Когерентно-оптические методы представления и обработки информации в наукоемком приборостроении

-3
2.6.1. Списание экспериментальной установки и методика проведения исследований......................................... 60
2.6.2. Исследование влияния преобразования информации б частотной плоскости на корреляционный отклик....................... 63
2.6.3. Разработка метода оптической фильтрации с противофазной компенсацией для докусковой разбраковки деталей 63
2.6.4. Исследование влияния преобразования информации в предметной плоскости на корреляционный отклик 73
2.7. Основные концепции построения систем контроля.............. 75
Выводу..................................................... 84
Глава 3. Исследование возможности использования Пространственного кодирования И1ЙдОрмаЦИИ для дефектоскопа изделий со ояонноЯ формой поверхности......................................... 85
3.1. Разработка математической модели процесса кодирования с помоцьх) решетчатых структур............................ 36
3.2. Разработка ?сатематической модели процесса
дефектоск опии.......................................... 90
3.3. Исследование метрологических возможностей метода... 93
3.4. Установление требований к точности позмциокмровакия
уз дел "5......................................... .... 95
3.5. Ограничения метода...................................... 29)
3.6. Экспериментальные исследования метода................... 103
3.6.Г. Списание экспериментального оборудования и методики проведена экспериментов................................... 103
3.6.2. Результаты экспериментов..............................104
3.7. Основные концепции построения систем дефектоскопии 112
3,7.1. Разработка датчиков структурного освещения........... 113
-4-
3.3.2. Разработка систем дефектоскопии с электронной обработкой информации.................................................... 116
3.3.3. Разработка систем дефектоскопии с оптической обработкой информации.................................................... 121
Вывода.................................................... 125
'лава 4. Голографические исследования взаимосвязи геометрических и вибрационных параметров тонкостенных непрозрачных цилиндрических оболочек....................................... 127-
4.1.Теоретически?, анализ форм собственных колебаний цил^ндри-ческого резонатора....................................... 130
4 Л Д. Основные уравнения теории тонкостенных цилиндрических
оболочек................................................... 130
4Л.2. Математическая модель "нтерферограмгла корм собственных клебанчй резонатора с постоянной толщиной стенки.. 134
4.1.3. Математическая модель поведения форм собственных колебаний резонатора с переменкой толщиной стенки 135
4.2. Разработка экспериментального оборудования и методой проведения исследований............................................ 145_
4.2.1. Описание экспериментальной установки........................ 145
4.2.2. Методика проведения исследований............................ 150
4.2.3. Интерпретация интерферограі-тл.............................. І5І
4.3. Результаты экспериментальных исследований.................... 154
4.3.1. Анализ информативности различных форм собственных колебаний резонатора.............................................. 154
4.3.2. Исследование взаимосвязи геометрии резонатора с формой колебаний Ш= 2 П=3................................... 150
4.3.3. Исследование взаимосвязи конструктивно-технологических параметров с качеством изготовления резонатора.....................167
4.3.4. Исследование эффекта расщепления собственных частот... 174
-5-
4.3.5. Т'сследовакие нестабильности частоты колебаний резонатора при нагружении его давлением................................ 130
4.4. Критерии и комплексная оценка качестза изготовления цилиндрических резонаторов........................................ 13с
4.5. Разработка автоматизацій дефектоскопии цилиндрических
резокатороз................................................. 198
Бызода...................................................... 201
їва 5. ^нтерферекционно-голографические исследования геометрических у в?*брацион:-мх параметров кварцевой тонкостенной полусферической оболочки............................................ 204
5.1. Разработка интсрференциокко-контактного метода оценки геометра кварцевого полусферчческого резонатора 205
5.1.1. Экспериментальная установка.............................. 207
5.1.2. Методика проведения эксперимента.................... 209
5.1.3. Результата экспериментов............................ 205
5.1.4. Разработка автоматизации оценки геометрии резонатора 214
5.2. ,гзучение форм колебании полусферического резонатора... 217
5.2.1. Экспериментальная установка................................ 217
5.2.2. Методика получения иктерферогрегтл форм колебаний резонатора........................................................ 220
5.2.3. Результаты экспериментов................................... 222
Вывода.................................................... 225
еа 6. Голографические исследования дефрмаций упругих элементов 22В
6.1. Разработка ыат еретической модели нктерферогрэши упругого элемента................................................. 223
6.1.1. Матегаатическая модель чктер&ерогракмн торсиова *. 229
6.1.2. Математическая модель интерферограплг деформаций чувствительного элемента акселерометра............................ 232
-6
6.1.3. татеыат^ческиА анализ поведения ілембранной коробки
пр« нарушена ее герметичности............................... 236
6.2. Разработка оборудования v методики проведения экспериментов.............................................................. 241
6.2.1. Экспериментальная установка.................................. 241
6.2.2. Приспособлена для нагругекня упругих элементов 243
6.2.3. Методика проведена: экспериментов............................ 245
6.3. Результаты экспериментальных "сследований ................... 247
6.3 Л. Исследование торс иона....................................... 247
5.3.2. Исследование чувствительного элемента акселерометра.... 254
6.3.3. Оценка герметичности мембранной коробка...................... 257
6.4. Разработка автоматизации дефектоскопии упруг^х элем ентов 253
Пивода...................................................... 257
во 7. Голографические исследования депормац’^й неподатних *
*»
соединений.................................................. 23 S
7.1. Т7сследовеиие соединений чувствительного элемента гидродинамического гироскопа............................. 270
7.2. "сследование паяного соединения элементов упругого подвеса динамически настраиваемого гороскопа............. 273
7.3. Исследование соединения металл-стекло, выполненного диГгузноиной сваркой..................................... 279
7.4. Исследование детонационного покрптия деталей.............. 283
7.5. Исследование микротвердости лазерного упрочнена
деталей................................................... 288
Вывода....................................................*. 293
эа 0. Исследование возможности регулировки приборов с поморю
голографической интерферометрии............................. 295
8.1. Регулировка микродвигателей с вмнтовкы соединением
элементов................................................. 235
.2. Регулировка упругого подвеса z-’у.еіг'кеск” настраиваемого
гироскопа........................................................
