоскостью экрана:

(1)

где параметр t представляет собой угол между положительным направлением оси x и радиус-вектором точки сечения цилиндра пучком лучей. В общем случае эта кривая имеет две петли (рис. 4). На рисунке – текущая точка (след луча) на экране;  – точка экстремума, являющаяся световой проекцией опорного луча на экран. Для поставленной задачи интерес представляет только левая часть внешней петли (показана сплошной линией), где параметр t принимает допустимые значения. Часть кривой, показанная пунктиром, соответствует мнимым лучам, отраженным от внутренней поверхности бесконечно тонкого прозрачного цилиндра.

Рис. 4. Следы лучей, отраженных на внешней (1) и внутренней (2)

цилиндрических поверхностях, на плоскости

Применение параметрического уравнения (1) для решения обратной задачи – восстановления образа по отображению – вызывает значительные затруднения. С этой целью полученную кривую-отображение предложено аппроксимировать зависимостью

[(x + a)2 + ky2 – 2a(x + a)]2 – (2R)2 · [(x + a)2 + y2] = 0, (2)

где a = (Q – lcos) · tg; k – близкий к единице корреляционный коэффициент, приближающий аппроксимирующую кривую (2) к действительной кривой (1).

С целью повышения точности, значение диаметра предлагается вычислять для относительно большого количества точек на кривой в окрестности экстремума и окончательный результат находить усреднением:

, (3)

где i – номер измерения, n – количество измерений, D – искомый диаметр (D = 2R).

Следует отметить, что координаты точек исследуемой кривой (1) и аппроксимирующей кривой (2) различаются тем меньше, чем ближе полярная координата t приближается к, а точки экстремумов кривых при t =  совпадают. Поэтому, если в процессе измерения существует возможность определить координаты точки экстремума, то измерять координаты (x, y) других точек не требуется. Это приводит к упрощению расчетов и, как следствие, увеличению быстродействия измерительного устройства. В этом случае диаметр поверхности можно определить по координате x единственной точки (координата y точки равна нулю):

D = x – a. (4)

Для цифровой обработки оцифрованного изображения кривой разработан алгоритм, включающий этапы фильтрации нижних частот, бинаризации, морфологической обработки (закрытие и скелетизацию), определения координат точек объекта и вычисления диаметра по формулам (2, 3) или (4). Программа, написанная согласно разработанному алгоритму, реализована в пакете MatLab 7.

С целью проверки разработанного метода осуществлено компьютерное моделирование условий эксперимента в программном пакете 3DS Max 8, в результате которого установлено, что погрешность измерения, определяющаяся аппроксимацией и влиянием обработки изображения, составляет 1-1,5%. По результатам разработок подана заявка на патент 2071143578, РФ G01 B11/08.

Целью третьей главы является разработка устройства измерения наружного диаметра трубок-колб ЛЛ в процессе вытяжки и его внедрение в производство.

Среди геометрических параметров колб ЛЛ именно наружный диаметр имеет первостепенное значение, так как он оказывает существенное влияние на последующие операции сборки ламп. Исходя из результатов литературного и патентного обзора, сделан вывод, что наиболее оптимальным для измерения данного параметра является использование метода теневой проекции. Применение измерительного устройства в условиях производства накладывает дополнительные требования к быстродействию и помехоустойчивости.

Был разработан метод, основанный на получении изображения теневой проекции с помощью двухкоординатного фотоприемного устройства и его цифровой обработке, включающей этапы кадрирования («обрезания» изображения по краям), бинаризации, фильтрации шумов, определения угла наклона трубки и поворота изображения на этот угол с использованием преобразования Хафа (Hough transform). На последнем этапе разработанного алгоритма осуществляется вычисление диаметра из высоты прямоугольника, описывающего теневое изображение исследуемой трубки. Метод позволяет уменьшить погрешность измерения, вызванную наклонами трубки. Однако процесс обработки двумерного изображения достаточно трудоемок, что ухудшает быстродействие устройства измерения, и как следствие, ограничивает возможность его применения в условиях производства. Таким образом, более целесообразным является применение видеодатчиков с линейным фотоприемником.

