Разработка системы бесконтактного контроля шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал
|
Введение 3
1 Анализ характеристик шероховатости поверхностей 6
2 Анализ методов измерения шероховатости поверхностей 9
3 Разработка математических моделей функционирования системы
контроля 23
3.1 Восстановление изображений 23
3.2 Бинарная сегментация изображений 46
3.3 Текстурный анализ изображений 56
4 Разработка алгоритмов функционирования и аппаратной части системы
контроля 60
4.1 Разработка алгоритмов функционирования системы контроля 60
4.2 Разработка аппаратной части системы контроля 66
Заключение 69
Список используемых источников 71
1 Анализ характеристик шероховатости поверхностей 6
2 Анализ методов измерения шероховатости поверхностей 9
3 Разработка математических моделей функционирования системы
контроля 23
3.1 Восстановление изображений 23
3.2 Бинарная сегментация изображений 46
3.3 Текстурный анализ изображений 56
4 Разработка алгоритмов функционирования и аппаратной части системы
контроля 60
4.1 Разработка алгоритмов функционирования системы контроля 60
4.2 Разработка аппаратной части системы контроля 66
Заключение 69
Список используемых источников 71
Одним из ключевых вопросов в обеспечении конкурентоспособности выпускаемой машиностроением продукции является повышение ее эксплуатационных характеристик. Данный вопрос достаточно сложный с технической точки зрения и для его успешного решения необходимо повышать точность, надёжность и долговечности деталей, входящих в узлы и механизмы. Один из путей решений заключается в обеспечении оптимальных характеристик сопрягаемых поверхностей. К таким характеристикам относят геометрические свойства, размеры и расположение микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Данные параметры обеспечиваются исключительно в ходе технологического процесса изготовления детали.
Перечисленные выше характеристики сопрягаемых поверхностей нормируются ее шероховатостью, которая в конечном итоге определяет эксплуатационные характеристики деталей и их сопряжений. К ним относят сопротивление усталостному разрушению от поверхностных напряжений, стойкость к поверхностному износу при эксплуатации, устойчивость к коррозии, жесткость сопряжения, обеспечение оптимальных условий сопряжения деталей исходя из его назначения и условий эксплуатации, герметичность сопряжения и ряд других [12].
Формирование шероховатости поверхностей обеспечивается на операциях механической обработки. В случае возникновения незначительных отклонений и наличия в технологическом процессе последующих операций механической обработки, возникшие отклонения можно исправить. Если шероховатость превышает заданную конструктором после финишной операции механической обработки, то очень важно провести отбраковку данной детали с целью недопущения ее на сборочные операции. Детали, не отвечающие конструкторским требованиям, могут привести к значительному снижению срока службы узла в целом или выходу его из строя, что может привести созданию аварийных ситуаций. В связи с этим необходимо предусматривать контрольные операции после механической обработки.
Для проведения операций по контролю характеристик шероховатости поверхностей необходимы соответствующие средства контроля, а также методики проведения измерений и анализа полученной информации.
В настоящее время широко применяются методы измерения, основанные на построении профилограммы контролируемой поверхности [16]. Для их реализации применяются различные технические средства. Наибольшее распространение получили контактные и оптические профилографы. Однако, данные технические средства имеют относительно низкое быстродействие и зачастую требуют создания специальных производственных условий, поэтому в условиях серийного производства их применяют чаще всего для выборочного контроля. Такой подход не всегда дает удовлетворительные результаты, так как в реальных условиях влияние быстроменяющихся внешних факторов производственной системы, таких как износ режущего инструмента, колебания припуска под обработку, изменение твердости заготовки приводит к значительному рассеиванию шероховатость поверхности.
В производственных условиях для решения этой проблемы используется метод визуального контроля путем сравнения с эталоном [16]. Основным его недостатком является субъективность контроля, что может привести к пропуску бракованных деталей. Данный метод подразумевает использование достаточно дорогих эталонов шероховатостей поверхностей, которые производятся для различных типов поверхностей и методов обработки. В случае смены материала требуется замена эталонов, что также приводит к увеличению стоимости контроля.
Наиболее актуальным в производственных условиях является контроль шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал. Доля таких деталей в общем объеме производства достаточно велика и разработка системы для контроля ориентированной на данный тип деталей позволит существенно сократить затраты на проведение контрольных операций, а также снизит количество ошибок при контроле.
