CC BY
10
УДК 620:191.33:681.7.624.012
О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, В.А. Плиско СГГА, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
O.K. Ushakov, N.R. Rakhimov, T. V. Larina, V.A. Plisko SSGA, Novosibirsk
OPTOELECTRONIC TECHNIQUE FOR DETERMINATION OF METAL SURFACES QUALITATIVE PARAMETERS
The authors investigate main qualitative parameters of metal surfaces: grain, roughness and colour. An optoelectronic device for measuring these parameters is offered.
Мониторинг металлических поверхностей - это самая массовая технологическая операция в самолетостроении, ибо ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технических характеристик. В связи с усложнением и требованием неуклонного повышения надежности новой техники трудоемкости контрольных операций в промышленности резко увеличиваются. Например, в развитых странах затраты на мониторинг металлических поверхностей составляют в среднем 1,5 - 3,5 % от стоимости выпускаемой продукция, а в отдельных т.н. наукоемких отраслях - до 20 % [1].
Оптоэлектронными методами мониторинга поверхностей исследователи занимаются более двадцати лет. Однако немногие оптоэлектронные системы преодолели пределы измерительных лабораторий, и дошли до применения в технологическом процессе. К числу параметров, мониторинг которых стало возможно производить, относятся: зернистость, шероховатость, дефектность, цветность и т. д.
Исторически, сначала мониторинг металлических поверхностей проводился визуально, путем сравнения поверхностей контролируемой и эталонной [2]. Недостатком данного метода контроля является большая доля субъективности и, соответственно, большая погрешность контроля (допускается до 50%), недостаточная оперативность и др.
Поэтому, появилась необходимость замены этого метода на достаточно близкий по физической сущности, с устранением его недостатков и сохранением, по возможности, его преимуществ и создания сначала базового образца, а затем и серии приборов для промышленности [3].
К методам оценки качества поверхностей в настоящее время можно отнести интерференционные теневые, метод светового сечения, профилографические, растровые, муаровые, интегральные
рефлексометрические [1]. Данные методы применяются в приборах контроля топографии поверхностей и объемных поверхностных дефектов. Эти приборы можно разбить на три большие класса:
1. Приборы контроля шероховатости поверхностей. При этом производится интегральная оценка поверхностных дефектов.
2. Приборы для контроля и измерения поверхностных дефектов и микрогеометрии. При этом контролируются отдельные дефекты изделий и измеряется глубина дефектов.
3. Приборы для контроля плоскостности, в основном, полированных поверхностей. Этими приборами обнаруживаются дефекты типа однородного изгиба, завалов, сложного изгиба (коробления), сколов.
По типу измерения их можно подразделить на приборы непосредственного измерения и приборы сравнения.
В абсолютном большинстве методов аппаратную основу приборов составляют микроскопы различных конструкций. При этом количественная и качественная оценка замеряемых параметров производится визуально. К тому же, следует отметить, что размеры контролируемой поверхности ограничены техническими возможностями микроскопов и определяются, в основном, размером свободного хода (до 90 мм) и полем зрения микроскопа (до 8 мм) [1].
Предлагаемый авторами [2, 3] оптоэлектронный метод мониторинга поверхностей представляется перспективным в отношении простоты, удобства, технологичности и быстроты. К настоящему времени авторами разработан ряд оптоэлектронных приборов для неразрушающего контроля различных веществ и материалов.
В данном методе применяется принцип сравнения качественных параметров исследуемого объекта с эталоном, в роли которого могут применяться образцовые стандартизованные меры шероховатости и дефектности. Теоретические и экспериментальные исследования для зеркальной составляющей отраженного потока для шероховатой поверхности со случайным распределением элементов профиля показывают, что возможно применение этого метода для определения шероховатости металлических поверхностей с Rz до 0,2 мкм [1].
Основной измеряемой оптической характеристикой при данном методе выступает интенсивность отраженного светового потока от поверхности контролируемого объекта (КО), которая сравнивается с величиной аналогичной характеристики эталона. При этом измеряемой электрической характеристикой выступает сила тока или напряжение на фотоприемнике. Они определяются выражениями [1] иФ = и 1Ф = 81Е/Еу, где иФ и 1Ф -
соответственно, напряжение фотосигнала и фототок; SvEe и SIEv -соответственно, вольтовая чувствительность к облученности и токовая чувствительность к освещенности; Ее и Еу - облученность и освещенность.
При исследовании цветности определяющей выступает четкость спектра излучения светоизлучающего диода (СИД) и монохроматическая чувствительность приемника оптического излучения (ПОИ), для других параметров - интегральная чувствительность ПОИ.
Таким образом, идея данного метода заключается в измерении интенсивности отраженного от КО светового потока или потока излучения и сравнении его с эталонным объектом (ЭО). При этом предлагаются два принципиальных схемотехнических решения:
1) С непосредственным сравнением параметров КО и ЭО (рис. 1). Как видно, при данном схемотехническом решении происходит одновременное снятие показаний с КО и ЭО, и сравнение их в блоке обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС). КО и ЭО подсвечиваются соответствующими идентичными СИД, которые питаются импульсным током от задающего генератора (ЗГ) через разделяющий триггер (РТ). Обработанный сигнал из БОФС в виде отношения сигналов (реального и эталонного) поступает либо на измерительный прибор (ИП), который представляет его в удобном для восприятия виде (например, в виде осциллограммы), либо на вход ЭВМ для хранения и дальнейшей обработки. Принципиальное неудобство данного решения заключается в технологической сложности согласования одновременной работы двух оптоэлектронных пар «СИД-ПОИ» с двумя объектами.
