Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ
ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Лубенець Сергій Васильович
Удк 621.3; 681.5
АВТОМАТИЗАЦІЯ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ТА КЛАСИФІКАЦІЇ
ПАЛЬНИКІВ ГАЗОРОЗРЯДНИХ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА В ПРОЦЕСІ
ЇХ ВИГОТОВЛЕННЯ
Спеціальність 05.13.07 -
Автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Кіровоград – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти України.
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор
Галай Микола Васильович,
Полтавський державний технічний
університет імені Юрія Кондратюка,
завідувач кафедрою автоматики та
електроприводу.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Путятін Євген Петрович, Харківський державний університет радіоелектроніки, завідувач кафедрою застосування ЕОМ;
кандидат технічних наук, професор Кондратець Василь Олександрович, Кіровоградський державний технічний університет, професор кафедри автоматизації виробничих процесів.
Провідна установа:
Харківський державний політехнічний університет Міністерства освіти України, кафедра системного аналізу і управління, м. Харків.
Захист відбудеться " 2 " липня 1999 р. о 10 годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 при Кіровоградському державному технічному університеті Міністерства освіти України, 316050,
м. Кіровоград, пр. Правди, 70 а.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою: 316050, м. Кіровоград, пр.Правди, 70 а.
Автореферат розісланий 25 травня 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради ______________________Каліч В.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Сучасні технології виготовлення неметалевих трубок не дозволяють з достатньою мірою точності дотримуватись таких параметрів, як внутрішній діаметр трубки, товщину її стінки, що встановлені відповідними технічними вимогами. Так, наприклад, при виробництві кварцових та полікорових трубок, які використовуються в якості пальників газорозрядних джерел світла типу ДНаТ та ДРЛ, відносне відхилення внутрішнього діаметра кварцових трубок від потрібного може досягати 15% при допустимому 3%, полікорових трубок - 5% при допустимому 1,5%. Такий розкид значень діаметра, а також неякісність виготовлення розрядних трубок (еліптичність їх поперечного перерізу, наявність сколів та ін.) призводить до масового браку продукції (близько 50-60%), що пов'язано з виникаючим при цьому розкидом параметрів ламп.
Детальне вивчення технологічних процесів та дослідження проблеми показали, що на точність та якість виготовлення пальників впливає багато факторів, уникнути яких одночасно досить складно. В зв'язку з цим виникла необхідність розділяти виготовлені трубки на класи (сортувати) по результатам замірів їх внутрішнього діаметра з метою визначення дозування ртуті в пальниках і отримання ламп із стабільними параметрами для зменшення браку та зниження енергозатрат при їх експлуатації.
Для автоматизації процесу класифікації розрядних трубок був розроблений автоматичний пристрій (Японія), працюючий по принципу вимірювання їх мас. Знаючи масу трубки, її зовнішній діаметр і довжину, а також густину матеріалу, з якого вона виготовлена, можна обчислити товщину стінки трубки та її внутрішній діаметр. Однак, через посередність цього методу, пристрій не забезпечує високої точності вимірювань і широкого практичного застосування на вітчизняному виробництві не отримав. До того ж, він не дозволяє виконувати контроль якості виготовлення розрядних трубок.
В даний час вимірювання внутрішнього діаметра кварцових, ситалових, полікорових та інших неметалевих трубок і розділення їх на класи виконується вручну спеціальними калібрами (щупами). Використання ручного труда, монотонність і одноманітність виконуваних операцій, а також застосування контактних вимірювальних засобів значно знижує продуктивність та точність класифікації. Вимірювальні щупи при контакті з абразивним матеріалом трубки стираються, постійно забруднюються, що потребує періодичного їх очищення та заміни.
Контроль якості виготовлення розрядної трубки включає в себе вимірювання еліптичності її поперечного перерізу та визначення наявності сколів на кінцях. Надмірне зменшення коефіцієнта еліптичності К (К < 0,95 для кварцових і К < 0,97 для керамічних трубок) та наявність сколів недопустимо, оскільки на окремих етапах технологічного процесу це може призвести до браку продукції.
В даний час проводиться вибіркове вимірювання коефіцієнта еліптичності за допомогою згаданих раніше щупів, а наявність сколів визначається взагалі лише візуально. В результаті якість контролю низька і цілком залежить від кваліфікації робітника, який виконує цей контроль.