:-)ывода............................................................
Заключение .........................................................
Литература..........................................................
Приложение I........................................................
Прилозекие 2........................................................
Введение
Период с середины 00-х по начало 90-х годов для авиационного приборостроения прошел под знаком интенсивной разработки и создания приборов нового поколения таких как частотные датчики давления, акселерометры и гироскопы.У1х отличительной чертой является высокая точность работы при значительном сокращении размеров, достигаемые за счет построения на новых физических принципах, использования нетради-цонных для приборостроения материалов, обязательного учета различного рода микродеформаций. Все это поставило перед авиационной приборостроительной промышленностью проблему ее адекватного информационно-измерительного обеспечения, позволяющее решать следующие задачи:
— автоматизация бесконтактного контроля параметров плоских и объемных деталей с абсолютной погрешностью в пределах 1-2 мкм; качество сварных, паяных, клеевых м резьбовых соединений; оптических неоднородностей и дефектов изделий из оптически прозрачных материалов;
— определение механических напряжений термонагруженных областей и локальных искажений формы изделий;
— анализ вибрационных полей динамических объектов и деформаций упругих элементов различного назначения.
С аналогичными проблемами сталкиваются при проектировании и отработке конструкции, технологии изготовления и оценке качества готовой продукции в часовой промышленности, радиоэлектронике и вычислительной технике при создании узлов точной механики и их элементной базы.
Традиционные информационно-измерительные методы и средства с учетом отмеченных особенностей развития совре-
-Семенного приборостроения оказались мало эффективными, либо вообще неприемлимыми.
Поэтому особого внимания заслуживает одно из направлений радиофизики— когерентно-оптические методы представления и обработки информации, а именно, методы оптической согласованной фильтрации, пространственного кодирования информации и голографической интерферометрии. Они обладают рядом таких уникальных свойств как бесконтактное и одновременное получение информации, в том числе трехмерной, о положении точек по всей поверхности объекта; низкий порог чувствительности, определяемый долями длины световой волны; возможность исследования объектов с любой степенью обработки поверхности и из любых материалов; использование в качестве меры длины световой волны; легкость сопряжения с электронными средствами автоматики; возможность решения как статических, так и динамических задач.
Когерентно-оптические методы представления и обработки информации основаны на сложных и наукоемких механизмах, охватывающих различные направления радиофизики.
Целью настоящей работы является раскрытие физической сущности механизмов, теоретическое, методологическое и практическое обоснование возможностей и эффективности использования когерентно-оптических методов представления и обработки информации применительно к информационно-измерительному обеспечению современного приборостроения, а также создание на их базе информационно-измерительных средств.
Научная новизна работы заключается в теоретических и зкпериментальных исследованиях когерентно-
10-
применительно к информационно-измерительному обеспечению наукоемкого приборостроения, позволивших создать математические модели процессов контроля и измерения; разработать схемные решения и концепции построения информационно-измерительных систем; оценить их метрологические возможности и требования к элементной базе; создать комплекс методик и оборудования для отработки конструкции, технологии изготовления , оценки качества и поведения изделий авиационного приборостроения в реальных условиях работы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
— повышение чувствительности оптической согласованной фильтрации за счет преобразования амплитудно-фазового распределения световой волны как на входе, так и в частотной плоскости голографического коррелятора; это позволяет повысить на порядок точность систем контроля и расширить класс контролируемых деталей;
— управление чувствительностью голографического коррелятора с помощью фильтра, синтезированного методом противофазной компенсации. Такой фильтр позволяет изменять поле допуска в широких пределах;
— пространственное кодирование информации с помощью решетчатых структур для получения информации об объемных свойствах объекта. Это позволяет решать задачи бесконтактного контроля изделий со сложной формой поверхности;
— метод голографирования зеркально отражающих объектов цилиндрической формы, сущуственно упрощающий аппаратурное решение оборудования;
— метод оценки геометрии тонкостенных оптически прозрачных осесимметричных оболочек. Он при сохранении высокой точности контроля дает возможность существенно сократить число механических контактов с поверхностью оболочки;
— методология применения голографической интерферометрии для решения задач по отработке конструкции, технологии изготовления и оценке качества элементной базы современного приборостроения;
II
— концепции построения норазрушающих информационно-измерительных систем на базе методов оптической согласованной фильтрации, пространственного кодирования информации и гологрфической интерферометрии.
Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований явились основой при создании комплекса методик и оборудования для отработки конструкции, технологии изготовления, оценки качества и изучения поведения в рабочих условиях элементной базы авиационного приборостроения.
Полученные результаты, разработанный комплекс методик , схемные решения и принципы построения систем контроля позволили снять проблемы по информационно-измерительному обеспечению разработки и производства элементной базы частотных датчиков давления, акселерометров и гироскопов нового поколения. При этом комплекс разработанных методик является универсальным и может быть использован при решении технических задач по созданию разнообразных изделий современного приборостроения. Более того, проведенные исследования позволяют сделать заключение о когерентно-оптических методах и средствах представления и обработки информации как о самостоятельном направлении в информационно-измерительном обеспечении современного приборостроения.
Реализация работы. Результаты иследо-ваний, разработанные концепции построения информационно-измерительных систем, схемные решения и разработанные методики получения информации внедрены и внедряются на ряде предприятий авиационной и машиностроительной отраслей отечественной промышленности. Так, результаты исследований
12-
когерентно-оптических методов по оценке геометрии плоских деталей и формы деталей со сложной поверхностью явились основой разработок Центрального научно-исследовательского технологического института машиностроения серии систем для автоматизации визуального контроля качества боеприпасов. Созданный контрольно-измерительный голографический комплекс нашел применение на ряде приборостроительных предприятий авиационной промышленности при отработке конструкции, технологии изготовления, оценке качества и изучении поведения в рабочих условиях элементной базы приборов нового поколения.
Экономический эффект от внедрения разработок в период 1980-1990 годов составил более 600 тыс. рублей. Отдельные разработки в течении ряда лет демонстрировались на международных выставках в ПНР, ЧССР, НРБ,ГДР и Финляндии, а также на ОДНХ СССР. За их разработку автор отмечен золотой, тремя серебряными и двумя бронзовыми медалями. Кроме того,научные разработки нашли отражение в учебном процессе ( "Исследование допусковой разбраковки деталей с помощью голографического коррелятора". Методические указания к лабораторной работе, изданные МА.ТИ им.К.Э.Циолковско-го в 1984 г.).
Таким образом, диссертационная работа представляет собой обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное и социальное значение, заключающееся в разработке , теоретическом, методологическом и практическом обосновании информационно-измерительного обеспечения современного приборостроения на базе когерентно-оптических методов представления и обработки информации, обеспечивающих повышение объективности про-
-13-
цессов получения информации, надежности и долговечности изделий приборостроения , повышение производительности и улучшение условий труда.
Апробация работы. Основные результаты разработок и исследований докладывались автором на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзной конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы", Ленинград, 1975 г.; 2-ой Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1976г./Всесоюзном семинаре "Новые оптические методы и приборы для контроля длин, углов, формы и шероховатости поверхностей", Москва, 1980 г.; 9-ой Всесоюзной конференции "Неразрушакхцие физические методы и средства контроля", Минск, 1981 г.; Международной школе по когерентной оптике и голографии, Болгария, гор. Варна, 1981 г.; Всесоюзном семинаре Лазерная технология в приборостроении", Пушкино, 1982 г.; Всесоюзной конференции "Неразрушающие методы контроля", Барнаул, 1982 г.; Всесоюзной конференции "Проблемы генерирования, обнаружения и эффективности применения сложных сигналов", Киев 1982 г.; Всесоюзной конференции "Технологические пути экономии трудовых и материальных ресурсов и интенсификации производства в приборостроении", Суздаль, 1983 г.; 2-ой Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов приборостроительной промышленности, Москва, 1983 г.; Всесоюзной конференции "День советской науки",1984 г.; 10-ой Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Львов, 1984 г.; 11-ой Всесоюзной конференции "Диффузионные соединения металлических и неметаллических материалов", Москва, 1984 г.; Всесоюзном
-14- .
