Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение стабильности качества и надежности изделии прецизионного приборостроения, микроэлектроники, вычислительной техники атомной энергешки, аэрокосмической техники и других отраслей современного производства связано с разработкой перспективных автоматизированных диагностических комплексов, способных оперативно, объективно и достоверно оценивать качество изготовления элементов вышеперечисленных изделий, и в отдельных случаях корректировать технологический процесс из изготовления
Наиболее обшей характеристикой качества диагностических комплексов и, как следствие, системы диагностики в целом является достоверность, т е способность аппаратуры контроля адекватно отражать реальное состояние контролируемых параметров оказывающих влияние на эксплуатационные свойства элементов и устройств
В этой связи создание автоматизированных методов и средств контроля качества изготовления поверхностей элементов изделий данного класса является достаточно актуальной задачей, т к прецизионные поверхности составляют около 40 % всех рабочих поверхностей
В настоящее время с системах контроля качества для оценки параметров прецизионных поверхностей применяют оптические методы (ОМ), растровые методы (РМ), а также методы, основанные на явлениях интерференции и дифракции когерентного монохроматического излучения отраженного от поверхности
В настоящее время для контроля и оценки параметров прецизионных поверхностей наибольшее применение получили методы, основанные на явлениях интерференции и дифракции когерентного монохроматического излучения при взаимодействии с поверхностью, изложенные с позиций волновой теории оптики в работах известных отечественных и зарубежных физиков Ф Г Басе, И М Фукс, М Борн, Э Вольф, Дж Каули, М Фран-сон, Биленко Д И, Клименко И С , Коглецов Б Н , Раков А В и другие Оптоэлектронные диагностические устройства, реализующие лазерные рефлексометрические методы основаны на анализе основных характеристик отраженного светового поля в статическом режиме таких как интенсивности зеркальной, диффузной составляющих и дифракционных максимумов, в динамическом режиме — изменение интенсивности (спекл-контраст) единичной области диффузной зоны спекл-структуры, невозмущенной влиянием зеркальной составляющей и дифракционных максимумов в фиксированной плоскости наблюдения при взаимном перемещении лазерного излучения и поверхности Теоретическими предпосылками методов являются модели взаимосвязи энергии отраженного ноля со статистическими параметрами условной п тоской поверхности без учета степени
влияния остальных конструктивно-технологических параметров реальной поверхности участвующих в формировании отраженного светового поля, таких как отражающие свойства материала и радиус кривизны поверхности Отсутствие этой информации снижает достоверность контроля и затрудняет выбор оптимальных методов контроля параметров поверхности
В этой связи задача моделирования процессов взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью является достаточно актуальной, и решение ее связано с необходимостью всестороннего исследования процесса взаимодействия лазерного излучения с поверхностью с целью выбора оптимальной характеристики отраженного оптического излучения, содержащей наиболее полную информацию о контролируемом параметре
Цель работы. Моделирование процессов взаимодействия лазерного излучения с поверхностью, связанное с созданием моделей, описывающих зависимости статических и динамических характеристик отраженного поля от конструктивно-технологических параметров реальной поверхности с целью выбора оптимальной характеристики отраженного оптического излучения, содержащей наиболее полную информацию о контролируемом параметре
Научная новизна
Обоснован выбор факторов, характеризующих оптический образ реальной поверхности, те конструктивно-технологические параметры, участвующие в формировании отраженного оптического поля, в качестве которых предложены высотный параметр шероховатости Ra, интервал корреляции Т(т), характеризующий распределение высот микрогеометрического профиля в плоскости перпендикулярной направлению следов обработки, коэффициент отражения р, зависящий от типа материала, радиус кривизны г, характеризующий форму поверхности
Созданы модели взаимосвязи параметров поверхности и статических характеристик отраженного светового поля интенсивности зеркальной 1„ диффузной Ід составляющих и дифракционных максимумов 1ДЧ, учитывающих влияние не только шероховатости поверхности, но также предложенных параметров, определяющих оптический образ поверхности
Разработаны модели зависимости динамических характеристик отраженного светового поля таких как изменение интенсивности Д 1с.с (спекл-контраст) единичной области диффузной зоны спекл-структуры, невозмущенной влиянием зеркальной составляющей и дифракционных максимумов в фиксированной области плоскости наблюдения при взаимном перемещении лазерного излучения и поверхности, и относительное изменение спекл-контраста Д 11" о г параметров оптического образа поверхности, базирующиеся на основных положениях теории спекл-интерферометрии
