Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Константинов Юрий Александрович
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СПЕЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ЭТАПАХ ПРОИЗВОДСТВА
05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Пермь - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Первадчук Владимир Павлович, заведующий кафедрой Прикладная математика Пермского национального исследовательского политехнического университета Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Казанцев Владимир Петрович, профессор кафедры Микропроцессорные средства автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета кандидат технических наук Березняков Сергей Вадимович, начальник отдела ТО-5 ОАО Стар Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени Михаила Тимофеевича Калашникова
Защита состоится л15 мая 2012 г. в 13:00 на заседании Диссертационного совета Д 212.188.04 при ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ) по адресу:
614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет.
Автореферат разослан л13 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, А.А. Южаков доктор технических наук, профессор
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Технический контроль качества специальных волоконных световодов (СВС) ввиду сложности и разнообразия технологий их производства является одной из важнейших задач при производстве волоконнооптических компонентов и датчиков. Большое количество типов конструкций СВС требует постоянного развития существующих и создания новых методик контроля.
Малые объемы производства отдельно взятого типа СВС требуют гибкости автоматизированной системы технического контроля качества, способности ее быстрой перестройки с одного вида СВС на другой. Сложная по сравнению с телекоммуникационными волоконными световодами конструкция СВС требует совершенствования существующих методик и методов технического контроля качества. Особенность процесса производства на всех стадиях требует обработки большого числа параметров технологического процесса, сопоставления их с данными, полученными в исследовательской лаборатории.
Необходимость контроля каждого образца, возникающая при отработке технологии производства нового типа СВС, увеличивает длительность процесса исследования. При этом объемы получаемых данных серьезно осложняют унификацию, сохранение, отображение, визуализацию и анализ данных, делают невозможным в ручном режиме принимать решение об изменении параметров технологического процесса.
Автоматизация операций технического контроля на этапах производства СВС, таким образом, является актуальной задачей.
Известные автоматизированные системы контроля (АСК), представленные некоторыми авторами, решают задачи контроля отдельных исследовательских или технологических операций (Азаров А.А.), но без проведения анализа параметров технологического процесса и операций контроля на других стадиях.
Системы, управляющие контролем качества на всех главных этапах производства СВС, в известной литературе не описаны.
Существенный вклад в проектирование АСК высокотехнологичных производств внесли следующие авторы: Н.М. Легкий, Н.Г. Зайцев, А.Н.
Сисюков, Н.А. Милостная, А.В. Дорохов, А.В. Кузнецов, И.В. Лофицкий, И.И.
Стародубцев, Е.Н. Барышников. Большое внимание разработке методов контроля волоконных световодов уделили следующие отечественные и зарубежные авторы: А.В. Бурдин, В.А. Бурдин, А.В. Листвин, В.Н. Листвин, А.Г. Свинцов, А.Б. Иванов, И.В. Соколов, М.В. Дашков, F. Maasoumi, A.R.
Bahrampour, G. Yilmaz, S.E. Karlik, A.H. Hartog, M.P. Gold, J.C. Juarez и др.
Однако применение их методик в рамках автоматизированной системы контроля качества СВС на практике сопряжено с серьезными и часто неустранимыми трудностями. Модели рефлектограмм в работах разных авторов представляют собой сложные имитационные модели, точно описывающие лишь один из видов рассеяния, при этом не учитывают возможное нестационарное состояние любого из участков СВС или нелинейные оптические эффекты, а также инструментальные погрешности конкретных моделей рефлектометров. Все это делает их неприменимыми в автоматизированной системе контроля качества СВС.
Объектом исследования являются технологические процессы производства специальных волоконных световодов.
Предметом исследования являются методы контроля качества специальных волоконных световодов на этапах производства.
Цель работы Разработка методов и алгоритмов технического контроля качества СВС в процессе производства, обеспечивающих повышение точности локализации дефектов в СВС, сокращение потерь времени в ходе технологического процесса.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать структуру автоматизированной системы технического контроля (АСТК) качества СВС, обеспечивающей определение связей дефектов СВС с отклонениями параметров технологического процесса (ТП) и отбраковку продукции, не удовлетворяющий техническим требования (ТТ), на ранних стадиях ТП.