Враховуючи масовий характер використання газорозрядних джерел світла, вказані проблеми є актуальними і потребують вирішення для підвищення ефективності виготовлення ламп, зниження собівартості та підвищення конкурентоздатності продукції.
Альтернативою існуючим методам і засобам вимірювання, контролю якості та класифікації пальників є застосування нових, більш досконалих методів і сучасних автоматизованих систем безконтактного вимірювання та класифікації, побудованих з використанням мікропроцесорної техніки, систем технічного зору (СТЗ), сучасних технологій обробки даних. Систем оснащених керованими механотронними пристроями і спроможних вписатися в будь-який технологічний процес, де необхідно виконувати контроль та класифікацію циліндричних виробів, в тому числі і в автоматизовану лінію по їх виробництву.
Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є підвищення ефективності виробництва газорозрядних джерел світла шляхом автоматизації процесів контролю якості та класифікації пальників на базі поелементного аналізу фотозображень. Для досягнення мети ставилися слідуючи задачі:
1. Теоретично обгрунтувати методи вимірювання внутрішнього діаметра та визначення
еліптичності поперечного перерізу пальників, які відрізняються високою точністю та швидкодією вимірювань і легко реалізуються безконтактним способом.
2. Синтезувати математичну модель вимірювального процесу і на її основі оптимізувати
параметри процесів контролю та класифікації.
3. Розробити алгоритм і програмне забезпечення процесів контролю якості та класифікації
пальників.
4. Технічно реалізувати алгоритм контролю та класифікації, оцінити техніко-економічні
показники і розробити рекомендації по впровадженню результатів досліджень в технологічні
процеси виготовлення любих тіл циліндричної форми.
Вибраний напрямок досліджень дисертаційної роботи входить до числа пріоритетних напрямків і співпадає з тематикою державного координаційного плану №9 науково-дослідних робіт Міністерства освіти України "Методи обробки та технології інтерпретації зображень різної фізичної природи".
Об'єкт дослідження. Методи вимірювання внутрішнього діаметра та обчислення коефіцієнта еліптичності поперечного перерізу трубок; математична модель вимірювального процесу; динаміка процесу сканування фотозображення об'єкта; вплив дискретності лінійного фотоприладу з зарядовим зв'язком (ФПЗЗ) та флуктуацій електромеханічних параметрів електроприводу на точність вимірювань; автоматизована система для контролю та класифікації розрядних трубок.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на теорії імовірності, математичної статистики, математичного моделювання, основних положеннях проектування автоматичних систем з програмним керуванням. Застосовано метод дискретного z - перетворення та частотний метод дослідження динаміки крокового електропривода як електромеханічної системи.
Моделювання процесів виконувалось із застосуванням комп'ютерної техніки і числових методів обробки результатів експеримента.
Експериментальні дослідження проводились за допомогою серійних вимірювальних приладів з використанням сучасної елементної бази.
Наукова новизна виконаної роботи полягає в тому, що вперше:
- розроблено та досліджено метод безконтактного вимірювання внутрішнього діаметра пальників газорозрядних ламп, який відрізняється високою точністю та швидкодією вимірювань і оснований на поелементному аналізі фотозображення поперечного перерізу пальника та визначенні евклідової відстані між діаметрально протилежними точками контура зображення;
- розроблено та досліджено метод визначення еліптичності поперечного перерізу пальника, який відрізняється високою завадозахищеністю та швидкодією контролю і оснований на статистичній обробці масива діаметрів еліпса;
- на основі отриманих закономірностей вимірювального процесу розроблено алгоритм авто-
матичної класифікації та контролю якості пальників;
- розроблено та досліджено автоматизовану систему контролю і класифікації пальників з
використанням технічного зору.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені методи вимірювання і контролю дозволяють безконтактним способом з високою точністю та швидкодією виконувати автоматичний контроль і класифікацію тіл циліндричної форми при вирішенні конкретної задачі автоматизації технологічних процесів. Розроблений автоматичний пристрій дозволив у виробничих умовах значно підвищити техніко-економічні показники контролю якості та класифікації полікорових пальників газорозрядних ламп. Впровадження у виробництво розроблених технічних засобів на ВАТ "Полтавський завод газорозрядних ламп (ГРЛ)" забезпечило економічний ефект 18.5 тис. грн. за рік і підвищило продуктивність праці в 1.3 рази. Результати дисертаційної роботи впроваджені в технологічний процес виготовлення трубок ламп бігучої хвилі на ВО "Знамено", використані при розробці газорозрядних ламп в Українському науково-дослідницькому інституті джерел світла, а також у навчальному процесі на кафедрі автоматики і електропривода Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка.