семинаре "Применение оптической голографии для неразрушающего контроля", Ленинград, 198*1 г.; Всесоюзном семинаре "Лазерная технология в производстве приборов", Паланга,
1964 г.; Всесоюзном семинаре "Методы и средства технической диагностики в приборостроении", Дилижан, 1985 г.; Всесоюзном семинаре "Лазерная технология в приборостроении", Рига, 1985 г.; Всесоюзной конференции "Пути интенсификации производства в приборостроении на базе ресурсо- и энергосберегающих технологий", Нальчик, 1986 г.; 11-ой Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Москва, 1987 г.; семинаре МДНТП "Лазеры в народном хозяйстве", Москва, 1986 г., 1988 г.; 6-ом Всесоюзном отраслевом научно- техническом совещании "Состояние и перспективы развития методов и средств неразрушакхцего контроля авиационной техники", Ульяновск, 1989 г.; Российской конференции "Новые материалы и технологии машиностроения", Москва, 1992 г., 1993 г.
Диссертационная работа докладывалась на кафедре "Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов" МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе 27 статей, 30 авторских свидетельств, 19 докладов.
Структура и об ъем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав , заключения и двух приложений. Материал изложен на 202 страницах, содержит 140 рисунков на 83 страницах и 11 таблицах. Список использованной литературы состоит из 171 наименования на 18 страницах.
-15-
Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
1.1. Тенденции развития современного приборостроения Развитие современного приборостроения идет по пути микроминиатюризации, увеличения точности, надежности и быстродействия работы приборов. При этом на ряду с совершенствованием сложившихся принципов создания приборов наблюдается поиск принципиально новых методологиче ских основ их построения —на базе инертных свойств упругих волн, лазерного излучения, сил Лоренца —и исполь пользования материалов со специальными физико-механиче ническими свойствами.
Значительное усложнение приборов , совершенствование их качественных параметров остро ставят проблему повышения как технологичности конструкции приборов, так и изыскания оптимальных процессов изготовления деталей, сборки и регулировки приборов. Все это непосредственным образом сказывается на качества создаваемых приборов.
Проблема повышения качества создаваемых приборов охватывает широкий спектр вопросов проектирования и производства, при решении которых весьма существенное значение имеют, с одной стороны, непрерывное совершенствование технологичности конструкции приборов, а с другой стороны, — разработка новых прогрессивных технологических процессов. Качество технологических процессов на всех этапах производства современных приборов во многом определяет чувствительность, точность, долговечность и надежность их работы. В свою очередь, появление новых технологических процессов способствует конструированию более совершенных приборов с более
-16-
стабильными во времени параметрами, снижению их веса, размеров, потреблению энергии и уменьшению трудовых затрат ка их изготовление.
Создание приборов нового поколения характеризуется рядом особенностей. Первой особенностью является большое разнообразие используемых материалов, таких как: титан , бериллий, конструкционные материалы и инструментальные стали, рубин, алмаз, различные марки стекла, специальные сплавы. Второй особенностью можно считать стремление к микроминиатюризации деталей и самих приборов . Третья особенность заключается в многообразии сочетаний соединяемых материалов с разными физико-механическими свойствами ( сталь-медь, сталь-магний, сталь-керамика, металл-стекло,металл-янтарь и т.п. 1 ЛВся совокупность разнообразных требований, вопросов и проблем в полной мере выявилось при разработке и создании чувствительных элементов частотных датчиков давления, акселерометров и гироскопических приборов нового поколения 12, 3].
Сюда относятся частотные датчики давления ( ЧДД ), которые широко используются в современных информационно-измерительных бортовых системах и комплексах (4]. Их отличительной особенностью являются высокая точность измерения - 0,03% и стабильность частоты колебаний - 0,01% от верхнего предела измерения.
Чувствительный элемент ЧДД представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку, вибрирующую на ОДНОЙ из частот собст-венного резонанса. Точность измерений и стабильность частоты колебаний ЧДД в первую очередь определяется качеством резонатора: гео-метричееккми и вибрационными параметрами, наличием дефектов и характером поведения резонатора в рабочем режиме.
-17-
Резонатор/ но уже в виде тонкостенной полусферической оболочки и выполненный из кварца, является чувствительным элементом твердотельного волнового гироскопа - одной из последних разработок в области гироскопии [ 5 ]. В основе принципа действия этого гироскопа лежат инертные свойства упругих волн [ б ]. Для этого в резонаторе возбуждается стоячая волна. Информация о положении объекта управления в инерциальном пространстве содержится в прецесии узлов стоячей волны относительно поверхности резонатора. При неподвижном основании гироскопа узлы и пучности стоячей волны/ которые характеризуют форму колебаний резонатора, однозначно связаны с главными осями при условии идеального выполнения резонатора. Дефекты в виде овальности, разнотолщинно-сти оболочки и неоднородной плотности материала приводят к нарушению форм колебаний и тем самым к точности измерений, что может быть использозано для оценки качества изготовления резонатора [ 5 ] .
Упругие элементы,работающие на кручение,изгиб, параллельное смещение их частей или комбинации перечисленных движений механики,широко используются в качестве чувствительных элементов современных акселерометров и гироскопов [7,8].В общем случае чувствительные элементы упомянутых приборов представляют собой различные по конфигурации и исполнению конструкции, выполненные из одного материала,чем достигается однородность физико-технических свойств составляющих их частей и стабильность характеристик в рабочих условиях.Высокая точность обработки чувствительных элементов, сложность конфигурации и крайне низкая жесткость требуют решения ряда нестандартных технических задач.