2) Со сравнением измеряемого параметра КО и известного параметра эталона (рис. 2). В этом схемотехническом решении результирующий сигнал с ПОИ может сопоставляться не с одним сигналом от эталонного образца, а с любым из ряда образцовых, хранящихся в запоминающем устройстве (ЗУ).
Рис. 1. Функциональная схема оптоэлектронных устройств с непосредственным сравнением
Рис. 2. Функциональная схема оптоэлектронных устройств со сравнением измеряемого параметра КО и известного параметра-эталона
Далее, как и в первом варианте, оба сигнала или их разность подаются на ИП или в ЭВМ. Удобство данного решения в том, что работает только одна оптоэлектронная пара «СИД-ПОИ», а сопоставление полученного сигнала с эталонным позволяет быстро и с достаточной точностью определить количественные значения параметров и отнести их к тому или иному классу (зернистости, шероховатости и т. п.).
В качестве оптоэлектронной пары для данного метода представляется целесообразным использование отражательных оптронов с открытым оптическим каналом. Применение оптронов связано с целым рядом преимуществ: согласованность элементов по спектральным и электрическим характеристикам, высокое быстродействие (?пер ~ 40 - 50 нс), высокая направленность излучения СИД оптрона, согласованность по конструктивно-технологическим признакам [4].
Авторами предлагается оптоэлектронное устройство для определения дефектности поверхности, которое может быть реализовано в одном из двух вышеприведенных схемотехнических решений. Принципиальным в данном устройстве выступает блок оптопары (оптрон). Один из его вариантов представлен на рис. 3. Как видно, в блоке используются 2 оптопары с идентичными характеристиками (спектральными, энергетическими) - по потоку излучения и электрическими. Оптопары работают в импульсном режиме попеременно: оси падающего Фпад и отраженного Фотр световых потоков (оптопары) расположены под углом 90° относительно друг друга и симметричны относительно нормали к поверхности КО в точке отражения. Кольцевой кожух блока из плотной непористой резины служит для необходимой ориентации оптопар относительно поверхности КО и световой изоляции оптического канала во избежание искажения показаний. Оси оптопар (конструктивные и оптические) перпендикулярны друг другу. В данном простейшем исполнении они позволяют получить псевдостереоскопический эффект. Применяя СИД с высокой направленностью излучения и конденсорные линзы, можно добиться уменьшения диаметра луча СИД и, как следствие, повышения разрешающей способности прибора.
Достоинством предложенного метода и данного прибора выступает простота применения и работы, что позволяет использовать его непосредственно в технологическом цикле; большая площадь применения, ограниченная лишь в принципе протяженности линии связи «оптоэлектронный блок-блок аппаратуры»; объективность показаний, т.е. независимость их от оператора; возможность параллельной фиксации показаний в ЗУ для накопления и дальнейшей обработки. В процессе измерения блок оптопар может перемещаться по поверхности КО в квадратно-пересеченном порядке (рис. 4).
Перемещение блока может осуществляться как вручную, так по направляющим с помощью регулирующего механизма. Второй способ перемещения предпочтительный, так как он обеспечивает равномерность хода блока и как следствие, равномерность снятия показаний. Основной
недостаток данного блока заключается в его одноканальности, т.е. показания снимаются с линии прохода луча оптоэлектронной пары. Данное обстоятельство позволяет использовать прибор с относительной степенью погрешности, которая может быть уменьшена лишь с увеличением частоты линий прохода, т. е. с повышением числа проходов блока по поверхности КО. Поэтому блок с двумя оптоэлектронными парами целесообразно использовать при замере стандартизованных параметров поверхностей (зернистость, шероховатость, цветность и т. п.).
i
I
Рис. 4. Ход перемещения блока оптопар по поверхности КО
Эти устройства позволяют заменить визуальный контроль технологических параметров исследуемой поверхности по ГОСТ 9378-93 сравниваемой с эталонными образцами, причем расчеты показали, что стоимость устройства окажется в несколько раз ниже стоимости зарубежных приборов.
При этом объективность, оперативность и точность контроля данными устройствами намного выше, чем при визуальном контроле. Также устройства можно встраивать и в автоматизированное оборудование для одновременного контроля нескольких технологических параметров металлических поверхностей как шероховатость, зернистость, цветность и дефективность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев, В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий/ В В. Клюев.- М.: Машиностроение, 1986. -382 с.
2. Топорец, А.С. Оптика шероховатой поверхности / А.С. Топорец.-Л: Машиностроение, 1988. - 162 с.
3. Тожиев, Р.Ж. Исследование качественных параметров металлических поверхностей на основе оптоэлектронных датчиков / Р.Ж. Тожиев Н.Р. Рахимов, Ш.К. Рузматов // ФерПИ. 2002. - № 3. - С. 73-77.
Рис. 3. Блок оптопары
4. Рахимов, Н.Р. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Н.Р. Рахимов, К.Х. Ахунов, Ш.К. Рузматов // Материалы Республиканской конференции «Техника и современные методы производственной технологии и информации». -Фергана, 2003. - С. 27-29.
©О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, В.А. Плиско, 2009
