6_ТИП_Пр_Презентация_1_Практика применения СТЗ (1)

ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ
СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Николаев М.И. [e-mail]
Чистопольский филиал «Восток»
КГТУ им. А.Н. Туполева (84342)94746

Анализируется практика применения систем технического зрения, разработанных по договорам с ООО "ПФ "Бриолет" и ООО "НТЦ "Восток"

Анализируется практика применения систем технического зрения, разработанных по договорам с ООО "ПФ "Бриолет" и ООО "НТЦ "Восток"
Договор с ПФ "Бриолет" - измерения при производстве часовых камней

Анализируется практика применения систем технического зрения, разработанных по договорам с ООО "ПФ "Бриолет" и ООО "НТЦ "Восток"
Договор с ПФ "Бриолет" - измерения при производстве часовых камней
Техническим заданием предусмотрено:
объект измерения – часовые камни
габаритные размеры 1,5 мм
погрешность +/- 2 мкм
цикл измерения одной детали – не более 200 мс
допускается использование имеющейся оптической части – часового проектора

Анализируется практика применения систем технического зрения, разработанных по договорам с ООО "ПФ "Бриолет" и ООО "НТЦ "Восток"
Договор с ПФ "Бриолет" - измерения при производстве часовых камней
Техническим заданием предусмотрено:
объект измерения – часовые камни
габаритные размеры 1,5 мм
погрешность +/- 2 мкм
цикл измерения одной детали – не более 200 мс
допускается использование имеющейся оптической части – часового проектора
Договор с НТЦ "Восток" - измерения для ООО "ПМП" (Платино-мостовое производство часовых механизмов)

Анализируется практика применения систем технического зрения, разработанных по договорам с ООО "ПФ "Бриолет" и ООО "НТЦ "Восток"
Договор с ПФ "Бриолет" - измерения при производстве часовых камней
Техническим заданием предусмотрено:
объект измерения – часовые камни
габаритные размеры 1,5 мм
погрешность +/- 2 мкм
цикл измерения одной детали – не более 200 мс
допускается использование имеющейся оптической части – часового проектора
Договор с НТЦ "Восток" - измерения для ООО "ПМП" (Платино-мостовое производство часовых механизмов)
Техническим заданием предусмотрено:
объект измерения – платины и мосты механизмов часов
габаритные размеры 26 мм
погрешность +/- 1 мкм
цикл измерения одной детали
– не более 3 мин
количество геометрических элементов для замера на одной детали – до 30 элементов

Объекты контроля

Объекты контроля
Часовые камни

Объекты контроля
Часовые камни
Блок мостов

Применение СТЗ позволило накопить статистические данные, анализ которых выявил следующие проблемы:

Применение СТЗ позволило накопить статистические данные, анализ которых выявил следующие проблемы:
Часовые камни
нестабильность питающего напряжения при контроле на часовом проекторе – погрешность может составлять несколько микрометров
неконтролируемость эллиптичности при контроле предельными калибрами – контроль предельными калибрами является неэффективным
некруглые отверстия
загрязнения

Применение СТЗ позволило накопить статистические данные, анализ которых выявил следующие проблемы:
Часовые камни
нестабильность питающего напряжения при контроле на часовом проекторе – погрешность может составлять несколько микрометров
неконтролируемость эллиптичности при контроле предельными калибрами – контроль предельными калибрами является неэффективным
некруглые отверстия
загрязнения
Платины и мосты
некруглые отверстия - эллиптичность первого и более высоких порядков препятствует однозначному определению центра отверстия
невертикальные отверстия - вместо применяющегося измерения в отраженном свете, следует применять измерение на просвет
загрязнения – требуется фильтрация «геометрических шумов» на изображении
отсутствие эталона – необходимо получить эталон

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия

Эллиптичность препятствует определению центра отверстия
Погрешность, возникающая из-за эллиптичности отверстия, делает невозможным измерение с погрешностью ± 1 мкм

Номинальные размеры объекта контроля (D, d) и эталона (l)

Номинальные размеры объекта контроля (D, d) и эталона (l)

Измеряемые параметры объекта контроля

Измеряемые параметры объекта контроля

Структурная схема СТЗ

Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

1 – источник освещения; 2 – коллиматор; 3 – объекты измерения на предметном стекле; 4, 5 – объектив; 6 – изображение объектов на матовом экране; 7, 8 – объектив; 9 – фотоматрица; 10 – персональный компьютер (ПК); 11 – программное обеспечение (ПО)
Структурная схема СТЗ

Использование для технических измерений массово производимых видео- и фотокамер, сканеров, не предназначенных специально для индустриальных применений, обусловлено их невысокой стоимостью и достаточно высокими техническими характеристиками.