В связи с неоднозначностью влияния параметров оптическою образа поверхности на статические и динамические характеристики отраженного излучения, проведен раздельный анализ влияния каждого параметра поверхности [Ra, Т(т), р г J па интенсивность исследуемых компонент отраженного пота с учетом принятою допущения о посгоянстве влияния остальных параметров на исследуемую характеристику поля
Исследована информативность основных составляющих поля в соответствии с предложенным критерием — максимальности информации о параметре поверхности, согласно которому соотношение сигнал/шум »1, при условии, что «сигнал» —-это информация о контролируемом параметре, а «шум» — информация об остальных параметрах
На базе созданных библиотеки образцов поверхностей и экспериментальных установок для измерения статических и динамических характеристик отраженного поля проведены вычислительные эксперименты с использованием предложенного экспериментального критерия информативности, в соответсівии с которым исследованы степени влияния выбранных конструктивно-технологичесюгх параметров поверхности на характеристики основных составляющих отраженного светового поля
На защиту выносятся
Результаты сравнительного анализа теоретических моделей взаимодействия оптического излучения с поверхностью
Обобщенная модель оптического образа реальной поверхности т е модель поверхности, характеризующаяся конструктивно-технологичес-кими параметрами, участвующими в формировании отраженного оптического поля, в качестве которых предложены высотный параметр шероховатости Ra, интервал корреляции Т(т), характеризующий распределение высот микрогеометрического профиля в плоскости, перпендикулярной направлению следов обработки, коэффициент отражения р, зависящий от типа материала, радиус кривизны г, определяющий форму поверхности
Модели взаимосвязи статических характеристик отраженного поля интенсивности зеркальной 13, диффузной Ід составляющих и дифракционных максимумов 1ДМ и выбранных конструктивно-технологических параметров поверхности
4 Модели зависимости динамических характеристик отраженного
светового поля изменение интенсивности Д 1с.с (спекл-контраст) единич
ной области диффузной зоны спекл-структуры, невозмушенпой влиянием
зеркальной составляющей и дифракционных максимумов в фиксированной
плоскости наблюдения при взаимном перемещении лазерного излучения и
поверхности, и относительное изменение спекл-контраста Л 11" от пара
метров поверхности
5 Результаты вычислительных экспериментов статических и динами
ческих характеристик отраженного светового поля, перечисленных выше,
как функций параметров реальной поверхности, в соответствии с предло
женным экспериментальным критерием информативности
|к-к0|
-=! ІІІ1І юо%,
ks К
»„.
где 5к — степень несоответствия между характеристиками отраженного
излучения и высотным параметром шероховатости Ra,
5У2 — степень влияния способа обработки,
8р~ — степень влияния типа материала,
5Г — степень влияния формы поверхности
6 Результаты качественной и количественной проверки адекватности
разработанных моделей выводам вычислительных экспериментов
Практическая значимость работы
На основании предложенных в диссертационной работе методик построения моделей взаимодействия лазерного излучения с поверхностью и комплекса программ по выбору метода контроля разработаны рекомендации для создания диагностических устройств контроля качества прецизионных металлических поверхностей
Разработан комплекс программ проведения и обработки результатов вычислительных экспериментов с использованием математического аппарата многофакторного дисперсионного анализа и вероятностного критерия Фишера, характеризующего уровень значимости влияния параметров, характеризующих оптический образ поверхности, на интенсивность исследуемых компонент отраженного излучения, предложенный в качестве экспериментального критерия информативности
Апробация результатов работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Четвертом и Пятом Международных Аэрокосмических Конгрессах (г Москва, 2003, г Москва, 2006), Smart medical and Biomedical Sensor Technology 28-29 October 2003, Providance Rhode, Island, USA, Food Safaty monitoring, 18-19 October 2004, Providance Rhode, Island, USA, Международной конференции «Гагаринские чтения» (г Москва, 2005) Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством и сертификация» (г Москва, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Новые материалы и технолопіи»
(г Москва. 2006) научных семинарах кафедры «Управление качеством и сертификация», МАТИ
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ЗАО «Сэрвэт» при создании медицинского диагностического лазерного оборудования, а также в учебном процессе кафедры «Управление качесівом и сертификация» «МАТИ»— РГГУ им К Э Циолковского, о чем имеются соответствующие акты внедрения
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 119 наименований Работа изложена на 109 страницах, содержит 28 рис и 16 таблиц
Публикации. По материалам и результатам диссертации опубликовано 12 научных трудов (3 статьи 4 доклада, 4 тезисов докладов на различных научных конференциях), получено 2 патента и 2 положительных решения на изобретение