-18-
Ни один прибор при своем создании не обходится без использования того или иного вида соединения: резьбового, прессового, клеевого, сварного, паяного и т.п. ( 10 ] .Кроме того, для повышения ресурса и надежности работы приборов широко применяется модификация физических свойств поверхности деталей путем упрочнения, микрологирования, получения на них покрытий ( 11 ].
О качестве, техническом уровне и надежности работы приборов судят только после колическтвенной и качественной оценки их параметров. При этом оценка должна проводиться на всех этапах создания приборов - от входного контроля сырья и комплектующих до испытания готовой продукции.
Естественно, что отмсченныо особенности развития современного приборостроения требуют адекватного информационно-измерительного обеспечения для разработки и создания приборов нового поколения.
1.2.Анализ перспективности применения когерентнооптических методов в информационно-измерительном обеспечении приборостроения Существующие и широко применяемые контактные и неоптические методы и средства контроля и измерения уже не обеспечивают решения возникающих информационноизмерительных задач при разработке приборов нового поколения. Проблема обеспечения современного приборостроения над лежащими информационно-измерительными средствами усугубляется еще и обязательным 100% контролем и тем обстоятельством, что в условиях микроминиатюризации на передний план выходит учет влияния напряженно-деформированного состо-
19-
яния деталей, входящих в состав прибора.
Действительно, такие методы измерения и контроля как ради об ол-новые , электромагнитные , емкостные , газоразрядные и радиационные применительно к особенностям современного приборостроения в силу различных технических причин оказывается либо мало эффективными, либо вообще ««пригодными [J2/ із].
В этом отношении по своим метрологическим возможностям более привлекательными является оптические и оптико-электронные методы измерения и контроля [14+18]. Они широко используются при контроле размеров детале? с мало? поверхностной прочностью, при контроле движущихся деталек, для автоматического контроля группы параметров с одной установки, при контроле формы и параллельности по-поверхностей, для измерения в местах, технологически не доступных для контакта с поверхностью, при измерении больших длин, при позиционировании и ориентации самод»ищущихся робототехнических устройств. Оптические методы *гвляются универсальными но отношению к материалу объекта измерения. На их основе разрабатываются тлетрологичесхие средства для линейных измерений в диапазоне от нескольких микрометров до 50 м, достижимая точность составляет 0,1 - 0,0152.
Однако попытки привлечения уне существующих средств ка базе оптических и оптико-злектрокних методов измерения и контроля для метрологического обеспечения производства приборов ноеого поколения не приводят к желаемому результату. Поэтому изыскание и разработка иных методов и средств оценки качестза в авиационном приборостроении представляется Еесьма актуальным.
По свои?л потенциальным возможностям наибольшего внимания заслуживают когерентно-оптические і'етодц: представления и обработки информации, а именно, методы оптической согласованной фильтрации
-20-
[ІУ-20], пространственного кодирования информации [21-22] и голографической интерферометрии [23-25]. Они обладают рядом практически важных для автоматизации достоинств, к которым следует отнести: простоту алгоритма получения и обработки информации, удобство сопряжения со средстваг.пі автоматики, оперативность лерена-ладкк при анализе нового вида ^формации, высокое быстродействие. В тоже время в условиях реального производства они позволяют обеспечить:
- по з иционг,ф овакие деталей существующими средствами;
- бескоЕтакткость операции контроля;
- необходимую точность контрсот;
- контроль изделий с любой формой и степенью обработки поверхности;
- оценку поведения изделий в зксіціуатационнпх условиях;
- надежность функционирования систем контроля;
- экономическую пелессобразность их эксплуатации. *
I г
Одним из первых и наиболее ярких применений оптической согласованной фильтрации было автоматическое распознавание образов [26]. Поскольку контроль качества изделий является разновидностью
распознавания образов, то естественным оказалось стремление к
—• ••• ' , ,
использованию оптической согласованной фильтрации для решения задач контроля и дефектоскопии. Так, в работе [27} фильтрация использована для обнаружения малих деформаций поверхности и їлик-ротреппін, которые язляются рани-пш признаками механической усталости. Подобна.: же образом обнаруживалась ранняя усталость паяных соединений [28]. Автоматический контроль геометрии изделий и их дефектоскопия рассмотрен: в работе [29]. Вце один пример контроля качества дают работы [ЗО-іФ, «#] где показана эффективность пространственной фильтрации для решения задач оценки каче-
-21-
ства фотоыасок и топологии интегральных схем при их разработке, производстве и применении.