2. Разработать модифицированные методы технического контроля качества оптических параметров СВС, обеспечивающие достижение необходимой точности.
3. Разработать модель процесса рефлектометрии волоконного световода, учитывающую возможное нестационарное состояние любого из участков световода, имитирующую спектральные характеристики реальных рефлектограмм и учитывающую инструментальные погрешности конкретных типов рефлектометров.
4. Разработать модифицированные методы технического контроля качества геометрических параметров заготовок СВС, обеспечивающие достижение необходимой точности, основанные на оптимизации элементов алгоритмического обеспечения.
5. Провести апробацию разработанных модифицированных методов контроля в составе пилотной версии АСТК на действующем производстве.
Методы исследования:
Поставленные в работе задачи решены с использованием методов теории управления, математического моделирования, программирования, цифровой обработки сигналов, а также натурных экспериментов.
Научная новизна состоит в следующем:
- разработана структура АСТК качества специальных СВС, новизна которой заключается в возможности определения связей дефектов СВС с отклонениями параметров технологического процесса и отбраковки продукции, не удовлетворяющей техническим требованиям, на ранних стадиях ТП;
- построена новая модель одного из основных процессов контроля качества СВС - рефлектометрии волоконного световода, учитывающая возможное нестационарное состояние любого из участков световода, имитирующая спектральные характеристики реальных рефлектограмм, а также учитывающая инструментальные погрешности основных типов рефлектометров;
- разработаны модифицированные методы выявления дефектов в волоконных световодах, позволяющие выявлять поляризационные дефекты СВС, увеличить отношение сигнал - шум рефлектограммы. Новизна их состоит в применении специальных алгоритмов исследования образцов и обработки данных;
- созданы и реализованы модифицированные методы корреляционного анализа границ слоев заготовок СВС, позволяющие исследовать геометрические параметры заготовок СВС, в том числе и в процессе производства. Новизна их состоит в автоматической вариации параметров корреляционного алгоритма.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Пилотная версия АСТК качества СВС благодаря своей структуре обеспечивает определение связей дефектов СВС с отклонениями параметров технологического процесса и отбраковку некондиционной продукции на ранних стадиях ТП, что снижает производственные затраты.
2. Модифицированные методы технического контроля качества оптических и геометрических параметров СВС и их заготовок обеспечивают достижение необходимой точности результатов контроля на этапах производства.
3. Разработанная модель процесса рефлектометрии волоконного световода учитывает возможное нестационарное состояние любого из участков световода, имитирует спектральные характеристики конкретных рефлектограмм и учитывает инструментальные погрешности основных типов рефлектометров.
ичный вклад автора:
Все результаты, составляющие научную новизну настоящей работы, получены автором лично.
Достоверность полученных результатов:
Достоверность результатов подтверждается данными экспериментальных исследований (проведенных на оборудовании, внесенном в Госреестр средств измерений под номером 37663-08, по утвержденным производителем методикам) и математического моделирования, успешным применением разработанных методов на действующем производстве.
Практическая значимость работы:
Ц Пилотная версия АСТК качества СВС, внедренная на действующем производстве, позволяет определять связи дефектов СВС с отклонениями параметров ТП и вести отбраковку продукции, не удовлетворяющей техническим требованиям, на ранних стадиях ТП. Эксплуатация пилотной версии данной АСТК на действующем производстве позволила уменьшить общее время ТП на 12 %, ввести новые способы отбраковки СВС и установления причин брака, снизить количество брака на 10 %.
Ц Модифицированные методы выявления неоднородностей в волоконных световодах применяются при производстве СВС и анализе их качества и обеспечивают достижение необходимой точности результатов контроля.
