1. Анализ предметной области
Контроль геометрических параметров поверхностей деталей является важной составляющей обеспечения качества продукции в машиностроении, приборостроении и других производственных отраслях. От точности определения геометрии, формы и шероховатости поверхности зависят эксплуатационные характеристики деталей, их износостойкость, взаимозаменяемость и соответствие требованиям конструкторской документации.
Для решения подобных задач применяются специализированные измерительные системы, в том числе контурограф модели 220. Прибор предназначен для получения профиля поверхности детали контактным методом с использованием измерительного щупа. В результате перемещения щупа формируется последовательность измерительных точек, описывающая профиль исследуемой поверхности.
Полученные данные требуют последующей математической обработки. В зависимости от поставленной задачи необходимо выполнять компенсацию особенностей измерительной системы, фильтрацию шумов, выравнивание профиля, вычисление геометрических параметров и параметров шероховатости [1].
На практике обработка результатов измерений может выполняться с использованием нескольких программных средств. Это приводит к увеличению количества ручных операций и повышает вероятность ошибок оператора. Особенно существенной данная проблема становится при выполнении большого количества однотипных измерений.
В рамках разработки программного средства управления и обработки данных для контурографа модели 220 поставлена задача объединить управление прибором, регистрацию измерений, обработку профиля, его визуализацию, выполнение измерений и формирование отчётной документации в едином приложении. Программное средство должно обеспечивать запуск и остановку сканирования, калибровку измерительной системы, получение и хранение профилей, применение алгоритмов обработки, расчёт геометрических характеристик и параметров шероховатости, а также формирование отчётов.
2. Обзор существующих решений
Для определения требований к разрабатываемой системе были рассмотрены существующие программные решения, применяемые для управления измерительными системами и анализа профилей поверхностей.
К таким решениям относятся ACCTee, ConturoMatic S1 evaluation software, MountainsMap, TrueSurf и MarWin.
ACCTee представляет собой программное обеспечение для измерительных систем ACCRETECH. Оно объединяет управление измерениями, обработку профиля, геометрический анализ и формирование отчётов. При этом программное обеспечение ориентировано на оборудование конкретного производителя и не предназначено для непосредственного управления контурографом модели 220.
ConturoMatic S1 evaluation software предназначено для измерительных систем серии ConturoMatic. Программа поддерживает автоматизацию типовых измерений, анализ геометрических параметров, работу с эталонными профилями и формирование отчётов. Однако её использование также ограничено оборудованием производителя.
MountainsMap является универсальным инструментом анализа профилей и поверхностей. Программа поддерживает различные источники измерительных данных, фильтрацию, анализ шероховатости, сравнение с CAD-геометрией и развитые средства визуализации. Вместе с тем MountainsMap ориентирована прежде всего на анализ данных и не обеспечивает непосредственного управления контурографом модели 220.
TrueSurf предназначена преимущественно для анализа шероховатости и текстуры поверхности. Программа поддерживает различные методы фильтрации и обработки профилей, однако не предоставляет средств управления рассматриваемым измерительным оборудованием и имеет ограничения при комплексном анализе геометрии профиля.
MarWin представляет собой модульную метрологическую платформу компании Mahr. Она объединяет управление измерениями, обработку результатов, контроль допусков и формирование отчётов, однако в первую очередь предназначена для оборудования Mahr.
Проведённый анализ показал, что существующие решения обладают широким набором функций, но не удовлетворяют совокупности требований рассматриваемой задачи. В частности, отсутствует решение, которое одновременно обеспечивает управление контурографом модели 220, обработку его данных, выполнение геометрических измерений, поддержку требуемых фильтров, работу с DXF, русскоязычный интерфейс и поддержку российских нормативных требований.
Таким образом, возникает необходимость создания специализированного программного средства, ориентированного непосредственно на контурограф модели 220.
3. Концептуальная модель программного средства
На основе проведённого анализа разработана концептуальная модель программного средства управления и обработки данных для контурографа модели 220. Фрагмент концептуальной модели представлен в виде диаграммы последовательности на Рисунке 1.