Использование для технических измерений массово производимых видео- и фотокамер, сканеров, не предназначенных специально для индустриальных применений, обусловлено их невысокой стоимостью и достаточно высокими техническими характеристиками.

Использование для технических измерений массово производимых видео- и фотокамер, сканеров, не предназначенных специально для индустриальных применений, обусловлено их невысокой стоимостью и достаточно высокими техническими характеристиками.

«Следует также отметить, что Министерство обороны США аттестует ряд гражданских изделий, выпускаемых значительными тиражами в устойчивых технологических процессах, и дает разрешение на использование этих изделий в военной аппаратуре...».
Яков Федотов, д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Ленинской премии. Промышленные Ведомости 17.07.2004

«Следует также отметить, что Министерство обороны США аттестует ряд гражданских изделий, выпускаемых значительными тиражами в устойчивых технологических процессах, и дает разрешение на использование этих изделий в военной аппаратуре...».
Яков Федотов, д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Ленинской премии. Промышленные Ведомости 17.07.2004
Основной проблемой является отсутствие данных о нормированных метрологических характеристиках таких изделий.
Предложено и практически подтверждено решение этой проблемы на основе дифференциального метода измерений.
При этом основной проблемой становится получение эталонного объекта.
Предложен и запатентован метод калибровки, позволяющий использовать стандартные эталоны.

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Основные источники погрешности СТЗ

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)
100

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Результаты измерений с применением
фильтра на диффузно рассеивающей области (ФД)

Искажение изображений на поверхности матового слоя

Искажение изображений на поверхности матового слоя

Искажение изображений на поверхности матового слоя

Искажение изображений на поверхности матового слоя

Изменение диаметра на изображении объекта измерения
при увеличении силы света

Изменение диаметра на изображении объекта измерения
при увеличении силы света
Внешний диаметр
уменьшается

Изменение диаметра на изображении объекта измерения
при увеличении силы света
Внешний диаметр
уменьшается
Внутренний диаметр увеличивается

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)
Пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца)

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)
Пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца)
Изображение, сформированное системой технического зрения

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)
Пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца)
Изображение, сформированное системой технического зрения

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)
Пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца)
Изображение, сформированное системой технического зрения

Метод калибровки яркости (МКЯ) и
метод соприкасающихся объектов (МСО)
Пространство предметов, где вместе с эталонным объектом (черный прямоугольник) размещены объекты измерения (кольца)
Фрагменты изображений двух объектов, в увеличенном виде наблюдаемых на мониторе; соприкосновение выполнено на позиции А
Изображение, сформированное системой технического зрения

Принцип действия метода соприкасающихся объектов

Принцип действия метода соприкасающихся объектов

Принцип действия метода соприкасающихся объектов

Принцип действия метода соприкасающихся объектов

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов
N – порядковый номер объекта измерения

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов
N – порядковый номер объекта измерения

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов
N – порядковый номер объекта измерения

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов
N – порядковый номер объекта измерения

Результаты калибровки системы технического зрения
по методу соприкасающихся объектов
N – порядковый номер объекта измерения
Верхний график соответствует изображению, по яркости незначительно (на 4%) отличающемуся от условий метода МСО

Удаление загрязнений фильтром «геометрических шумов» расфокусировкой изображения (фильтр ФР)

Удаление загрязнений фильтром «геометрических шумов» расфокусировкой изображения (фильтр ФР)

Удаление загрязнений фильтром «геометрических шумов» расфокусировкой изображения (фильтр ФР)

Удаление загрязнений фильтром «геометрических шумов» расфокусировкой изображения (фильтр ФР)
Первая пара рисунков содержит изображение на входе и выходе СТЗ без применения фильтра ФР, вторая пара – с ФР. При определении координат центра окружности исключается грубая погрешность, составляющая несколько десятков микрометров

Изображение блока мостов

Изображение блока мостов
До фильтра ФР

Изображение блока мостов
До фильтра ФР
После фильтра ФР

Изображение блока мостов
До фильтра ФР
После фильтра ФР

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Передняя панель виртуального средства измерений

Серийно выпускаемые оптические средства измерений
Система визуальных измерений с ЧПУ QUICK VISION-ELF, Япония
Измерительный профильный проектор PV-5010, Германия

Серийно выпускаемые оптические средства измерений
Система визуальных измерений с ЧПУ QUICK VISION-ELF, Япония
Измерительный профильный проектор PV-5010, Германия