Ц Построенная математическая модель процесса рефлектометрии СВС позволяет отрабатывать новые методы и методики выявления неоднородностей, которые применяются или будут применяться в данной АСТК. Программная реализация модели представляет собой эмулятор рефлектометра, пригодный для использования в производственной и педагогической практике.
Ц Для обработки данных с производства применен корреляционный анализ, что в случае зашумленных сигналов дает большую по сравнению с пороговыми алгоритмами точность локализации границ слоев или неоднородностей СВС.
Реализация результатов работы Модифицированные методы контроля, реализованные на базе созданной пилотной версии АСТК качества СВС, внедрены на производственном участке и в волоконно-оптической лаборатории ОАО Пермская научнопроизводственная приборостроительная компания (Россия, 614990, г. Пермь, ГСП-590, ул. 25 Октября, 106).
Апробация работы Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийская конференция по волоконной оптике (г. Пермь, 2009, 2011 г.г.); XVIII Всероссийская научно-методическая конференция Телематика' 2011 (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); XII Международная научнопрактическая конференция Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности (г. СанктПетербург, 2011 г.).
Публикации:
Основные положения диссертации изложены в 8 работах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, 1 приложения. Объем работы - 113 страниц, в том числе 38 рисунков, 2 таблицы.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, обозначены цель и задачи, которые необходимо решить для достижения цели, раскрыта научная новизна, описана практическая ценность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ состояния актуальных задач технического контроля качества СВС на производстве, отмечен вклад российских и зарубежных ученых в их решение. Описаны основные этапы производства специальных волоконных световодов.
Автоматизация процессов технического контроля качества СВС на этапах производства предусматривает создание модифицированных методов контроля параметров СВС и их заготовок, модель процесса рефлектометрии СВС, объединение их в рамках пилотной версии АСТК качества СВС.
Технический контроль качества СВС включает в себя как текущий контроль параметров заготовок СВС, так и итоговый контроль готовых СВС. Показано, что изготовление СВС, в том числе анизотропных СВС типа Панда (рис. 1), является сложным процессом и требует определения связей дефектов СВС с отклонениями параметров ТП, а также отбраковки некондиционной продукции на ранних стадиях ТП. Отмечено, что на этапах производства заготовки СВС методом модифицированного химического парофазного осаждения (Modified Chemical Vapour Deposition - MCVD) и контроля профиля показателя преломления (ППП) необходимо использование модифицированных корреляционных методов, повышающих точность локализации границ в заготовках СВС.
Технологический процесс Процесс контроля Следствие контроля MCVD Контроль диаметра заготовки ТепломехаКонтроль профиля ническая, показателя преломления механическая обработка Контроль геометрических Сборка заготовки характеристик заготовки Вытяжка СВС Рефлектометрия Готовый СВС Рис. 1. Взаимодействие технологического процесса и процесса комплексного контроля СВС Рефлектометрия является важным элементом технического контроля СВС, позволяющим исследовать характеристики СВС на каждом участке. Показано, что процесс рефлектометрии, примененный к СВС, во многих случаях нуждается в улучшении точностных характеристик, адаптации под отдельные типы световодов, внедрении автоматических операций. Таким образом, ставится задача создания модифицированных методов технического контроля качества оптических параметров СВС, обеспечивающих достижение необходимой точности результатов контроля. Обращено внимание на то, что для установления причин появления дефектов в специальных волоконных световодах необходимо комплексное исследование рефлектограмм и данных ТП. Произведен обзор методов обработки и моделирования рефлектограмм.
Показано, что для автоматической отбраковки некондиционных образцов СВС, а также для создания моделей рефлектограмм, предназначенных для верификации модифицированных корреляционных методов цифровой обработки сигнала, необходима разработка программного эмулятора оптического рефлектометра. Следовательно, необходимо разработать новую Текущий контроль Корреляционные алгоритмы Итоговый контроль модель процесса рефлектометрии волоконного световода. Эта модель должна учитывать возможное нестационарное состояние любого из участков световода и при этом имитировать спектральные характеристики реальных рефлектограмм. Немаловажным является также возможность учета нелинейных оптических эффектов в СВС.
