CC BY
198
УДК 681.7:681.787
ОБ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Александр Викторович Макеев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
В работе предлагается обзор современных оптических методов и устройств, для исследования и контроля микрогеометрии поверхностей деталей. Уделено особое внимание совершенствованию метода оптической интерферометрии с применением лазерного излучения с короткой длинной волны и цифровой обработкой результатов, как наиболее перспективному направлению при исследовании шероховатости поверхности.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, оптические методы контроля шероховатости поверхности деталей, профилограф, интерферометрические измерения, спекл-интерферометрия, вейвлеты.
OPTICAL METHODS FOR CONTROL OF SURFACE MICROGEOMETRY
Alexander V. Makeev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a post graduate student, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
The paper provides an overview of modern optical methods and devices for the study and control of surface microgeometry details. Paying special attention to the improvement of optical interferometry method using laser light with a short wavelength, and the digital processing of the results, as the most promising directions in the study of surface roughness.
Key words: The surface roughness, optical methods to control surface roughness profiler details interferometric measurement of speckle interferometry, wavelets.
Создание высокоэффективных методов для контроля состояния поверхностных слоев деталей предоставляет большие резервы, для повышения качества выпускаемой продукции. В зависимости от материала, и в соответствии с требованиями к микрорельефу поверхности, и точности размеров обрабатываемой детали возможно применение различных методов и средств для контроля обрабатываемой поверхности. Контроль состояния поверхностного слоя деталей должен обеспечивать высокую точность, скорость, локальность и воспроизводимость получаемых в процессе измерения результатов. Важной задачей является создание бесконтактых автоматических систем контроля с компьютерной обработкой результатов [1, 2, 4, 5].
Цель работы состоит в обзоре оптических методов измерения шероховатости поверхности деталей. В таблице представлены характеристики таких методов.
Особое внимание предлагается уделить интерферометрическим методам, и возможностям улучшения качества измерений путем цифровой обработки результатов.
Таблица
Характеристики методов измерения шероховатости поверхности деталей
Название метода Измеряемые высоты Длина волны Возможность цифровой
микронеровностей источника излучения обработки результатов
МИИ-4 Микроинтерферо- Яшах 0,1-0,8 545нМ Нет
метр Линика
Метод спекл-структур с 630нМ Есть
применением спиральных Яа 0,7
пучков
Определение шероховато- 1,5А 633нМ Есть
сти поверхности с помо- (п2 - ГЦ)
щью поля направлении.
Фотометр Яа 0,01-0,50 632нМ Есть
Метод псевдоцветового Данных нет Есть
кодирования изображений Яа 1,26-10
МИС 2 0,1-0,8 - Нет
На рис. 1 показана схема оптической системы МИИ-4.
Рис. 1. Схема оптической системы МИИ-4
Свет от лампы 1 через конденсор 2 попадает на полупрозрачную пластинку 3. где разделяется на два пучка лучей. Один, отражаясь, попадает в объектив 4 и фокусируется на поверхности объекта 5. Отразившись от нее, он через объектив и промежуточную линзу б приходит в окуляр 7. Второй пучок от конденсора 2 проходит через полупрозрачную пластину 3 и через компенсатор 5 падает на эталонное зеркало 9 интерференционной головки. Отразившись от него и вернувшись к полупрозрачной пластине, второй пучок лучей также приходит в окуляр 7 [6].
Определение параметров шероховатости поверхностей оптически непрозрачных деталей выполняется методом спекл-структур с применением спиральных пучков (рис. 2).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - лазер ГН-40; 2 - ДОЭ; 3 - диафрагма; 4 - ПЗС-матрица; 5 - контролируемый объект
В качестве источника когерентного излучения применяется Не-№ лазер ГН-40 с длиной волны Х=630 нм и мощностью 40 мВт (или лазерный диод с близкими параметрами). Регистрирующим элементом выступает ПЗС-матрица от цифровой видеокамеры АСЕ^560СНБ с разрешением 640x480 пикселей, регистрирующая изображения в чёрно-белых тонах. При использовании в качестве зондируемого волнового фронта спирального погрешность измерения параметров шероховатости составляет 0,03 мкм [8].
Определение шероховатости поверхности может выполняться с помощью поля направлений (рис. 3).