Рис. 1. Диаграмма последовательности
Разрабатываемое программное средство построено по модульному принципу и реализует полный цикл работы с измерительными данными: от взаимодействия с прибором до формирования итогового отчёта.
Основными функциональными компонентами системы являются:
– модуль управления контурографом;
– модуль регистрации измерительной трассы;
– модуль обработки и фильтрации данных;
– модуль визуализации профиля;
– модуль формирования отчётов;
– локальное хранилище измерительных данных.
Основным пользователем программного средства является инженер-метролог. Пользователь подключает контурограф, настраивает параметры измерения и запускает регистрацию профиля. Полученные данные отображаются в графической форме непосредственно в процессе измерения.
После завершения регистрации профиль передаётся в подсистему обработки. На этом этапе могут выполняться компенсация геометрических искажений, фильтрация и нормализация координат [2]. Обработанный профиль становится основой для последующих измерений.
Архитектура программного средства реализована с использованием объектно-ориентированного подхода. Центральным компонентом пользовательского приложения является MainWindow, объединяющий функциональные вкладки. Работа с измерительным прибором выполняется через Device, использующий последовательный порт для обмена данными.
Для представления измерительных данных используется иерархия трасс, базовым элементом которой является абстрактный класс AbstractTrace. Конкретная реализация ContourTrace предназначена для хранения и обработки профиля поверхности.
Для построения цепочки обработки данных используются интерфейсы IDataSinglePointProcessor и IDataPostProcessor. Такое разделение позволяет выполнять обработку как отдельных поступающих точек, так и сформированной трассы. В системе реализованы отдельные процессоры для компенсации угла резьбы, устранения нелинейности, медианной фильтрации, фильтрации профиля и нормализации координат.
Отдельную подсистему представляет система измерений. Её базовым классом является Measurement, от которого наследуются специализированные классы для определения расстояний, углов, радиусов, отклонений формы и параметров шероховатости. Такой подход позволяет добавлять новые виды измерений без существенного изменения существующей архитектуры.
4. Стек технологий
Для реализации программного средства выбран язык программирования C++ и фреймворк Qt.
Выбор C++ обусловлен требованиями к производительности, взаимодействию с аппаратным обеспечением и обработке больших объёмов измерительных данных. В отличие от языков, использующих виртуальную машину, и автоматический сборщик мусора, C++ позволяет выполнять нативный код и обеспечивает детерминированное управление ресурсами.
Для разработки пользовательского интерфейса и кроссплатформенной инфраструктуры использован фреймворк Qt. В качестве среды разработки выбран Qt Creator, предоставляющий интеграцию с Qt, средства визуального проектирования интерфейсов, отладки и анализа производительности.
Графическое отображение измерительных профилей реализовано с использованием библиотеки QCustomPlot. Это позволяет отображать большое количество измерительных точек, выполнять масштабирование, навигацию по графику и размещать дополнительные графические элементы, необходимые для проведения измерений.
Взаимодействие с контурографом осуществляется через последовательный интерфейс. Такой подход обеспечивает получение данных от измерительного устройства в процессе сканирования и позволяет отображать текущее состояние измерения в пользовательском интерфейсе.
5. Алгоритмы функционирования
Работа программного средства начинается с подключения контурографа. После установления соединения программа получает поток данных о положении измерительного щупа.
В штатном режиме программа отображает текущее положение щупа и состояние прибора. При запуске измерения создаётся новая трасса, в которую последовательно добавляются получаемые измерительные точки.
Во время регистрации каждая новая точка одновременно добавляется в структуру данных и отображается на графике. Это позволяет оператору контролировать формирование профиля в реальном времени и при необходимости остановить измерение.
После завершения регистрации выполняется обработка полученной трассы. Первым этапом может быть компенсация радиуса наконечника щупа. Конечный радиус измерительного элемента приводит к систематическому отличию зарегистрированной траектории от фактической геометрии поверхности, поэтому соответствующая коррекция необходима для повышения точности последующих вычислений.
Следующим этапом является фильтрация. Для удаления одиночных выбросов применяется медианный фильтр. Для сглаживания профиля может использоваться гауссово сглаживание [3]. Дополнительно реализованы алгоритмы компенсации угла резьбы, устранения нелинейных искажений и нормализации координат.