АСТК должна быть расширяемой и доступной для интеграции новых типов приборов (таких, как рефлектометры Рамана и Бриллюэна). В модели необходимо учесть инструментальные погрешности конкретных типов рефлектометров. Отмечено, что вновь разработанные модифицированные методы должны пройти апробацию на действующем производстве.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса рефлектометрии СВС. Входными параметрами модели являются показатель преломления сердцевины и отражающей оболочки, диаметр сердцевины в каждой точке СВС, мощность источника излучения, рабочая длина волны источника излучения, длительность и форма зондирующего импульса, форма спектра шумов фотоприемного устройства рефлектометра. На выходе модели - рефлектограмма СВС, представляющая собой функцию мощности обратного рассеяния от координаты СВС. В разработанной структуре АСТК модель необходима для генерации эталонных рефлектограмм. Далее происходит их сравнение с рефлектограммами, полученными на этапе технического контроля готовых СВС: вычисляется коэффициент корреляции спектров реальной и смоделированной рефлектограммы.
В модели приняты следующие допущения:
Ц СВС и световедущая жила внутри него обладают цилиндрической симметрией.
Ц СВС условно разделен на фрагменты (Рис. 2), внутри которых оптические и геометрические свойства были приняты постоянными.
Ц Отражения Френеля, идущие в направлении, обратном направлению зондирования, не претерпевают вторичных отражений на пути следования.
Ц Длина когерентности источника не превышает длины фрагмента.
Ц Скорость звука в кварцевом стекле пренебрежимо мала по сравнению со скоростью света в этой же среде.
Мощность светового импульса, идущего в прямом направлении, обозначена F, а в обратном - B.
Способность каждого фрагмента пропускать свет - f, а отражать - b. На Рис. 2. Фрагменты волоконного рис. 2 по оси абсцисс отложено световода расстояние L, по оси ординат на рис. 2, а отложена мощность P, на рис. 2, б - время T. Первый фрагмент - часть буферного световода, через который излучение мощностью F0 вводится в исследуемый СВС. Затухание сигнала в СВС описывается так:
F1 F0 f2, F2 F1 f3, Е. F5 F4 f6.
(1) Выражением (1) описывается изменение мощности фрагмента импульса при следовании к дальнему (от источника) торцу СВС. В каждой точке СВС происходит отражение света в обратном направлении:
B0 F0b B1 F1b2 B B1 f B2 F2b3 B B2 fBV B f4 B3 F3b4 B B3 f4 BV BV f5 Е.. (2) BV B f5 B4 F4b5 B B4 f B5 F5b6 B B5 fT2 Tn Выделим в предложенной схеме моменты Е. В обратном направлении первый фрагмент световода в эти моменты проходят следующие части импульса:
T2 :
B B1 f2 F1b2 f2 F0 f2b2 f1 ;
T3 :
B B f2 B2 f3 f2 F2b3 f3 f2 F1 f3b3 f3 f2 F0 f2 f3b3 f3 f2 ; (3) Е.
T6 :
BV F0 f2 f3 f4 f5 f6b6 f6 f5 f4 f3 f5.
Tn Тогда для выражение может быть записано следующим образом:
n Tn : Bn 1 F0bn 1( fi ). (4) i Полученное выражение может быть представлено графически в виде рефлектограммы. В работе показано, что малая длина когерентности источника излучения позволяет складывать мощности обратного рассеяния от разных частей зондирующего импульса. В модели учтена возможность зондирования длительными импульсами. Показано, что предлагаемая модель может учитывать нелинейные оптические эффекты. Программная реализация модели позволяет задать любой тип зависимости показателя преломления от мощности n(P) f b ; и могут быть заменены на другие параметры, закон изменения которых от фрагмента к фрагменту заранее известен. Так могут быть рассчитаны параметры рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, Рамана.
Нестационарность может быть задана зависимостью показателя преломления от n(t) времени.