Определение раз?<іеров частиц является друтой областью, где оптическая корреляция оказалась полезной. Размер потенциально вредных частиц очень важный фактор в определении степени опасности, которую они представляют. Например, голограг^лы-фильтрк, скнтезирозан-тпте с помощью ЭВМ, были использованы в многоканальной системе, предназначенной для сортировки частиц по размерам, ле-
кащш в микрометров см диапазоне [35].
Однако из опубликованных работ не очевидна возможность использования оптической согласованной фильтрации в точном приборостроении, где к методам ч средствам контроля линейных размеров предт^-являются весьма жесткие требования - необходимость определегат геометрии детали с точностью в несколько микрометров.Поэтому широкое внедрение в практику ’метрологического обеспечения точного приборостроения оптической согласованной фильтрации сдерживается рядом научно-технических трудностей, нерешенных до настоящего времени.
і
Одними из центральных вопросов, стоящим на пути создания автоматических систем контроля линейных размеров на базе опти-ческой согласованной фильтрации, являются разработка принципов построена систем, установление их метрологических возможностей, установление требований к позиционированию деталей и фильтров, а также поиск путей цовипені'Л точности измерения отклонения от идеального сиг-кала.
Внимание к методам пространственного кодирования информации как средству контроля обусловлено также проблемой распознавания образов - распознаванием трехмерпых объектов [36,37] и анализом объемных сцен [38] .по их изображениям. Сложность решения этой проблема связана, с одной стороны, необходимостью переработки
-22
большого количества информации (до выделения основных признаков распознаваемых объектов) , а с другой стороны, недостаточной ин-
л
формативностью изображений распознаваемых объектов. Поэтому в проблеме распознавание трехмерных объектов к настоящему времени выявились два направления.
Первое [39] связано с применением методов обработки информации» имеющей избыточную информативность, и сводится к отфильтровывать :.<алОинфориативных составляющих. Второе [40] относится к ситуации когда, наоборот, изображения обладают недостаточной информативностью, например при высоком уровне шума или если изображения распознаваемых объектов близки между собой. Известные способы пространственного кодирования информации основаны на создании вспомогательных сигналов на поверхности объемных тел либо слабо"связанных" с о свойства?,м распознаваемых объектов , либо вообще не "связанных* с ни,и [41],
Применительно к задача:.! контроля и дефектоскопии промышленной продукции наибольшего внимания заслуживает метод пространственного кодирования с помощью решетчатых структур [42], где на поверхности объекта формируется контрастный узор, непосредственно связанный с формой объекта. Трансформация структуры кодирунцего сигнала на изображении распознаваемого объекта (обусловленная особенностями его форш) обеспечивает высокую информативноеть изображения дрк градационной его простоте,
В работах [43,44] показаны перспективы применения пространственного кодирования с помощью решетчатых структур для промышленного контроля и .дефектоскопий! изделий со сложной формой поверхности.
Широкое внедрение систем контроля на базе пространственного кодировании информации в производство здесь также сдерживается рядом нерешенных научно-технических вопросов. К такш вопросам
-23-
стноонтся метрологические возможности, требования к точности позиционирования деталей, ограничения метода, выбор и требования к элементной базе, а также принципы построения систем контроля с корреляционной обработкой.
Одними т-13 прогрессивных и быстро развивапвциз-.зися '{Эмерительлы-:п: средствам являются средства на базе голографической интерферометрии, которые из стадии лабораторных исследований переходят на этап промышленного освоения [4547] .
Голографическая интерферометрия в последние годы получила широкое и эффективное применение. Сна позволяет проводить измерения перемещений в образцах материала и деталях объет.зкой форлы с не-плоокими поверхностями и рассез-зваадим отражением, тогда как клас-сическая интерферометрия применима лишь да зеркальных плоских поверхностей. В голографической интерферометрии когерентный свет с периодическими колебаниям используется как высокоточная шкала для прецизионных измерений, дистанционных и в пространстве.
Голографическая интерферометрия оказалась эффективным средством оценки полей малых перемещении точек поверхности при приложении механических, тепловых к других нагрузок, для исследований вибрации объектов, наблюдения и регистрации структурных изменений, в материалах при механических испытаниях. Получаемая информация дает возможность находить возникающие деформации и напряжения путем дифференцирования картины ноля перемещений, а также доводить неразруиаищий контроль изделий.
Измерения полей перемещений на основе голографической интерферометрии имеют ряд преимуществ: бесконтактность измерений; возможность регистрации общей картины поля перемещений и измерение величины и направления перемещеш-зя в выбранное; точнее поверхности объекта; высокая чувствительность к перемещениям, оцениваемая в
-24-
долях длины волны света; применимость к объекта:.! любой формы и из различных »еатеркатов при люб о?.с качестве обработки.
Это обуславливает использование голографической кнтерферомет-рии для решения широкого класса задач, таких как исследование формоизменения объекта в процессе его деформирования, определение значений и направлений перемещений, проведение анализа напря-жетіо-деформировали ого состояния, контроль рельефа поверхности сложной формы, оптэеъеление форм к частот колебаний различных объектов, оценка шероховатости поверхности и т.д.