Был исследован метод, в котором подход к измерению диаметра заключается определении координат границ полученного с помощью линейного фотоприемника изображения трубки. В качестве границ принимают самую левую и самую правую точки, соответствующие уровню яркости 0,5gср, где gср – усредненная по всем элементам изображения яркость. Проведенные исследования показали, что метод имеет ряд недостатков: нестабильность уровня средней яркости в кратковременный период за счет импульсных помех и в длительный период за счет запыленности и расфокусировки объектива, неизбежных в условиях производства. Иными словами, разработанный метод обладает низкой помехоустойчивостью, что ограничивает его применение.

Указанные недостатки определили необходимость разработки альтернативного способа определения координат краев теневого изображения трубки. В основу разработанного метода положен поиск в изображении участков с максимальным изменением яркости, или, иными словами, определении точек максимальной крутизны на графике распределения яркости. Предложено определять такие участки дифференцированием сигнала. В случае, когда яркость g задана в виде последовательности дискретных значений, производная приближенно может быть получена с помощью выражения

, (5)

где xi и xi–1 соответственно текущая и предыдущая линейные координаты точки в пикселах. Проведенные исследования показали, что наилучшая помехоустойчивость обеспечивается, если осуществлять дифференцирование скользящим окном с маской M2 = [1, 0, – 1] или M2' = [–1, 0, 1]. На рис. 5а показано изображение стеклянной трубки, полученное с помощью видеодатчика с линейным фотоприемником (для наглядности строка продублирована 250 раз), на рис. 5б – график распределения яркости в изображении, на рис. 5в – результат дифференцирования маской М2.

Непосредственно в процессе измерения удобно, чтобы как левая, так и правая границы определялись максимумами первой производной. Эта задача решается разбиением изображение на 2 части, при этом правую часть обрабатывают маской M2, а левую – маской M2'. Координаты границ теневого изображения исследуемой трубки в этом случае определяют по максимумам суммарной функции dg(x)/dx.

Разработанный метод положен в основу производственного комплекса автоматизированного контроля диаметра трубок ЛЛ на линиях вытяжки ОАО «ОСРАМ». Структурная схема комплекса представлена на рис. 6.

Основным блоком системы контроля диаметра является теневое измерительное устройство (измеритель), которое включает в себя установленные на оптической скамье осветитель и оптико-электронную систему регистрации теневого изображения (видеодатчик) с линейным ФПЗС, содержащим 2048 светочувствительных ячеек.

Рис. 5. Изображение стеклянной трубки (а), график распределения яркости

в изображении (б) и результат дифференцирования (в)

Данные от видеодатчика передаются в контроллер, где, согласно описанной выше методике, осуществляется обработка оцифрованного изображения. С регистров контроллера по запросу промышленной ЭВМ (ПрЭВМ) передается пакет данных, содержащих массив сигнала, полученного от видеодатчика, а так же координаты левой и правой границ объекта на теневом изображении. Регистры контроллера обновляются каждые 384 мкс; таким образом, дискретные измерения осуществляются с частотой 2604 раза в секунду.

Рис. 6. Структурная схема комплекса измерения диаметра трубок-колб ЛЛ

В памяти ПрЭВМ хранится программа, которая на основании полученных от контроллера данных выполняет ряд процедур:

  1. вычисление диаметра трубки Di для каждого дискретного измерения;
  2. обработка последовательности измерений (динамического массива) {Di} фильтром нижних частот для демпфирования всплесков, возникающих в момент скола трубки и вследствие ряда других технологических причин;
  3. определение, на основании результатов расчетов, попадает ли диаметр контролируемого изделия в заданный диапазон, и выставление на выходе последовательного порта ПрЭВМ сигнала на устройство разбраковки: «0» – годная трубка, «1» – брак;
  4. вывод с выходов параллельного порта ПрЭВМ данных на светодиодный шкальный индикатор, которой позволяет оператору производственной линии следить за качеством работы линии вытяжки в непосредственной близости от органов управления;
  5. формирование базы данных, содержащей размеры диаметров, усредненные по длине отреза трубки;
  6. получение от сервера набора данных, устанавливающих условия измерения и параметры контролируемого изделия;
  7. передача через определенный промежуток времени базы данных на сервер.