Конкретним особистим внеском здобувача є:
- розробка та дослідження безконтактного метода вимірювання внутрішнього діаметра пальників;
- розробка та дослідження методів визначення еліптичності поперечного перерізу пальників;
- синтез та дослідження математичної моделі вимірювального процесу, оптимізація його параметрів;
- розробка алгоритма автоматичного контролю та класифікації пальників і його технічна реалізація;
- розробка програмного забезпечення.
Частка участі здобувача в патенті на винахід становить 85%.
Апробація роботи. Основні положення і результати роботи були заслухані і обговорені на 49 та 50 наукових конференціях ПДТУ в 1997, 1998 роках, на XXX науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників інституту в 1998 році в КІСМі, на 5-ій Українській конференції з автоматичного управління "Автоматика - 98" у Києві в 1998 році.
Публікації. Основні положення та результати дисертації опубліковані в 7 роботах, серед яких одна стаття в науково-технічному журналі, 4 статті в збірниках наукових праць, тези доповідей на науковій конференції. Прийнято рішення про видачу патента України по заявці на винахід.
Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм дисертації 241 сторінка, в тому числі 68 рисунків на 43 стор., 19 таблиць на 12 стор., 6 додатків на 50 стор. Список використаних літературних джерел нараховує 127 найменувань на 10 стор.
ЗмІст роботи
У вступі подана загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність теми дослідження, сформульована мета дисертації та задачі, що вирішувалися для її досягнення, показана новизна наукових положень, що виносяться на захист і практична цінність роботи.
Розділ 1. "Огляд і аналіз існуючих методів та засобів визначення геометричних характеристик об'єктів".
Наведені основні вимоги, якими характеризується в даний час проблема автоматизації промислового виробництва. До них відносяться гнучкість, універсальність, невисока вартість систем автоматизації технологічних процесів, а також наявність в них засобів відчуття. В сучасному виробництві серед існуючих безконтактних засобів відчуття найбільш широке впровадження знаходять системи технічного зору. Однією із сфер застосування СТЗ являється візуальний контроль, визначення та аналіз геометричних характеристик об'єктів, що вирішує важливу задачу розпізнавання, перевірки якості та сортування продукції автоматичного виробництва.
Наведено опис та аналіз технологічних процесів виготовлення неметалевих трубок. Спрощені схеми технологічних процесів виготовлення кварцових та полікорових трубок з виділенням трудоємких етапів, що підлягають автоматизації, показані на рис.1.
а) етапи виготовлення кварцових трубок;
б) етапи виготовлення полікорових трубок;
Рис.1 Спрощені схеми технологічних процесів виготовлення кварцових та полікорових трубок.
Зроблено огляд та аналіз основних існуючих методів визначення геометричних характеристик об'єктів та алгоритмів їх розрахунку, а також наведено короткий опис та аналіз експериментальних та промислових СТЗ, в яких дані методи та алгоритми реалізовані.
В даний час при вимірюванні лінійних розмірів об'єктів застосовуються два основних методи: для визначення розмірів в напрямі сканування зображення - метод максимальної хорди, тобто
(1)
де N - кількість ненульових хорд, отриманих при скануванні;
в напрямі, перпендикулярному напряму сканування - метод, що реалізує формулу
, (2)
де O - крок сканування.
Для цих методів характерні низька точність та завадостійкість вимірювань. До того ж, при складній формі об'єкта для визначення його лінійних розмірів необхідно отримати декілька кадрів розгортки з різним напрямком сканування, що значно знижує швидкодію вимірювань.
В останній час розроблено більш досконалий метод "віяльного" сканування для швидких вимірювань, який, однак, орієнтований в основному на аналіз форм та розпізнавання об'єктів. В зв'язку з цим виникла проблема розробки принципово нових методів для високоточних та швидких вимірювань лінійних розмірів.