Рис. 3. Схема лазерной установки
Луч лазера (1) разделяется оптическим кубиком (2), после чего луч (2) отражается от зеркала (3) и, проходя через испытуемый прозрачный образец, регистрируется CCD камерой, а луч (1) - опорный пучок - отражается от зеркала 6 и попадает на чувствительный элемент CCD камеры.
Расстояние между элементом (4) и чувствительным элементом CCD камеры - 6 см, длина волны лазера - 633 нм, максимальная величина шероховато-
и г-5Х о
стей на поверхности h.max = ———, где n2- показатель преломления испытуемого образца, n1- показатель преломления окружающей среды. При n1 = 1, n2 = 1,5 (стекло) максимальная амплитуда шероховатостей составит 1,9 мкм, частота горбов шероховатости - 200 мкм [7].
Интерференционная картина излучения, рассеянного от шероховатой поверхности дает сложную структуру с нерегулярной периодичностью, может оказываются зашумленной. Используемое при обработке интерференционных сигналов преобразование Фурье обладает недостаточной информативностью при анализе нестационарных сигналов, а также не позволяет анализировать их особенности и для исследования и обработки требуются методы, которые позволяют определять локальные особенности пространственно-частотных характеристик интерференционных полос. Таким методом может служить вейвлет преобразование [14,15]. Двумерное вейвлет преобразование хорошо решает задачи выделения полезного сигнала в случае сложной картины интерференционных полос [15]. Блок схема вейвлет обработки интерферограммы представлена на рис. 4.
Рис. 4. Блок схема вейвлет обработки интерферограммы
На рис. 5 представлена обработка зашумленного сигнала двумерным вейвлет преобразованием в среде MatLab.
Рис. 5. Компьютерный вид обработки зашумлённого сигнала
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ю.Ф. Назаров, А.М. Шкилько, В.В. Тихоненко, И.В. Компанеец. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов Ф1П ФИП PSE, 2007, т. 5, № 3-4, vol. 5, No. 3-4.
2. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. / Под ред. И. Н. Жестковой. — 8-е изд., перераб. и доп.. — М.: Машиностроение, 2001.
3. Мальков О.В., Литвиненко А.В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012
4. Айрапетян В.С., Губин С.Г., Макеев А.В. Оптические исследования шероховатости. // Труды XV Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». Новосибирск.: НГТУ. - 2014. - С.8 - 10.
5. Макеев А. В., Киндиров А. А., Губин С. Г. Анализ композиционных материалов для изготовления боеприпасов с отсечкой пороховых газов в переменно-замкнутом объёме // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОпти-ка-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 120-123.
6. МИИ 4 техническая документация [Электронный ресурс] Режим доступа: nnc.cdu.edu.ua>downloads/Техдокументацiя^МИИ-4.doc
7. Определение шероховатости поверхности с помощью поля направлений. А.Г. Налимов, В.В. Котляр, Р.В. Скиданов Институт систем обработки изображений РАН, Самарский государственный аэрокосмический университет.
8. Определение шероховатости поверхности оптически непрозрачных деталей методом спекл-структур с применением спиральных пучков. Малов А.Н.1, Павлов П.В.2 1 Амурский государственный университет (Благовещенск), 2 Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Компьютерная оптика, 2012, том 36, №3
9. Айрапетян В. С. Рассеяние света от поверхности лазерной керамики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 115-119.
10. Овчинников С. С., Тымкул В. М., Кузнецов М. М. Оптический способ контроля шероховатости поверхности // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 282-285.
11. Р. Джонс, К. Уайкс. Голографическая и спекл-интерферометрия /пер.с англ. А.А.Колоколова и др.; под. ред. Г.В.Скороцкого. - М. : Мир, 1986. - 327 с.
12. С. Н. Степанов, А. Н. Табенкин, С. Б. Тарасов. Метрологическое обеспечение производства. Нормирование параметров и способы измерения текстуры поверхности / - Спб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2012. - 147с.
13. В.Е. Привалов. Лазерные интерферометры для механических измерений / - Спб. : Мех. ин-т. 1992. - 56 с.
14. Информационные, вычислительные и управляющие системы. Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 6 / Главн. ред. ВН. Васильев. - СПб.: СПбГИТМО, 2002. - С.153-157
15. Давыдов А.В. Курс лекций по вейвлетам. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://geoin.org/wavelet/
© А. В. Макеев, 2016