Для синхронизации работы измерительной системы и узла скола используется оптико-электронный датчик положения, с выхода которого через преобразователь уровня на вход последовательного порта ПрЭВМ поступает строб, сигнализирующий о прохождении ножом определенного положения.

Подобным образом реализованы системы на трех производственных линиях, каждая из которых по локальной сети связана сервером. Результаты контроля выводятся на дисплей сервера в виде диаграмм, которые за разные промежутки времени отображают количество (в штуках и процентах) годных трубок и трубок с диаметром больше максимально допустимого и меньше минимально допустимого.

Проведенные оценки показали, что величина абсолютной погрешности измерительного устройства при работе на технологических линиях лежит в пределах ± 25 … ± 28 мкм. Внедрение разработанной системы позволило повысить эффективность производства: экономический эффект от внедрения составил 407620 рублей, срок окупаемости – 1,8 года, что подтверждено Актом о внедрении научных положений и выводов диссертации от 21.12.2007 г.

Четвертая глава посвящена разработке метода измерения геометрических параметров поперечного сечения трубки. В результате проведенного аналитического обзора установлено, что известные устройства, основанные на методе поперечного сечения, позволяют определить диаметры и толщину стенки трубки. Целью главы является расширение возможности метода за счет определения не только указанных параметров, но и эллипсности образующих наружной и внутренней поверхностей, а также их несоосности.

В общем случае профильные сечения наружной и внутренней поверхностей трубок, полученных в процессе вытяжки, по форме наиболее близки к эллипсу. Поэтому, для более полного и точного описания сечения трубки после получения и оцифровки оптического изображения поперечного сечения необходимо аппроксимировать ее границы уравнениями, описывающими эллипс, при этом для определения параметров профильных кривых необходимо использовать общее уравнение кривых второго порядка

Ax2 + 2Bxy + Cy2 + 2Dx + 2Ey + H = 0, (6)

а затем приводить его к каноническому виду.

Разработан математический аппарат и алгоритм решения сформулированной задачи, который содержит 3 этапа.

  1. Зная координаты точек (x1, y1) … (xn, yn) исследуемых кривых в декартовой системе координат ДСК, находят коэффициенты A, B, C, D, E и H уравнения (6), для чего решают переопределенную систему n уравнений

, (7)

где свободному члену придают любое (ненулевое) значение, например H = 1.

  1. Находят ДСК1, в которой оси эллипса параллельны осям системы координат, а уравнение кривой не содержит члена, составленного из произведения различных координат: x1y1. При этом слагаемое 2Bxy исключают поворотом ДСК на угол. Таким образом, получают систему ДСК1, координаты которой x1 и y1 связаны координатами x и y системы ДСК соотношением

, (8)

где.

Переход от старых координат к новым определяется соотношением

. (9)

3) При помощи параллельного переноса ДСК1 находят ДСК2, в которой уравнение кривой будет иметь простейший вид. Координаты точки в этих двух системах связаны соотношениями и. Начало координат ДСК2 в ДСК1, таким образом, переносится в точку с координатами

(10)

В результате преобразований уравнение кривой принимает вид

. (11)

Переход к новым коэффициентам осуществляют согласно уравнению

, (12)

где H2 0, а знаки A1 и С1 одинаковы и противоположны знаку H2.

Из (11) получают выражения для нахождения длин полуосей:

. (13)

Был разработан и изготовлен макет устройства, в котором оптическое изображение поперечного сечения трубки оцифровывается с помощью видеодатчика с двухкоординатным фотоприемником и передается в компьютер, где осуществляется его обработка и вычисления. Алгоритм предварительной обработки включает этапы фильтрации нижних частот (сглаживание), бинаризации и морфологической обработки.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»