Далее в работе рассмотрены возможные методики расчета описанных f b безразмерных коэффициентов и по реальным оптическим и геометрическим характеристикам среды. В случае стандартного рефлектометра это параметры рэлеевского рассеяния на фрагментах СВС и френелевского отражения в узлах сетки. Шумовые характеристики рефлектометров разных типов исследовались спектральным анализом. Шумы моделей рефлектограмм генерировались исходя из данных этого анализа.
Продемонстрирован результат работы модели. Адекватность модели и выбора исходных данных подтверждена вычислением критерия Стьюдента (tрасч = 3,205 (tтабл = 3,106) при доверительной вероятности p = 0,998 и количестве степеней свободы ft = 500). Представлены спектры реальной и смоделированной рефлектограмм. Для оценки также введен расчет коэффициента взаимной корреляции спектров. Это обусловлено тем, что в рамках решения поставленных задач схожесть спектров рефлектограмм, наряду с затуханием СВС, является одним из определяющих факторов оценки качества СВС. Применимость коэффициента корреляции для оценки схожести спектров сигналов подтверждена исследователями (Е.Ю. Мельникова), а в рамках разработанной структуры АСТК - успешно проверена на действующем производстве. Совпадение спектров необходимо в том числе и для отработки модифицированных методов корреляционного анализа рефлектограмм, реализованных в рамках пилотной АСТК качества СВС. Коэффициент корреляции спектров рефлектограмм годного СВС и его модели равен 0,95.
Высокий коэффициент корреляции обусловлен корректным применением модели, верным заданием оптических характеристик СВС, близостью спектров смоделированного и реального шумов рефлектометров. В то же время не полное совпадение спектров обусловлено наличием мелких периодических дефектов (появление которых может быть связано как с отклонениями от технологического режима, так и с особенностями намотки СВС) и инструментальными погрешностями измерения.
В третьей главе описаны модифицированные автором методы технического контроля качества оптических параметров СВС. Разработана схема установки для поляризационной рефлектометрии специальных волоконных световодов типа Панда. Предложен модифицированный метод проведения измерения и обработки данных, который заключается в следующем. К разработанной модификации поляризационного рефлектометра через балластную катушку при помощи иммерсионной жидкости был присоединен исследуемый анизотропный СВС. После проведения каждого измерения осуществлялся поворот световода вокруг его центральной оси на фиксированный угол. Для дальнейшего исследования рефлектограмм, представляющих собой после первичного преобразования дискретные функции линейной координаты световода, определялся коэффициент их взаимной корреляции. Общая горизонтальная ось всех шести рефлектограмм была разбита на отрезки одинаковой длины.
Коэффициенты корреляции Пирсона рассчитывались для каждой пары рефлектограмм на каждом из отрезков. Предполагалось, что в отсутствие события на выбранном участке световода рефлектограммы некоррелированы в силу случайности процесса рассеяния (участок однороден). Напротив, относительно высокое значение коэффициента корреляции на каком-либо отрезке световода дает основания предполагать наличие неоднородности, регулярным образом меняющей соответствующие рефлектограммы.
Коррелограмма представляет собой, таким образом, функцию распределения коэффициента взаимной корреляции рефлектограмм по длине световода. Для дальнейших расчетов предлагается использовать лишь те рефлектограммы, на которых системой была установлена связь событий.
Представлен модифицированный метод корреляционной обработки рефлектограмм. Показано, что он может быть применен и для данных с рэлеевских рефлектометров. Суть его заключается в том, что в случае исследования нового типа СВС для нахождения оптимальных интервалов разбиения рефлектограммы (т.е. фактически характерных размеров неоднородностей) происходит обучение автоматизированной системы. Система исследует фрагменты световода с дефектами и без них и формирует массив с интервалами, рекомендуемыми для дальнейшей работы с такими типами СВС и/или параметрами зондирования. Таким образом может быть выбран один оптимальный интервал. Однако система может функционировать в режиме, когда данные о расчете корреляции на разных длинах интервалов сводятся в одну коррелограмму с использованием весовых коэффициентов, также рассчитанных системой в процессе обучения:
1 n 2 s s s s s s R s s s s k s i i i (u u )(vi v )(u u )2 (v v )2 , (5) m i s i s is s s R v u где - значения результирующей коррелограммы; s и s - средние v u значения массивов рефлектограмм и с первым значением в точке k s s рефлектограммы и последним в точке, - весовой коэффициент коррелограммы, рассчитанной с разбиением на интервалы длиной.