На основе вышесказанного цель данной работы заключается в том, чтобы повысить качество и быстродействие контроля шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал на основе анализа известных средств и методик, используемых для измерения шероховатости, а также теории цифровой обработки изображений путем разработки системы бесконтактного контроля.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ методов, средств и алгоритмов контроля шероховатостей поверхностей используемых на современных предприятиях машиностроительного профиля;
- разработать математические модели функционирования системы контроля;
- разработать алгоритмы функционирования;
- разработать аппаратную часть системы контроля.
Перечисленные выше характеристики сопрягаемых поверхностей нормируются ее шероховатостью, которая в конечном итоге определяет эксплуатационные характеристики деталей и их сопряжений. К ним относят сопротивление усталостному разрушению от поверхностных напряжений, стойкость к поверхностному износу при эксплуатации, устойчивость к коррозии, жесткость сопряжения, обеспечение оптимальных условий сопряжения деталей исходя из его назначения и условий эксплуатации, герметичность сопряжения и ряд других [12].
Формирование шероховатости поверхностей обеспечивается на операциях механической обработки. В случае возникновения незначительных отклонений и наличия в технологическом процессе последующих операций механической обработки, возникшие отклонения можно исправить. Если шероховатость превышает заданную конструктором после финишной операции механической обработки, то очень важно провести отбраковку данной детали с целью недопущения ее на сборочные операции. Детали, не отвечающие конструкторским требованиям, могут привести к значительному снижению срока службы узла в целом или выходу его из строя, что может привести созданию аварийных ситуаций. В связи с этим необходимо предусматривать контрольные операции после механической обработки.
Для проведения операций по контролю характеристик шероховатости поверхностей необходимы соответствующие средства контроля, а также методики проведения измерений и анализа полученной информации.
В настоящее время широко применяются методы измерения, основанные на построении профилограммы контролируемой поверхности [16]. Для их реализации применяются различные технические средства. Наибольшее распространение получили контактные и оптические профилографы. Однако, данные технические средства имеют относительно низкое быстродействие и зачастую требуют создания специальных производственных условий, поэтому в условиях серийного производства их применяют чаще всего для выборочного контроля. Такой подход не всегда дает удовлетворительные результаты, так как в реальных условиях влияние быстроменяющихся внешних факторов производственной системы, таких как износ режущего инструмента, колебания припуска под обработку, изменение твердости заготовки приводит к значительному рассеиванию шероховатость поверхности.
В производственных условиях для решения этой проблемы используется метод визуального контроля путем сравнения с эталоном [16]. Основным его недостатком является субъективность контроля, что может привести к пропуску бракованных деталей. Данный метод подразумевает использование достаточно дорогих эталонов шероховатостей поверхностей, которые производятся для различных типов поверхностей и методов обработки. В случае смены материала требуется замена эталонов, что также приводит к увеличению стоимости контроля.
Наиболее актуальным в производственных условиях является контроль шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал. Доля таких деталей в общем объеме производства достаточно велика и разработка системы для контроля ориентированной на данный тип деталей позволит существенно сократить затраты на проведение контрольных операций, а также снизит количество ошибок при контроле.
На основе вышесказанного цель данной работы заключается в том, чтобы повысить качество и быстродействие контроля шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал на основе анализа известных средств и методик, используемых для измерения шероховатости, а также теории цифровой обработки изображений путем разработки системы бесконтактного контроля.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ методов, средств и алгоритмов контроля шероховатостей поверхностей используемых на современных предприятиях машиностроительного профиля;
- разработать математические модели функционирования системы контроля;
- разработать алгоритмы функционирования;
- разработать аппаратную часть системы контроля.
Результатом проведенной работы стало повышение качества и быстродействия контроля шероховатости наружных поверхностей деталей типа вал на основе анализа известных средств и методик, используемых для измерения шероховатости, а также теории цифровой обработки изображений путем разработки системы бесконтактного контроля.
Проведенный в первом разделе анализ общих характеристик шероховатости показал, что при создании системы контроля необходимо обеспечить контроль параметров Raи Rzкак наиболее информативных и получивших наибольшее применение на практике.
