Измерение диаметра круглых по своему сечению изделий в процессе их промышленного производства удобно осуществлять с помощью специальных приборов, основанных на проеционном метод и метод измерений в расходящемся световом потоке.
Непрерывный контроль диаметра изделий в процессе их производства позволяет отследить утолщения, утонения и другие локальные дефекты поверхности, снизить расход дорогостоящих материалов, а также даёт возможность автоматической регулировки диаметра при использовании измерителя в составе АСУ.
Очень часто необходимость измерения и непрерывность технологиического процесса не позволяют использовать для контроля контактные и разрушающие методы контроля. Для решения задачи контроля диаметра в таких условиях наиболее применимы оптические методы измерения.
В настоящее время для контроля диаметра разработан широкий спектр оптоэлектронных приборов и устройств различных типов. Существующие зарубежные аналоги подобных устройств при хороших метрологических характеристиках обладают рядом серьёзных недостатков, которые накладывают ограничение на их использование. Сложность технических решений, применяемых для осуществления измерения, наличие механически подвижных узлов, и как следствие малая механическая прочность, а также высокая цена таких систем неприемлемы для отечественных предприятий.
Отечественные разработки приборов для контроля наружного диаметра в настоящее время наиболее развиты в компании “Технологии машинного зрения” из Томска.В основу данных приборов положен проекционный или теневой метод.
Проекционный метод
Наиболее широко используемым методом оптического контроля является теневой метод в квазипараллельном пучке. Суть метода заключается в измерении многоэлементным линейным фотоприёмником тени, создаваемой измеряемым телом, в параллельном световом потоке. Однако его применение для измерения больших диаметров затруднительно, так как требует использования сложной широкоапертурной, а следовательно дорогостоящей оптики.
Отсутствие представленных на российском рынке многоэлементных приёмников соответствующей длины вынуждает использовать приёмники длиной до 30 мм, что делает реализацию описанного выше метода громоздкой и дорогостоящей.
Вместе с тем задача измерения больших диаметров решена компанией “Технологии машинного зрения“. Для измерения изделий большого диаметра предложен бесконтактный проекционный двухкоординатный оптоэлектронный метод измерения. Метод основан на измерении многоэлементным линейным фотоприемником поперечного размера изображения кабельного изделия, получаемого с помощью объектива. Для создания высокой контрастности изображения используется подсветка измеряемого объекта с тыльной стороны линейкой светодиодов. Оптическая схема прибора представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Оптическая схема прибора: о1 и о2 – оптические оси соответственно первого и второго измерительных каналов
Двухкоординатное измерение диаметра обеспечивается наличием в приборе двух одинаковых измерительных каналов (см. рисунок 1), оптические оси которых взаимно перпендикулярны.
В таких приборах, использующих проекционную схему измерения, диаметр вычисляется по сложному алгоритму. При перемещениях объекта в рабочей зоне размеры его изображений, проецируемых на многоэлементные приёмники, изменяются. Чтобы отследить эти изменения требуется двухкоординатное из-
мерение.
При перемещении измеряемого объекта перпендикулярно оптической оси любого измерительного канала его изображение, проецируемое на ПЗС приёмник этого канала, остаётся неизменным в довольно большом диапазоне смещений.
При смещении контролируемого изделия вдоль одной из оптических осей соответствующего канала, размер проекции его изображения на ПЗС приёмник данного канала изменяется. Для преобразования измеренной проекции в значение диаметра требуется знать зависимость размера этой проекции в каждом измерительном канале от смещения измеряемого объекта вдоль оптической оси этого канала. Функцию преобразования первичной измерительной информации для расчёта диаметра в такой двухкоординатной системе невозможно вывести аналитически, так как при перемещении измеряемого объекта вдоль одной из измерительных осей происходит его выход из фокальной плоскости объектива, что влечёт за собой частичное размытие границ его изображения, проецируемого на ПЗС линейку. Кроме этого происходит изменение масштаба его отображения, поэтому выражение для расчёта диаметра в проекционной двухкоординатной измерительной системе можно получить только при экспериментальной калибровке прибора.