После обработки пользователь может выполнить анализ профиля. Программное средство позволяет изменять масштаб по обеим координатным осям, перемещаться по профилю и выполнять выравнивание относительно одной или двух базовых поверхностей.
Для анализа геометрии реализованы измерения расстояний, высот, углов и радиусов, а также отклонения профиля от прямой или окружности. Пользователь может выбрать необходимые участки профиля непосредственно на графике, после чего соответствующая подсистема выполняет вычисления и отображает результат.
Отдельное направление обработки связано с шероховатостью поверхности. В системе реализован расчёт параметров Ra и Rz, позволяющий оценивать микрогеометрию исследуемой поверхности.
Для сопоставления фактического профиля с проектной геометрией предусмотрен импорт чертежей в формате DXF. Загруженная геометрия накладывается на измеренный профиль, что позволяет визуально оценивать отклонения реальной поверхности от проектного контура.
На заключительном этапе пользователь может указать наименование детали и комментарий, после чего система формирует отчёт в формате HTML с графическим представлением профиля и числовыми результатами измерений.
6. Пользовательский интерфейс
Пользовательский интерфейс разрабатываемого программного средства анализа и визуализации параметров технологического процесса, представленный на Рисунке 2.
Рис. 2 Интерфейс главного окна
Интерфейс разделён на несколько функциональных состояний, соответствующих основным этапам работы с программой: регистрации профиля, калибровке и анализу результатов. Такое разделение позволяет отделить получение данных от последующих операций обработки и измерения.
Основной экран предназначен для взаимодействия с контурографом и регистрации профиля. На нём отображается график формируемой трассы, состояние устройства и элементы управления процессом измерения.
Отдельное окно предназначено для калибровки. В нём пользователь может настраивать параметры измерительной системы, включая характеристики наконечников щупа, смещение игл и угол наклона стойки.
Окно измерений содержит график профиля и набор инструментов измерения. Пользователь может выбирать участки трассы, выполнять масштабирование и навигацию, добавлять вспомогательные геометрические элементы и отображать результаты вычислений непосредственно на графике.
Выполненные измерения сохраняются в боковой панели. Каждая операция представляется отдельной записью с числовым результатом и соответствующими графическими элементами. Это позволяет оператору последовательно выполнять несколько измерений и контролировать полученные значения.
Такое построение интерфейса обеспечивает разделение основных рабочих процессов и сокращает количество действий, необходимых для проведения измерения и последующего анализа профиля.
7. Результаты разработки и испытаний
В результате разработки создано программное средство управления и обработки данных для контурографа модели 220, обеспечивающее полный цикл работы с измерительными данными.
Основные возможности разработанного решения включают:
– управление контурографом модели 220 и запуск измерений;
– получение измерительных данных в режиме реального времени;
– формирование и сохранение профилей поверхности;
– фильтрацию и геометрическую коррекцию данных;
– визуализацию измерительных трасс;
– измерение расстояний, углов и радиусов вписанных окружностей;
– анализ отклонений формы;
– расчёт параметров шероховатости Ra и Rz;
– сравнение профиля с чертежом DXF;
– калибровку измерительной системы;
– формирование HTML-отчётов;
– локальное хранение результатов измерений.
Разработанное программное средство позволяет объединить управление контурографом и обработку результатов измерений в единой программной среде, сократить количество ручных операций и обеспечить сохранение и документирование результатов контроля.
Литература:
- ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. — Москва: Стандартинформ, 2005. — 7 с.
- Захаров, О. В. Применение фильтров серии ISO 16610 для анализа структуры поверхности. Часть 1. Обзор профильных фильтров / О. В. Захаров, А. С. Яковишин, А. В. Жуков // Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2022. — № 4. — С. 5–18.
- Каморкин, П. А. Применение фильтра Гаусса для определения геометрических параметров качества поверхности профильным методом / П. А. Каморкин // Научные труды Запорожского национального технического университета. Технические науки: сборник научных трудов. — 2015. — № 1. — С. 139–143.