Показано, что для данного световода (изотропный, одномодовый, высокопрочный) и данных параметров зондирования (2 мВт, прямоугольный импульс 1 м) описанная модификация корреляционного метода обработки рефлектограмм дает большую точность локализации дефектов, чем усреднение, выполняемое стандартными рефлектометрами. Исследование проводилось сначала на моделях рефлектограмм, затем на рефлектограммах действительных образцов. Дефекты создавались путем изгибов СВС вокруг оправок разных диаметров (рис. 3). Продемонстрировано, что изгиб в 20 мм локализуется только при обработке предложенным модифицированным методом.
а б в Рис. 3. Корреляционный анализ рефлектограмм: а - рефлектограммы (Э - реальная (смещена по вертикали для наглядности); М - модель); б - производная от усредненных коррелограмм, рассчитанных по (5); в - производная от усредненных рефлектограмм.
Пунктиром обозначены данные, рассчитанные по модели, сплошной линией - эксперимент Применение разработанного модифицированного метода к поляризационным рефлектограммам показало повторяемость дефектов при зондировании СВС с двух сторон. Это свидетельствует о достоверной регистрации внутренних отклонений параметров анизотропии СВС.
Анализ показал наличие улучшения отношения сигнал - шум при использовании разработанных методов. Это обусловлено тем, что все коррелограммы, рассчитанные с интервалом, близким к оптимальному, дают гарантированный всплеск в области события, в то время как шумовые участки коррелируют по-разному.
В четвертой главе представлена структура и общий алгоритм функционирования автоматизированной системы технического контроля качества специальных волоконных световодов в процессе производства.
Элементная структура АСТК качества СВС: нижний уровень, содержащий датчики технологических установок, метрологического оборудования; верхний уровень - сервер с БД и установленным прикладным ПО. Программная структура АСТК состоит из подсистем и модулей. Функциональная структура АСТК содержит следующие подсистемы:
1. Подсистема, разработанная автором и предназначенная для измерения диаметра заготовок СВС. В ходе ТП на установке MCVD в соответствии с данными пирометра выбирается шаблон, содержащий характерное для данного этапа ТП распределение яркости по сечению заготовки в месте ее контакта с окружающей средой. Нахождение границы осуществляется модифицированным автором методом. Он заключается в вычислении коэффициента корреляции шаблона с различными участками получаемого с видеокамеры изображения.
2. Разработанная автором подсистема корреляционного анализа границ слоев в заготовках СВС. Шаблон, загруженный из постоянно пополняемой БД, сканирует ППП, полученный анализатором. Рассчитанная в ходе этого коррелограмма анализируется совместно с самим ППП. По результатам анализа строится так называемый эквивалентный профиль показателя преломления (ЭППП).
3. Подсистема автоматизации процесса рефлектометрии, разработанная автором, включает в себя модули управления рефлектометрической техникой, модули обработки данных модифицированными корреляционными методами.
Пилотная версия АСТК качества СВС функционирует в следующих режимах:
1. Режим контроля качества на этапах производства (рис. 5).