В деяких випадках виникає потреба у визначенні еліптичності досліджуваних об'єктів та обчислення так званих коефіцієнтів форми. Коефіцієнт еліптичності визначається як відношення мінімального b та максимального лінійних розмірів об'єкта:
. (3)
Розроблено також простий метод, що реалізується за один прохід сканування і потребує лише визначення відношення
, (4)
де S - площа об'єкта;
d - лінійний розмір об'єкта в напрямі сканування.
Перший метод характеризується низькими завадостійкістю та швидкодією вимірювань, а другий - низькою точністю, особливо для об'єктів сильно витягнутої форми. Це призвело до необхідності принципово нового підходу у вирішенні цього питання.
Розглянуто декілька основних методів визначення площі та периметра об'єктів з використанням СТЗ. Якщо відомі значення площі S та периметра Р, то для опису об'єкта можна використовувати коефіцієнти форми:
, (5)
які являються мірою відхилення форми об'єкта від кола.
В даний час розроблено та використовується багато СТЗ, серед яких найбільш відомими є: СТЗ для автоматизації обробки зображень, що формуються растровим електронним мікроскопом (СРСР); СТЗ Оптомейшн-ТМ модель PN-2303 (США); СТЗ "Хітачі" (Японія); СТЗ модель "Констайт-1" (США); СТЗ контролю фірми "Фудзі електронік" (Японія); вимірювальна СТЗ "Оптокатор" (Швеція); СТЗ фірми "Бош" (Німеччина); СТЗ для автоматичного аналіза мікрооб'єктів (СРСР); стандартні пристрої для побудови СТЗ (Росія). Встановлено, що багато існуючих СТЗ є чисто специфічними системами, придатними для вирішення якоїсь однієї конкретної задачі. Це робить неможливим їх використання при комплексному дослідженні об'єкта, коли необхідно отримати відразу декілька його характеристик. З іншого боку, універсальні системи відрізняються високою складністю та вартістю обладнання. Експлуатація таких СТЗ тільки з частковою реалізацією їх можливостей робить їх використання економічно невигідним. Все це призводить до необхідності розробки в кожному конкретному випадку спеціальної СТЗ для виконання нею потрібних функцій при найменших матеріальних затратах.
Вище вказані причини зумовили вибір і обгрунтування дисертаційних досліджень.
Розділ 2. "Розробка та дослідження методів вимірювання внутрішнього діаметра та контролю якості трубок". Розроблений метод безконтактного вимірювання внутрішнього діаметра пальника оснований на поелементному аналізі фотозображення його поперечного перерізу та визначенні віддалей між діаметрально протилежними точками контуру зображення у вигляді окружності шуканого діаметра D. Фотозображення одержане після освітлення вхідного отвору пальника джерелом монохроматичного світла і характеризує його вихідний отвір. Вказані точки утворюються в результаті сканування цього зображення твердотільною телекамерою на основі лінійного фотоприладу з зарядовим зв'язком і представляються координатами світлових переходів "світло - тінь" (рис. 2). Результатом обчислень є
Рис.2 До описання метода вимірювання внутрішнього діаметра розрядної трубки.
масив діаметрів елементи якого розраховуються по формулі для евклідової відстані:
(6)
де , а невідомий діаметр трубки визначається як середнє значення:
. (7)
Згідно формули (6), обчислення діаметра окружності зводиться до замірів довжин хорд (), які утворюються в результаті сканування зображення, і визначення відстаней між хордами, симетричними відносно центра окружності.
Досліджено структуру похибок, які виникають при застосуванні даного метода вимірювання діаметра, а також встановлено характер їх поводження при зміні параметрів вимірювального процесу. Основними похибками метода являються: похибка дискретизації , яка зумовлена дискретністю х0 лінійного ФПЗЗ; похибка несиметричності положення зображення окружності відносно рядків сканування ; похибка , зумовлена флуктуаціями кроку сканування зображення. Враховуючи випадковий характер флуктуацій та положень досліджуваного зображення на дискретній просторовій решітці, отримано аналітичні залежності для оцінки вказаних похибок.
Для відносної похибки дискретизації одержано вираз:
(8)
де - центральний кут, на який спирається хорда (): ().
Похибка флуктуації:
, (9)
де - максимальне значення випадкових відхилень кроку сканування при флуктуації.
Похибка несиметричності визначається як
D процесів контролю якості та класифікації їх розрядних трубок (пальників). В дисертації розроблена нова методика контролю і класифікації, яка основана на ідеї поелементного аналізу фотозображень з викорис