Рисунок 2 – Видеосигнал многоэлементного фотоприёмника – зависимость выходного напряжения U(В) от номера ячейки N
Исходными измеряемыми параметрами для обоих измерительных каналов в проекционной системе являются координаты фронта и спада границ изображения измеряемого объекта, измеряемые соответствующим ПЗС приёмником. На рисунке 2
показан типичный видеосигнал с ПЗС линейки, который и представляет собой проекционное изображение измеряемого объекта. Зная параметры F и S (см рис.2), мы можем определить: размер проекции объекта по одному измерительному каналу и положение координаты центра объекта C по другому измерительному каналу
Таким образом, предложеный метод двухкоординатного проекционного оптического измерения диаметра и овальности протяжённых изделий, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации позволяют производить контроль изделий больших и средних диаметров.
Метод измерения в расходящемся световом потоке
Анализ измерителей диаметра, использующих теневой метод измерения в параллельном световом потоке показал, что основными их недостатками при контроле кабеля диаметром от 0.1 до 40 мм являются: аберрации объектива, формирующего параллельный световой поток, что влечёт за собой снижение точности измерения, особенно для изделий малого диаметра; большие продольные размеры оптической системы, что делает затруднительным проектирование компактных двухкоординатных измерительных приборов.
Проекционный метод также малоприменим для контроля изделий малых диаметров из-за того, что именно в этом диапазоне обладает наибольшей погрешностью. Целым рядом неоспоримых преимуществ, связанных с отсутствием в них элементов линзовой и зеркальной оптики, обладают бесконтактные двухкоординатные измерители диаметра круглых протяженных изделий, использующие теневой метод измерения в расходящемся световом потоке. В частности, достижимая точность измерения таких приборов составляет доли микрометра и ограничена только дифракционными эффектами на границах тени.
Однако, работа в расходящемся световом потоке вызывает изменение размеров тени измеряемого объекта при его перемещениях в зоне контроля. Последнее требует использования сложных соотношений для расчета истинного диаметра объекта.Схема рассматриваемого двухкоординатного измерителя показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Геометрическая схема измерения в расходящемся световом потоке
Прибор содержит два измерительных канала, оси которых X и Y взаимно перпендику
лярны. В каждом канале имеется точечный излучатель (лазер), создающий расходящийся световой поток и многоэлементный линейный фотоприемник, измеряющий размер тени объекта.
Контролируемый объект, имеющий форму сечения близкую к кругу, находится в рабочей зоне прибора, освещается двумя излучателями и образует две тени, воспринимаемые фотоприемниками измерительных каналов.
Метод двухкоординатного оптического измерения диаметра и овальности протяжённых изделий в расходящемся лазерном пучке, конструкция измерительного преобразователя и алгоритм преобразования сигналов измерительной информации, позволяют упростить оптическую схему, исключив из неё элементы линзовой и зеркальной оптики, а так же механические сканирующие узлы.
Применение описанных в данной работе оптических методов преобразования первичной информации, а также конструкций преобразователей позволило спроектировать серию приборов для измерения диаметра электрического кабеля.
В отличие от зарубежных аналогов данные приборы обладают лучшей компактностью, эксплуатационными характеристиками и заметно более низкой стоимостью. Также использование нестандартных подходов в реализации общих измерительных схем позволило достичь метрологических характеристик в широком диапазоне измеряемых диаметров не хуже чем у зарубежных аналогов. Приборы имеют высокие технические и метрологические характеристики.
Примеры применения
- Оптические волокна и волоконно-оптические кабели
- Пластмассовые трубы, композитные трубы и металлические трубы
- Провода, кабели, кабели передачи данных, кабели для монтажа
- Резиновые трубки, медицинские трубки.
- Катанка, пруток и др.
Модельный ряд измерителей диаметра можно посмотреть здесь.