Информация, получаемая с помощью голографической интерферометрии, представляет собой паче интерференционных полос, связан-шх определенными соотношениям с перемещениями объекта исследования. Поскольку значения регистрируемых перемещений весьма малы, то любые нарушения однородности материала и мест соединения элементов конструкции будут приводить к аномалиям интерференционных картин. Данное обстоятальство создает объективные предпосылки /ля применения голографической интерферометрии в качестве средства неразруїоащего контроля материалов и изделий уже на этапе качественного анализа первичных экспериментальных данных. Это соответствует задаче - ускорить внедрение автоматизированных средств контроля качества и испытаний про.чукции как составной части технологических процессов.
В частности, к настоящему времени голографическая интерферометрия уже наша практическое применение при анализе и измерениях вибрацй; [47], оценке величины деформаций сложшх поверхностей [4в], для контролі лопастей авиационных турбин и шин в ави-
ционной промышленности [43], дефектоскопия оптически прозрачных изделий и процессов [50], а также для целей анализа поведения изделий в экспериментальной механике [51] , в металловедении [52]
-25-
и двигателестроении [53] .
Что касается сведений по использованию голографической интерферометрии в авиационном приборостроении, то они практически отсутствует. Поэтому для широкого внедрения методов голографической интерферометрии в разработку и создание приборов нового поколения необходимы детальные исследования их возможностей применительно к информационно-измерительному обеспечению производства приборостроения, а также накопление опыта работы с учетом особенностей тенденции развития современного приборостроения.
Таким образом, подвод- итог изложенному, проблемные задачи современного приборостроения И перспективные методы их решения мокко свести в следущую таблицу.
Таблица І.І.
Проблемные задачи приборостроения и перспективные методы их решения
Объекты
приборостроения
Проблемные задачи приборостроения
Методы
решения
узлы
точно:“;
механики
датчики
давления
акселерометры
гироскопические
приборы
автоматизация процесса контроля геометрии плоских деталей;
автоматизация процесса дефектоскопии изделий со сложной" формой поверхности;
отработка конструкции, технологии изготовления, оценка качества и изучение поведения в рабочих условиях сварных, паяных, клеевых и резьбовых соединений; оптических неоднородностей И дефектов изделий из прозрачных материалов; механических напряжений нагруженных областей и локальных искажений фюшы деталей; -вибрационных' полей динамических объектов и деформаций упругих элементов различного назначена
методы оптической
согласованной
фильтрации
методу пространственного кодирования информации
методы
голографическоГг
интерферометрии
Для разрешения возникших в приборостроении проблем в Московском авиационном технологическом институте т.К.3.Циолковского
-26-
зав. кафедрой "Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов" профессором, д.т.к. Суминовым З.М. был создан Центр по лазерной технологии и на его базе в ведущих предприятиях авиационного приборостроения открыты отраслевые лаборатории.
• * '
Одним из итогов деятельности Центра по лазерной технологии и явилась настоящая диссертационная работа.
1.3. Постановка задач разработок и исследований
Когерентно-оптические методы представления и обработки информации и средства на их основе для решения задач информационно-измерительного обеспечения современного приборостроения представляются таким образом весьма перспективными.
К настоящему времени опубликовано достаточно большое количество статей и монографий, посвященных различным аспектам применения ко-геренткой оптики и голографии. Однако, ч-сло работ, обобщающих и • систематизируюс.их ОПЫТ практического ИСПОЛЬЗОВАНИЯ методов И средств когерентной оптики и голограф/ии применительно к проблема?.! информационно-измерительного обеспечена производства в авиационном приборостроении, пока еде очень гало. V- связано это с тем, что широкое внедрение когерентно-оптических методов и средств представления И обработки информации з информацио нно- измерит ель но е обеспечение разработок и создания прмбороз нового поколения требует решения целого ко?:плекса задач. К ним откосятся:
- установление метрологических ЕОЭМО '.НОСТеЙ метода оптической согласованной Фильтрации при контроле линейных размеров плоских деталей и методов пространственного кодирования информации при дефектоскопии изделий со слоаной формой поверхности;
27-
- установление требований' к точности позиционирования изделий на позиции контроля;
- решение вопросов допусковой разбраковки изделий;
- разработка принципов построения автоматических систем контроля ка базе когерентно-оптических методов представлена к обработки информации;
- исследования к разработки по конкретным применениям методов голографической интерферометрии на различных этапах создания ния приборов: от отработки конструкции элементов и узлов приборов вплоть до их настройки и регулировки.
Таким образом основными задачами работы являются:
1. Теоретические и экспериментальные исследования метрологических возможностей и требований к точности позиционирования наделит": на входе систем контроля ка базе оптической согласованной Фильтрации.
2. Теоретические и экспериментальные исследования метрологических возможностей и требований: к точности ориентации изделий на входе систем контроля на баае пространственного кодирования инновации к корреляционной обработки.
3. Поиск путей повышения чувствительности и допусковой разбраковки изделий для систем контроля на базе оптической согласованной фильтрации.
4. Разработка и исследование интерференционнс-галографического контроля геометрических и вибрационных параметров осесишетричнпх тонкостенных резонаторов, заполненных из металла и кварца к являющихся чувствительными элементами гироскопических приборов.
5. Теоретические и экспериментальные исследования возможностей голографической интерферометрии при отработке конструкции, техко-логии изготовления и оценке качества чувствительных элементов
-28-
неподвижныхсоединений,модифицированных поверхностей, а также регулировки узлов отдельных приборов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработок явились основой для создания комплекса методик и автоматизированного оборудования на базе когерентно-оптических методов представления и обработки информации, предназначенных для решения задач информационно-измерительного обеспечения разработки и производства приборов нового поколения.
-20-
Глава 2.ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СОГЛАСОВАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИИ ДЕТАЛЕЙ
Современная технология точного приборостроения предъявляет весьма жесткие требования к качеству и надежности комплектующих деталей, что может бить обеспечено ЛИШЬ ИХ 100% контролем.
Контроль конфигурации и линейных размеров деталей точного приборостроения осуществляется с помощью проекторов и микроскопов, разработанных еще в 70-е годы [15]. Процедура контроля здесь производится человеком, требует значительных затрат времени и поэтому мало производительна. Создание автоматических систем на базе этих средств измерения сопряжено с серьезными техническими трудностями, преодолеть которые, как правило, не удается. В этой связи изыскание и разработка иных методов и средств контроля представляется весьма актуальной задачей. Проблема усугубляется еще и тем, что приходится учитывать такие требования производства как:
- бесконтактность операции контроля;
- соответствие скорости контроля темпу выпуска деталей
- обеспечение ориентации деталей на позиции контроля существующими средствами;
- обеспечение требуемой точности контроля;
- экономическая целесообразность.
Большинству перечисленных требований удовлетворяют уже нашедшие применение в различных областях науки и техники, в том числе и при решении задач контроля (67), одно из ярких достижений радиофизики - когерентно-оптические методы обработки информации [58]. Среди них наибольшего
•ч
-30-
внимания заслуживают методы оптической согласованной фильтрации с голографическим фильтром [19]. Они обладают рядом практически важных достоинств, к которым следует отнести: простоту алгоритма обработки информации; удобство сопряжения со средствами автоматики; оперативность перестройки для обработки нового вида информации; высокое быстродействие. Однако для применения оптической согласованной фильтрации в точном приборостроении, спецификой которого являются малые размеры деталей и жесткие требования к отклонению размеров от заданны:*:, необходимо детальное исследование таких вопросов как метрологические возможности метода согласованной фильтрации, требования к ориентации детали на позиции контроля, а также возможность проведения разбраковки деталей в требуемом поле допусков и концепция построения систем контроля. Рассмотрению этих вопросов и посвящена настоящая глава.
Типовая схема, реализующая метод оптической согласованной фильтрации на базе голографического фильтра и которая известна как голографический коррелятор, показана на рис.2.1. Ее принцип работы основан на сравнении входного образа с эталонным. Применительно к задачам контроля здесь принятие решения о качестве контролируемой детали осуществляется по величине еыходного сигнала коррелятора, матема-тически описываемого выражением [20,59]
2.1.Принцип работы голографического
коррелятора
/
(2.1)
- 31-
Рис.2.1. Схема голографического коррелятора, где:
I - лазер, 2 - коллиматор, 3 - входная плоскость, 4 и 6 -оптические системы для Фурье-преобразования, 5 - голографический фильтр, 7 - виходкая плоскость.
где 9 - переменный параметр, характеризующий состояние контролируемой детали; ЭС.у- координаты плоскости Фильтрации; 4ч- амплитудное пропускание входной плоскости с эталонной деталью; 4а- амплитудное пропускание входной плоскости с контролируемой деталью; ® - оимвол операции корреляции.
Особенностью рассматриваемой схемы является то, что выходной сигнал функция взаимной корреляции (2.1) вычисляется не в предметной (входной) , а в частотной плоскости. Для этого контролируемая
деталь размещается во входной плоскости 3 и освещается плоской волной света, сформированной коллиматором 2 из излучения лазера I. Прошедший через входную плоскость свет поступает на оптическую систему 4, в задней фокальной плоскости которой формируется ь-урье-спектр 0*(р,ср)=
= П42(эс1у)<?оср[](рх+^^хс^^, где ОС,у - координаты входной плоскости; 4.г(х,у>- амплитудное пропускание входной плоскости с контролируемой деталью; и °\г ~ иространственше частоты; X- дли-
на волны лазерного излучения; ^ - Фокусное расстояние оптической системы. Здесь же находится голографический Фильтр 5 с передаточной характеристикой, комплексно сопрякенной с Фурье-спектром М(р.^) =
где 4<(х,у)- амплитудное пропускание