Расширение функциональных возможностей информационно-измерительных систем для контроля шероховатости поверхностей изделий машиностроения на принципах рефлектометрии Емельянов, Петр Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. Измерительная информация важна и необходима для управления производством и качеством продукции. В современном производстве задачи обеспечения качества не могут решаться без соответствующег.о совершенствования измерительной техники. Эти сферы производства тесно взаимосвязаны. Трудоемкость контроля обычно довольно существенна и в среднем составляет до 15% трудоемкости всего производства. Совершенствование методов контроля может дать не только значительную экономию в трудозатратах, но и более объективную и надежную оценку качества продукции.

Шероховатость поверхности является важным элементом ее качества и требования к этому качеству возрастают, поскольку с этим фактором зачастую связана сама работоспособность узлов машин и приборов. Динамика роста требований к шероховатости поверхности хорошо просматривается в ГОСТах разных лет. Естественно возрастают требования и к средствам контроля шероховатости. Рефлектометрический метод контроля шероховатости является наиболее перспективным в машиностроении и постоянно развивается. Можно считать, что к настоящему времени в этом методе с достаточной для практики полнотой разработаны вопросы определения параметров шероховатости сверхгладких поверхностей деталей машиностроения. Эти работы были начаты в 30-х годах в оптической промышленности с целью определения параметров шероховатости поверхности металлических зеркал (А.А.Гершун, Г.М.Городинский, А.С.Топорец и многие другие исследователи). Большую роль сыграла монография А.А.Кучина и К.А.Обрадович "Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности", изд. 1981г.

Одновременно в других областях техники (радиофизика, акустика и др.) бурно развивались теоретические аспекты проблемы отражения волн на неровной поверхности. Задачи касались локации морской поверхности, морского дна, суши, других планет, ионосферы и др.

Теоретическое решение для поверхностей с малой шероховатостью является наиболее наглядным. В этом случае спектральная плотность высот неровностей поверхности связана с индикатрисой

рассеяния падающего на нее излучения черев числовые коэффициенты и параметр Є , где

6" - среднее квадратическое отклонение высот неровностей, 4 - параметр, зависящий от длины волны, углов падения и наблюдения излучения. Для сверхгладкой поверхности с <3 ^ 0.01 мкм параметр 6 ⁶ мало отличается от единицы. Индикатриса рассеяния света пропорциональна спектральной плотности, по образному выражению, картина шероховатости как бы "переносится" волнами. Фурье-преобразованием индикатрисы определяется корреляционная функция высот неровностей. К.А.Обрадо-вич, Ю.Н.Поповым и Ф.М.Солодухо теоретическое решение доведено до программного обеспечения численного интегрирования, а практические разработки выразились на уровне изобретений.

Успехи, достигнутые в применении рефлектометрического метода для контроля сверхгладких поверхностей дают основание считать актуальными дальнейшие разработки по расширению возможностей рефлектометрического метода применительно к контролю поверхностей, включающих весь.диапазон технической шероховатости в машиностроении.

Широкое внедрение рефлектометрического метода будет способствовать повышению производительности и экономии в трудозатратах.

Вместе с тем, с увеличением шероховатости поверхности ее контроль на основе применения рефлектометрического метода требует существенной доработки теории. Интеграл, отражающий индикатрису рассеяния, не может быть сведен к квадратуре в виде спектральной функции для кореляционной функции высот неровностей, как это имело место для сверхгладких поверхностей. Требуется теоретическое решение, обосновывающее аналитическое выражение индикатрисы рассеяния и его применение для определения параметров шероховатости.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка на основе теоретических исследований и при использовании реальной корреляционной функции высот неровностей обрабатываемых деталей машиностроения адекватных зависимостей для индикатрис рассеяния света на поверхности для применения их в рефлек-тометрическом методе измерения параметров шероховатости. При

этом ставятся условия, чтобы расчетные возможности полученных зависимостей были достаточны для оценки шероховатости поверхности в широком диапазоне значений среднеквадратического отклонения высот неровностей с конкретизацией научно-обоснованных практических рекомендаций по применению рефлектометрического метода в производственных условиях (по компоновке приемника сигнала в зоне Фраунгофера, по частотному спектру флуктуации информационного сигнала в случае перемещения обрабатываемой поверхности, по уменьшению погрешности измерения параметров шероховатости поверхности, вызываемой зависимостью коэффициента отражения от угла падения излучения и др.).

Достижение поставленной цели в работе связывается с решением следующих задач:

1. Разработка аналитической зависимости для индикатрисы рассеяния на одномерно шероховатой поверхности в практическом диапазоне изменения среднеквадратических отклонений высот неровностей с коэффициентом их корреляции по типу функции Лоренца.

2. Сравнительный анализ индикатрис рассеяния, вычисленных с использованием в качестве коэффициента корреляции лоренцевой и гауссовой функции. Оценка возможной методической погрешности определения параметров шероховатости при использовании в расчетах функции корреляции, неадекватной реальной.

3. Разработка аналитической зависимости для индикатрисы рассеяния на поверхности с двумерной шероховатостью на основе разложения в степенной ряд с использованием модифицированных функций Бесселя второго рода нулевого и высших порядков (функций Макдональда).

4. Анализ индикатрисы рассеяния света на поверхностях с различной шероховатостью.

5. Разработка программно-математического обеспечения метода определения параметров шероховатости с использованием элементов индикатрисы рассеяния.