Во втором разделе проведен анализ методов, средств и алгоритмов контроля шероховатостей поверхностей используемых на современных предприятиях машиностроительного профиля показал, что в настоящее время не существует систем, которые в полной мере удовлетворяли бы всем требованиям для проведения эффективного контроля непосредственно на рабочем месте. Было принято решение построить систему на базе цифровой обработке изображений.
Основными этапами при обработке изображений шероховатости поверхностей являются: восстановление, бинарная сегментация, текстурный анализ изображений. В ходе работы были выявлены наиболее часто встречаемые дефекты изображений в ходе контроля шероховатостей и предложены математические модели их устранения. С целью снижения объемов обрабатываемой информации и ускорения процесса контроля был предложен метод бинарной сегментации на основе пороговой обработки с автоматическим определением порога. Непосредственно сравнение получаемого после бинарной обработки изображения с эталоном из базы данных производится на основе математической модели текстурного анализа этих изображений. Разработке данных вопросов посвящен третий раздел.
Четвертый раздел посвящен разработке функциональной схемы и алгоритма цифровой обработки изображения проектируемой системы исходя из ее служебного назначения. Проводится оценка эффективности и отработка предлагаемого алгоритма цифровой обработки и математических моделей для его реализации на примере реальных образцов шероховатостей. Кроме того, в данном разделе предлагается реализация аппаратной части проектируемой системы в виде ее общей компоновочной схемы.
Предлагаемая система контроля шероховатости обладает универсальностью. Контроль шероховатости поверхностей может производиться для различных по габаритным характеристикам деталей, обработка которых может быть выполнена на металлорежущих станках различного типа. Измерения могут производиться в производственных или лабораторных условиях, как готовой детали, так и в течение технологического процесса в специально предусмотренное программой время. В отличие от предлагаемых отечественных и зарубежных приборов и систем данный способ менее чувствителен к загрязнениям поверхности, условиям её освещенности источником света и внешним помехам. К преимуществам спроектированной системы контроля также можно отнести отсутствие необходимости в контролерах высокой квалификации, требуются минимальные навыки эксплуатации цифровой техники.
Проведенный в первом разделе анализ общих характеристик шероховатости показал, что при создании системы контроля необходимо обеспечить контроль параметров Raи Rzкак наиболее информативных и получивших наибольшее применение на практике.
Во втором разделе проведен анализ методов, средств и алгоритмов контроля шероховатостей поверхностей используемых на современных предприятиях машиностроительного профиля показал, что в настоящее время не существует систем, которые в полной мере удовлетворяли бы всем требованиям для проведения эффективного контроля непосредственно на рабочем месте. Было принято решение построить систему на базе цифровой обработке изображений.
Основными этапами при обработке изображений шероховатости поверхностей являются: восстановление, бинарная сегментация, текстурный анализ изображений. В ходе работы были выявлены наиболее часто встречаемые дефекты изображений в ходе контроля шероховатостей и предложены математические модели их устранения. С целью снижения объемов обрабатываемой информации и ускорения процесса контроля был предложен метод бинарной сегментации на основе пороговой обработки с автоматическим определением порога. Непосредственно сравнение получаемого после бинарной обработки изображения с эталоном из базы данных производится на основе математической модели текстурного анализа этих изображений. Разработке данных вопросов посвящен третий раздел.
Четвертый раздел посвящен разработке функциональной схемы и алгоритма цифровой обработки изображения проектируемой системы исходя из ее служебного назначения. Проводится оценка эффективности и отработка предлагаемого алгоритма цифровой обработки и математических моделей для его реализации на примере реальных образцов шероховатостей. Кроме того, в данном разделе предлагается реализация аппаратной части проектируемой системы в виде ее общей компоновочной схемы.
Предлагаемая система контроля шероховатости обладает универсальностью. Контроль шероховатости поверхностей может производиться для различных по габаритным характеристикам деталей, обработка которых может быть выполнена на металлорежущих станках различного типа. Измерения могут производиться в производственных или лабораторных условиях, как готовой детали, так и в течение технологического процесса в специально предусмотренное программой время. В отличие от предлагаемых отечественных и зарубежных приборов и систем данный способ менее чувствителен к загрязнениям поверхности, условиям её освещенности источником света и внешним помехам. К преимуществам спроектированной системы контроля также можно отнести отсутствие необходимости в контролерах высокой квалификации, требуются минимальные навыки эксплуатации цифровой техники.