Начало Сохранение в БД Контроль геометрии Подготовка труб Да Удовл.ТЗ? M CVD Контроль диаметров Нет Сохранение в БД Брак оператор Вывод инфо Вывод инфо P, T Удовл.ТЗ? Контр.ППП Да Нет Сохранение в БД Брак Да Удовл.ТЗ? Вывод инфо Нет Жакетрирование Брак Вывод инфо Сохранение в БД Измерение и анализ ППП Измерение и Вытяжка ВС анализ ППП Сохранение в БД Система Подсистема рефлрефлектометриикого ектометричес контроля Сохранение в БД Центральная система обработки данных Завершение Вывод инфо Рис. 4. Обобщенный алгоритм функционирования АСТК качества СВС По завершении или во время каждого из производственных или контролирующих этапов данные с различных единиц оборудования сохраняются в форматах, установленных производителями. Фоновое приложение импортирует необходимые для анализа данные в главный модуль, сравнивает с параметрами технического задания. На основании сравнения система либо пропускает изделие в дальнейшую работу (при необходимости отмечая некоторые отклонения от режимов), либо бракует изделие, сообщая о необходимости остановки процесса. Далее программа преобразовывает данные в единую систему координат и сохраняет файл с индивидуальным именем, соответствующим названию образца.
2. Режим снятия рефлектограммы. Программа управляет рефлектометром и микроподвижками через приложение, созданное с использованием SDK в среде разработки Delphi. Управление микроподвижками сводится к заданию корректного угла и других условий ввода излучения в СВС. Этот режим позволяет снимать и сохранять рэлеевские и поляризационные рефлектограммы. Далее система загружает сохраненную модель рефлектограммы (если для данного типа СВС нет сохраненной модели, запускается программный эмулятор рефлектометра). Выполняется определение затухания и дисперсии, осуществляется сравнение спектров реальной и смоделированной рефлектограммы корреляционным методом, делаются выводы о годности готового образца.
3. Режим обработки и анализа данных. За основу подхода к редактированию данных взята структура многодорожечного звукоинженерного программного обеспечения. Каждая дорожка (рефлектограмма) может быть отдельно загружена, отмасштабирована, разделена на части. Каждая свободная дорожка может быть как заполнена новой рефлектограммой из файла, так и рассчитана из одной или двух загруженных ранее. Расчет производится после выбора исходных рефлектограмм и загрузки модуля. Модули обеспечивают следующие функции: разворот рефлектограммы; вычитание одной рефлектограммы из другой; производная первая и вторая, быстрое преобразование Фурье; вычисление коэффициентов корреляции Пирсона;
вычисление модифицированного коэффициента корреляции по предложенным алгоритмам, автокорреляционная функция. В программу могут быть загружены не только данные с рэлеевских, бриллюэновских, рамановских и поляризационных рефлектометров, но и данные процесса вытяжки оптического волокна, корреляция которых с показаниями приборов обратного рассеяния дает информацию о природе появления тех или иных неоднородностей на рефлектограмме. Реализованные средства дают исследователю модифицированный инструментарий обработки данных, позволяют автоматизировать представление данных оптических рефлектометров. Методы корреляционного анализа, представленные в работе, зарекомендовали себя как эффективные. Модульная конструкция программного обеспечения позволяет совершенствовать способы обработки данных и интегрировать в систему модули новых или доработанных методик.
Отдельные подсистемы и программные модули, а также пилотная версия системы внедрены на производстве СВС в ОАО Пермская научнопроизводственная приборостроительная компания, что позволило оценить возможность функционирования и расширения данной системы, а также запустить процесс накопления технологических и исследовательских данных.
Накопленные данные позволят создать базу для дальнейшей автоматизации всего производства. Модульная конструкция ПО и унифицированный формат хранения данных позволяют интегрировать новые функции.
В заключении приведена оценка результатов исследований, сформулированы выводы диссертационной работы.
Основные результаты работы и выводы 1. Разработана структура автоматизированной системы технического контроля качества специальных волоконных световодов, обеспечивающей определение связей дефектов волоконных световодов с отклонениями параметров технологического процесса и отбраковку продукции, не удовлетворяющей техническим требованиям, на ранних стадиях технологического процесса.