6. Оценка размерного критерия зоны Фраунгофера для источника вторичного излучения в виде шероховатой поверхности с лоренцевой функцией корреляции высот неровностей.

7. Анализ флуктуации интенсивности отраженного света для случая перемещения контролируемой поверхности, как реального

- б -

случая экспресс-анализа в автоматизированном непрерывном производстве.

8. Анализ допустимости распространения зависимостей, полученных для оценки шероховатости плоской поверхности, на цилиндрические поверхности.

9. Разработка нового принципа конструирования рефлектометра, работающего на основе использования элементов индикатрисы рассеяния, попарно симметричных относительно зеркального направления.

10. Сличение результатов измерения параметров шерохова
тости рефлектометрическим и шуповым методами.

Методика проведения исследований имеет расчетно-теоретический и экспериментальный характер.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлена взаимосвязь параметров индикатрисы рассеяния излучения от поверхности, имеющей однонаправленную шероховатость, со среднеквадратическим отклонением и интервалом корреляции высот микронеровностей для более широкого диапазона значений этих параметров по сравнению с известными решениями и на основе реальной функции корреляции высот микронеровностей поверхностей, обработанных в машиностроении. Взаимосвязь установлена в такой форме, которая позволяет для каждого конкретного значения высот микронеровностей представлять параметры индикатрисы рассеяния в минимально компактном виде.

2. Установлена взаимосвязь параметров индикатрисы рассеяния излучения от поверхности, имеющей двунаправленную шероховатость, со среднеквадратическим отклонением и интервалом корреляции высот микронеровностей для более широкого диапазона значений этих параметров по сравнению с известными решениями с использованием в выражении модифицированных бесселевых функций второго рода.

3. На основе установленных взаимосвязей расширены функциональные возможности рефлектометрического метода в отношении измерения более высоких значений параметров шероховатости, что отвечает широкому классу поверхностей машиностроения.

4. Проведен анализ зависимости частотного спектра флуктуации интенсивности отраженного излучения от скорости переме-

щения контролируемой поверхности в процессе обработки детали.

5. Определена зависимость размерного критерия зоны Фраун-гофера для случая использования лоренцевой функции корреляции высот неровностей.

6. На основе анализа взаимосвязи погрешности измерения параметров шероховатости с возможными различиями в локальных коэффициентах отражения света на неровной поверхности предложен способ уменьшения этой погрешности.'

Достоверность научных положений обусловливается корректностью исходных посылок. Методы и алгоритмы расчетов разработаны на основе классических уравнений электромагнитного поля Максвелла, волнового уравнения, методов теории вероятностей и приближения Кирхгофа, общепризнанного в решении дифракционных задач.

Использование нетабличных приемов интегрирования подтверждалось численным интегрированием с применением ПЭВМ. Достоверность машинных программ подтверждалась реализацией тестовых примеров.

Полученные решения находят свое подтверждение и объяснение в физической сущности протекающих явлений, а именно, в их закономерном отличии от процессов, полученных в научной литературе и практике, связанных с отражением света на неровной поверхности с другой, например, гауссовой функцией корреляции высот неровностей.

Конечные результаты по релектометрии шероховатой поверхности подтверждаются экспериментально путем сличения с данными, полученными шуповым (контактным) способом измерения.

Практическая значимость работы.

1. Расширены возможности использования рефлектометри-ческого метода измерения параметров шероховатости в широком диапазоне изменения среднеквадратического отклонения высот неровностей путем использования элементов индикатрисы рассеяния, полученной в том числе непосредственно в процессе механической обработки без прерывания перемещения детали, что может быть особенно важно в условиях автоматизированного производства.

2. Получена оценка предельно возможной погрешности определения параметров шероховатости в случае, если используемая

функция корреляции неадекватна реальной поверхности. В практике использования рефлектометрического метода вычисленная погрешность может иметь место в том случае, если действительная функция корреляции заранее не установлена и в расчетной формуле для индикатрисы рассеяния будет использована аналитическая зависимость для функции корреляции, неадекватная данной поверхности.

3. Сформулированы технические требования к выбору расстояния до приемника отраженного оптического сигнала, исходя из условия размещения приемника в зоне Фраунгофера, что облегчает компоновку системы измерения. Имеется в виду случай отражения света от поверхности с лоренцевой функцией корреляции.

4. Разработана оптико-электронная информационно-измерительная система для измерения параметров шероховатости поверхности, обладающая повышенной точностью измерения, особенно для деталей из таких материалов, для которых значение коэффициента отражения сильно зависит от угла падения света.

Апробация работы и публикации. Работа обсуждена и рекомендована к защите на научных семинарах кафедры измерительных информационных систем и технологий факультета информационных технологий МГТУ "Станкин" в апреле и сентябре 1996 г. Отдельные материалы работы обсуждались на 2-ой научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" в МГТУ им.Баумана в ноябре 1995, а также на семинаре "Метрологическое обеспечение и взаимозаменяемость в машиностроении" в Центральном Российском Доме Знаний в апреле 1996 г. с привлечением специалистов различных организаций. По материалам исследований опубликовано 7 печатных работ и получено решение о выдаче патента на изобретение.

Состав и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общи объем работы 18? страниц, в том числе 35 таблиц и рисунков, список литературы из 58 наименований, приложения на 9 страницах.