Практическая реализация

Практическая реализация
Измерение часовых камней

Практическая реализация
Измерение часовых камней
Измерение блока мостов

Методика и программа испытаний системы
технического зрения «ПМП-01»
Руководство по эксплуатации СТЗ «ПМП-01»
Протокол испытаний СТЗ «ПМП-01»

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Основные и дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Дополнительные результаты

Основные результаты и выводы
Выполнена классификация и проведен сравнительный анализ машинных оптических методов бесконтактного контроля и микроизмерений. Обоснован выбор методов и средств, наиболее подходящих для решения производственной задачи. Указаны основные факторы, характерные для СТЗ и ограничивающие точность производственного контроля в видимом диапазоне. Эти факторы систематизированы и представлены через погрешность масштабирования (искажение пропорций на изображениях).
Предложен способ компенсации погрешности масштабирования. Новизна способа подтверждена патентом на изобретение. Предложенный способ реализован в виде процедур, названных методом соприкасающихся объектов (МСО) и методом калибровки яркости (МКЯ). Показана эффективность применения способа для компенсации систематических погрешностей и калибровки системы.
На основе предложенного способа разработаны фильтры «геометрических шумов» для фильтрации загрязняющих объект измерения микрочастиц. Исследованы альтернативные варианты и показана эффективность предложенных фильтров в производственных условиях.

Основные результаты и выводы
4. Разработана статистическая модель СТЗ, для которой приведена оценка погрешности в режимах контроля и измерения. Получена теоретическая оценка среднего значения погрешности ± 1-2 мкм. Показана возможность компенсации группы систематических погрешностей предложенным способом (МСО).
5. Моделированием и экспериментальными исследованиями СТЗ найдено реальное значение оценки погрешности ± 1-2 мкм. Данная точность достигнута применением разработанных методов и фильтров.
6. Разработано аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение СТЗ для контроля и микроизмерений в производственных условиях. Программное обеспечение зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов программ.
7. Создано два действующих образца СТЗ. По результатам производственных испытаний применение СТЗ уменьшило погрешность измерений с ± 3-4 мкм до ± 1-2 мкм, повысило достоверность контроля с 70 % до 95 %. Производительность при контроле платин и мостов увеличилась в 15-20 раз. Результаты работы внедрены в часовое производство ОАО «ЧЧЗ «Восток», а также в учебный процесс КГТУ им. А.Н. Туполева.

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений:
прецизионный координатный стол на цифровых модулях перемещения
цифровая фотокамера
персональный компьютер
программное обеспечение

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений:
прецизионный координатный стол на цифровых модулях перемещения
цифровая фотокамера
персональный компьютер
программное обеспечение

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений:
прецизионный координатный стол на цифровых модулях перемещения
цифровая фотокамера
персональный компьютер
программное обеспечение
Учебная деятельность. Оптические методы измерений.
Теоретический курс и лабораторный комплекс:
объекты измерений
веб-камера
персональный компьютер
программное обеспечение

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений
Измерение
Моделирование
Анализ результатов
Регистрация алгоритмов программ
Патентование устройств и способов измерений
Публикации

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений
Измерение
Моделирование
Анализ результатов
Регистрация алгоритмов программ
Патентование устройств и способов измерений
Публикации
Учебная деятельность.
Оптические методы измерений

Филиал "Восток" КГТУ им. А.Н. Туполева
Научно-исследовательские работы. Стенд для прецизионных измерений
Измерение
Моделирование
Анализ результатов
Регистрация алгоритмов программ
Патентование устройств и способов измерений
Публикации
Учебная деятельность.
Оптические методы измерений
Лабораторные работы и лекции в курсах дисциплин «Метрология, стандартиза-ция и сертификация» и «Теория измерений»
Электронное методическое пособие по оптическим методам измерений
Дипломные работы

Предполагаемые темы дипломных работ
Метрологическая аттестация системы технического зрения, разработанной для измерения часовых камней.
Метрологическая аттестация системы технического зрения, разработанной для измерения платин и мостов.
Метрологическая аттестация стенда для прецизионных измерений
Регистрация системы технического зрения в Госреестре.
Система технического зрения для линейных и угловых измерений.
Система технического зрения для распознавания образов.
Методические рекомендации могут быть основаны на нормативных документах Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, в т.ч. полученных в процессе взаимодействия с ТатЦСМ.
Результат работы может содержать алгоритм действий, включающий сроки и финансовые затраты (экономический раздел), реквизиты.
Возможна программная реализация предложенного алгоритма, в т.ч. в рамках системы качества (Microsoft Office Project).
Расчетная часть может быть основана на имеющихся методических указаниях по курсовому проектированию по метрологии.