2. Построена модель процесса рефлектометрии волоконного световода, учитывающая возможное нестационарное состояние любого из участков световода, имитирующая спектральные характеристики реальных рефлектограмм, а также учитывающая инструментальные погрешности реальных рефлектометров. Модель функционирует в рамках разработанной пилотной версии автоматизированной системы технического контроля качества специальных волоконных световодов, в качестве эмулятора оптического рефлектометра, тренажера оператора. Показано, что программная реализация модели позволяет адаптировать ее для новых применений.
3. Разработаны модифицированные методы контроля качества волоконных световодов, позволяющие повысить точность выявления неоднородностей в специальных волоконных световодов. Их эффективность оценена как на рефлектограммах реальных образцов волоконных световодов, так и на моделях рефлектограмм. Применение данных методов позволило добиться повышения отношения сигнал - шум рефлектограммы, что привело к достижению необходимой точности метода.
4. Созданы и реализованы модифицированные методы корреляционного анализа границ слоев заготовок волоконных световодов, позволяющие исследовать геометрические параметры заготовок волоконных световодов, в том числе и в процессе производства. Применение их позволило устранить ошибки вычисления границ слоев при расчете эквивалентного профиля показателя преломления, привело к достижению необходимой точности метода.
5. Разработанная пилотная версия автоматизированной системы технического контроля качества специальных волоконных световодов предоставляет дополнительные возможности отбраковки волоконных световодов, не удовлетворяющих техническим требованиям. Ее пилотная версия внедрена на действующем производстве. Ее эксплуатация позволила уменьшить общее время технологического процесса на 12 %, ввести новые способы отбраковки волоконных световодов и установления причин брака, снизить количество брака на 10 %. Предполагается, что введение системы в полнофункциональную эксплуатацию позволит снизить брак на 20 % и более.
Основные публикации по теме диссертационной работы Публикации в научных изданиях, входящих в перечень ВАК 1. Константинов Ю.А., Крюков И.И., Первадчук В.П., Торошин А.Ю.
Поляризационная рефлектометрия анизотропных волоконных световодов // Квантовая электроника. - 2009. - № 39 (11). - С. 1068Ц1070.
2. Константинов Ю.А., Крюков И.И., Поскребышев М.М., Харламова Н.А.
Телевизионная система измерения размеров заготовки волоконных световодов в ходе процесса химического парофазного осаждения // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2010. - № 6 (113). - С. 155Ц158.
3. Константинов Ю.А., Крюков И.И., Поскребышев М.М., Харламова Н.А.
Автоматизация и сбор данных при исследовании характеристик волоконных световодов на этапах производства // Научно-технические ведомости СанктПетербургского государственного политехнического университета. - 2011. - № 6Ц2 (138). - С. 30Ц34.
Публикации в других научных изданиях 4. Константинов Ю.А., Крюков И.И. Программный эмулятор оптического рефлектометра в исследовательском и образовательном процессе // Телематика - 2011: тр. конф. - СПб., 2011. - Т. 2. - С. 325Ц326.
5. Константинов Ю.А., Мазунина Т.В., Торошин А.Ю. Адаптивная система оптимизации параметров оптической рефлектометрии волоконных световодов // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности: тр. междунар. конф. - СПб., 2011. - Т. 1. - С. 118Ц120.
6. Константинов Ю.А. Корреляционный анализ, примененный для локализации границ слоев в заготовках волоконных световодов // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности: тр. междунар. конф. - СПб., 2011. - Т. 3. - С. 239Ц240.
7. Константинов Ю.А., Мазунина Т.В. Разработка модифицированного корреляционного метода локализации дефектов в волоконных световодах // Фотон-Экспресс. - 2011. - № 6 (94). - С. 179Ц180.
8. Константинов Ю.А., Крюков И.И., Первадчук В.П., Торошин А.Ю.
Экспериментальные методики рефлектометрии волоконных световодов типа Панда // Фотон-Экспресс. - 2009. - № 6 (78). - С. 152.
________________________________________________ Подписано в печать 11.04.2012. Формат 60х90/16.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №830/2012.
_________________________________________________ Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.
Тел. (342) 219-90-33.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям