автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование процессов взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью при создании оптоэлектронных диагностических средств в системах управления качеством

. На правах рукописи □ ОЗОВ9484 п7

Андреев Глеб Игоревич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРИ СОЗДАНИИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

Специальность 05 13 18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003069484

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им К Э Циолковского

На\ чный руководитель доктор технических наук профессор

Шолом Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты. доктор технических наук-

Баранов Александр Михайлович

кандидат физико-математических наук Мессинева Наталья Анатольевна

Ведущая организация ФГУП «Научно-исстсдовательский институт вакуумной техники им С А Векшинского» (НИИ ВТ), г Москва

Зашита состоится 23 мая 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212 110 06 при ГОУ BI1Ü «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им К Э Циолковского по адресу 121552, г Москва, Оршанская ул, д 3, зал Ученого Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ BIIO «МА ГИ» -Российского государственного техночогического университета им К Э Циолковского

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу

Автореферат разослан ЛС апрепя 2007 г

Ученый секретарь диссертационно! о совета доктор технических наук, профессор

Е В Марсова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 изготов тения 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 усгройств

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 Басс, И М Фукс, М Борн, Э Вольф, Дж Каули, М Франсов, Биленко Д И, Клименко И С , Коглецов Б Н , Раков А В и другие Оптоэлектронные диагностические устройства, реализующие лазерные рефлексометричсские методы оснонаньт 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 реаяьной 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

1 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 Ка, 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

2 Созданы модели взаимосвязи параметров поверхности и статических характеристик отраженного светового поля интенсивности зеркальной 1„ диффузной 1д составляющих и дифракционных максимумов 1дм, учитывающих влияние не только шероховатости поверхности, но также предложенных параметров, определяющих оптический образ поверхности

3 Разработаны модели зависимости динамических характеристик отраженного светового поля таких как изменение интенсивности Д 1с-= (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 о г параметров оптического образа поверхности, базирующиеся на основных положениях теории спекл-интерферометрии

4 В связи с неоднозначностью влияния параметров оптическою образа поверхности на статические и динамические характеристики отраженного излучения, проведен раздельный анализ влияния каждого параметра поверхности [Иа, Т(т), р г ] па интенсивность исследуемых компонент отраженного пота с учетом принятою допущения о постоянстве влияния остальных параметров на исследуемую характеристику поля

5 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

6 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 соответствии с которым исследованы степени влияния выбранных конструктивно-технологических параметров поверхности на характеристики основных составляющих отраженного светового поля

На защиту выносятся

1 Результаты сравнительного анализа теоретических моделей взаимодействия оптического излучения с поверхностью

2 Обобщенная модель оптического образа реальной поверхности т е модель поверхности, характеризующаяся конструктивно-технологическими параметрами, участвующими в формировании отраженного оптического поля, в качестве которых предложены высотный параметр шероховатости Ка, 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

3 Модели взаимосвязи статических характеристик отраженного поля интенсивности зеркальной I,, диффузной 1д 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) единичной 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 от параметров поверхности

5 Результаты вычислительных экспериментов статических и динамических характеристик отраженного светового поля, перечисленных выше, как функций параметров реальной поверхности, в соответствии с предложенным экспериментальным критерием информативности

¡к-к0|

§ -¡lili 100%,

kS К

°»s+l

где öks — 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

1 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

2 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 технологии»

(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 качес1ВОм 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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, приведены сведения о полученных научных и практических результатах, дано общее описание выполнегаюй работы

В первой главе был проведен анализ теоретических моделей взаимодействия оптического излучения с поверхностью с целью определения степени влияния параметров поверхности на характеристики отраженного от нее излучения с позиций векторной и скалярной (волновой) теорий дифракции Показано, что основные положения векторной теории дифракции применимы в основном в случаях отражения излучения от поверхностей, покрытых пленками, многослойными диэлектриками, а также при отражении от нижних слоев с металлическими покрытиями, т к позволяют учитывать изменяющиеся свойства падающего и отраженного излучения Было обосновано использование положении (скалярной) волновой теории дифракции при разработке моделей, связывающих параметры микрогеометрического рельефа поверхности с компонентами отраженного светового поля Доказано что данные модели не учитывают влияния конструктивно-технологических параметров поверхности, не определяющих характер микрогеометрического профиля поверхности, но участвующих в формировании отраженного оптического излучения, что, в свою очередь снижает достоверность существующих моделей Вследствие этого, при выполнении настоящей диссертационной работы были сформулированы основные задачи, решение которых позволит разработать модели взаимодействия параметров реальной поверхности, участвующих в формировании оптического образа поверхности, со статическими и динамическими ха-

рак1еристиками отраженного светового поля, на базе коюрых м01>'1 быть разработаны рекомендации по выбору оптимального способа контроля и диагностики, а именно

— выявить параметры, характеризующих оптический образ реальной поверхности, т е конструктивно-!ехнотогические параметры, участвующие в формировании отраженного оптического поля,

— разработать модели зависимости статических характеристик отраженного светового поля интенсивности зеркальной 13, диффузной 1д составляющих и дифракционных максимумов I,ог выбранных параметров поверхности

— разработать модели зависимости динамических характеристик отраженного светового поля изменения интенсивности А 1с с (сиекл-контраст) единичной области диффузной зоны спекл-сгруктуры, невозмущенной влиянием зеркальной составляющей и дифракционных максимумов в фиксированной плоскости наблюдения при взаимном перемещении лазерного излучения и поверхности, и относительного изменения спекл-контраста А от параметров поверхности,

— исследовать информативность вышеперечисленных характеристик поля в соответствии с предложенным критерием — максимальности информации о параметре поверхности,

— разработать экспериментальные установки и провести экспериментальные исследования зависимости статических и динамических характеристик отраженного поля от параметров поверхности на базе созданной библиотеки образцов поверхностей,

— разработать экспериментальный критерий информативности, использующий математический аппарат многофакторного дисперсионного анализа, в соответствии с которым провести исследования степени влияния конструктивно-технологических параметров поверхности на статические и динамические характеристики отраженного светового поля

— осуществить качественную и количественную проверку адекватности разработанных моделей результатам экспериментальных исследований

Вторая глава посвящена процессам моделирование функциональных связей между характеристиками отраженного оптического излучения и параметрами реальной поверхности Для определения степени влияния каждого из параметров, характеризующих отражающие свойства поверхности, на характеристики отраженного светового поля была разработана обобщенную модель реальной поверхности, на базе которой созданы модели взаимосвязи параметров реальной поверхности со статическими и динамическими характеристиками основных составляющих отраженного

оптического излучения зеркальной диффузной, дифракционных максимумов снекл-структура диффузной зоны, невозмущенная влиянием зеркальной составляющих и дифракционных максимумов Анализ модели реальной поверхности, проведенный с целью выявления основных характеристик реальной поверхности участвующих в формировании отраженного светового поля при взаимодействии оптического излучения с поверхностью, позволил установить, что на распределение энергии в фиксированной плоскости отражения оказывают влияние коне груктивно-технологические параметры, определяемые следующими величинами

• шероховатость поверхности — высотным параметром шероховатости (о),

• способ обработки, т е распределение высот микрогеомегрического профиля — интервалом корреляции Т(т),

• тип материала — коэффициентом отражения р.

• форма поверхности — радиусом кривизны г

В процессе исследования взаимосвязи статических характеристик отраженного оптического излучения и параметров реальной поверхности были использованы теоретические положения скалярной теории дифракции, согласно которой имеет место взаимосвязь между энергией, сформированной при взаимодействии излучения с абсолютно падкой плоской поверхностью, Е2() в направлении В2 (плоскость падения луча), и энергией поля, отраженного от поверхности Е2, определяемой среднеквадратическим ожло-нением высот микронеровносгей о и интервалом корреляции профиля Т При этом было принято допущение, что поверхность моделируется статистически шероховатой плоскостью, высота микрогеометрического профиля которой существенно меньше длины волны излучения Поскольку модель реальной поверхности представляет собой совокупность конструктивно-технологических параметров в математическую модель процесса взаимодействия для учета влияния материала и формы поверхности были введены коэффициенты, зависящие от данных параметров поверхности и параметров оптической системы, формирующей излучение, а именно

Е2 = Р[О,Т(т), рь Г],

(1)

и в этом случае энергия отраженного излучения имеет вид

р; (2)

ехр -2ь,Ь. 16(е3 -е,)

А.

Получены модели взаимосвязи интенсивности статических характеристик отраженною светового поля и параметров реальной поверхности, как то

— зеркальная компонента

11 = 10 ехр

4л а V

— о соэ X -

( с! ' ^Ту(т)] ехр|±2Ь,-^

РГ ехР

_ 16(0,-02)

(3)

диффузная компонента для полностью анизотропных поверхностей, т е невозмущенных влиянием дифракционных максимумов

1д ~ 1с

ехр

а'созбт ехр

ехр

± 2Ь1

-2ь2Ь- 18(е,-е2)

(4)

• зона дифракционных максимумов

I,

I

ш —1

(4к2а2соь20,

ехр

±2Ь,

т>

ехр

т ехр

/ Л2 2т

1 У

-2Ь,Ь. " л

(93 ~ 02 )

(5)

В связи с неоднозначностью влияния параметров оптического образа поверхности на статические характеристики отраженного излучения был проведен раздельный анализ влияния каждого параметра поверхности [Яа, Т(т), р, г ] на интенсивность данных характеристик с учетом принятою допущения о постоянстве влияния остальных параметров на исследуемую характеристику поля Было определено

Для зеркальной компоненты С изменением шероховатости поверхности происходит экспоненциальное изменение интенсивности зеркальной компоненты ■—• I, При уменьшении шероховатости имеет место увеличение 1т до своего максимального значения Однако, в связи с экспоненциальным законом изменения 13 начиная с некоторого значения Ка = Яа гр, дальнейшее уменьшение Г^ практически не будет вызывать увеличение I, В то же время с увеличением шероховатости будет происходить уменьше-

ние I, до того момента, когда при определенном Я,, = 1у2 интенсивность зеркальной компоненты обращается в нуль Соотношение регулярной и случайной составляющих профиля поверхности оказывает влияние на I, Для полностью анизотропных поверхностей у которых интервал корреляции Т(т) —> 0, степень влияния регулярной составляющей минимальна т е было высказано предположение, что влияние вида обработки анизотропных поверхностей на характер формирования отраженного излучения в зеркальном направлении минимально Для абсолютно изотропных поверхностей имеет место максимальное влияние регулярной составляющей профиля поверхности на величину интенсивности I, Однако, для поверхностей такого типа уменьшение высоты микрогеометрического профиля поверхности вызывает возрастание уровня случайной составляющей, т е , начиная с определенного значения = ^ :„ изотропные поверхности становятся частично анизотропными, характер анизотропии в данном случае также может быть определен интервалом корреляции Т(т) Функциональная связь величины интенсивности I, с типом материала поверхности определяется только его коэффициентом отражения р Имеет место экспоненциальная зависимость интенсивности зеркальной компоненты I, от формы поверхности При выполнении условия г, » г,„ интенсивность зеркальной компоненты не зависит от формы поверхности, которая становится эквивалентной плоскости сг=»

Для диффузной компоненты Отдельные выводы аналогичны как для зеркальной компоненты, а именно, изменение шероховатости при прочих равных условиях вызывает пропорциональное изменение I,. Влияние способа обработки зависит от степени изотропии, т е соотношения регулярной и случайной составляющих С увеличением степени изотропии, соответствующего возрастанию уровня регулярной составляющей возрастает также интервал корреляции Т(т), что вызывает перераспределение энергии в диффузной зоне уменьшение 1ди увеличение интенсивности дифракционных максимумов 1дч В предельном случае, когда Т(т)-—что соответствует случаю полностью изотропной поверхности, в диффузной зоне формируются лишь зона дифракционных максимумов, в которой увеличение вызывает возрастание 1„м Изменение типа материала вызывает экспоненциальное изменение вследствие чего было высказано предположение, что влияние типа материала поверхности уменьшается при удалении о г направления зеркального отражения Анализ влияния формы поверхности, характеризуемый радиусом кривизны поверхности г, показал что с уменьшением г, начиная с некоторого значения г, = г^г ~ г = °° интенсивность 1д в фиксированной точке диффузной зоны возрастает Изменение 1д связано с увеличением телесного угла зеркального отражения, вследствие чего происходит перераспределение части энергии зеркальной компоненты

Наряду с моделями взаимосвязи статических характеристик отраженного поля и параметров поверхности были разработаны модели взаимосвязи динамических характеристик отраженного светового поля и параметров реальной поверхности При построении данных моделей были использованы положения спекл-интерферометрии, согласно которым существует корреляционная связь между параметрами поверхности и флуктуацией интенсивности единичной зоны спекл-структуры в фиксированной точке плоскости наблюдения при взаимном перемещении излучения и поверхности

Для построения моделей были выбраны следующие характеристики диффузной зоны спекл-структуры

■спекл-контраст Д1

д с-с

Л1д«=^||1с(1.)-Ш ^ (6)

'о

— относительный спекл-контраст А1°™

=—-, П)

ж ш 1,

где 1С_С() — постоянная составляющая флуктуации интенсивности единичной зоны спекл-структуры,

1С_С — интенсивность единичной зоны спекл-структуры, т — период дискретизации Аг — интервал сканирования

Модель взаимосвязи спекл-контраста Д1д с с с параметрами оптического образа поверхности имеет вид

Д1дс.с =К, Г(Ка) 5(ц)ехр [2Ь; — | р2 ехр

V г )

-2Ь2Ь- 1ё(о3-е2)

А

(8)

В связи с тем, что влияние параметров оптического образа поверхности на данную динамическую характеристику отраженного излучения также не однозначно, по аналогии с исследованием статических характеристик был проведен раздельный анализ влияния каждого параметра поверхности [Ка, Т(т), р, г ] на величину спекл-контраста Д1дс< с учетом принятого допущения о постоянстве влияния остальных параметров на исследуемую характеристику поля

Дгя диффузной зоны спекл-структуры было установлено, что существует пропорциональная зависимость между высотным параметром ше-

роховатости и величиной спекл-контрасга Д1, , с в выбранной зоне формирования спекл-структуры При создании модели оптического образа поверхности в качестве параметра, характеризующего способ обработки был предложен интервал корреляции Т(т) В связи с эгим и при анализе степени влияния Т(т) на величину спекл-контраста Д1д с.с было высказано предположение, что корреляционные характеристики изменения интенсивности единичной зоны спекл-структуры при перемещении поверхности относительно лазерного излучения также зависят от соотношения регулярной и случайной составляющих Однако в связи с тем что размер единичного спекла е не зависит от параметров реальной поверхности, а определяется лишь параметрами излучения и оптической системы, способ обработки поверхности, характеризуемый интервал корреляции Т(т), не оказывает влияния на частотную характеристику изменения интенсивности единичной зоны спекл-структуры, т е спекл-контраст Д1д с.с Для анализа влияния способа обработки поверхности на величинуД1, с с был предложен параметр, характеризующий распределение углов наклона микрограней Было высказано предположение, что изменения данного параметра вызывают перераспределение интенсивности между единичными элементами (спеклами) диффузной зоны отраженного поля, невозмущенного зеркальной составляющей и дифракционными максимумами, что вызывает изменение Д1д с с Это изменение тем значительнее, чем выше уровень регулярной составляющей, т е для изотропных поверхностей из одного материала, полученных одним способом обработки, но имеющих различную шероховатость степень влияния способа обработки как следствие переориентации углов наклона микрограней, уменьшается с уменьшением высоты микрогеометрнческого профиля Влияние типа материала на изменение спекл-контраста Д1-, с с анало1 ично влиянию типа материала на диффузную компоненту отраженного поля В связи с тем, что спекл-структура есть одна из стадий формирования диффузной зоны отраженного светового поля, выводы, полученные на основании анализа статических характеристик диффузной компоненты правомерны, на наш взгляд, и в данном случае, т е величина спекл-контраста Д1д с.с возрастает при увеличении радиуса кривизны поверхности до некоторого г, = Ггр, при котором г =» о=

При анализе степени влияния параметров оптического образа по-

дтОТН

верхности на величину относительного спекл-контраста £-<• было установлено, что влияние способа обработки проявляется в перераспределении интенсивности между диффузной зоной и дифракционными максимумами Однако данное перераспределение «песет изменение как в величину Д1с с так и в 1с0 Аналогичные перераспределения имеют место и при изменении материала и формы поверхности Следовательно при переме-

щении поверхности oтнocиreJiьнo оптическою излучения при условии неизменности параметров оптической системы и оптического излучения изменение данной характеристики отраженного световою поля определяются лишь изменением высоты микрогеометрического профиля поверхности, т е

(9)

Проведенный анализ моделей взаимосвязи статических и данамиче-ских характеристик отраженного поля от параметров поверхности характеризующих ее оптический образ, подтвердил неадекватный характер данных зависимостей Для определения характеристик отраженного светового поля наиболее полно характеризующих те или иные параметры оптического образа поверхности был проведен сравнительный анализ информативности исследованных характеристик поля по предложенному критерию — максимальности информации о контролируемом параметре поверхности Сошасно данному критерию характеристика поля является достаточно информативной, если соотношение сигнал/шум » 1, при условии, что «сигнал» — это информация о контролируемом параметре, а «шум» — информация об остальных параметрах поверхности

В качестве примера проведен сравнительный анализ информативности исследованных характеристик поля с целью выбора параметра отраженного светового поля, наиболее полно характеризующею шероховатость реальной поверхности Выбор данного параметра обоснован тем, что проведенный анализ взаимосвязи эксплуатационных свойств элементов и качества поверхности показал, что шероховатость поверхности есть фактор качества поверхности, который наиболее полно и разносторонне влияет на ее эксплуатационные свойства На основании проведенного сравнительного анализа были установлено, что

— информация о шероховатости в интенсивности зеркальной I,, диффузной 1д составляющих и дифракционных максимумов 1,м зависит от высот микрогеометрического профиля поверхности,

— степень влияния способа обработки, материала и формы поверхности на величину указанных составляющих также зависит от величины микрогеометрического профиля поверхности,

— интервал корреляции Т(т) характеризующий способ обработки, не оказывает влияния на величину спекл-контраста Д1.1{>(_,

— наибольшая информация о шероховатости поверхности содержится в динамической характеристике — относительный спекл-контраст однозначно связанной с высотным параметром шероховатости Ка

Таким образом, на основании анализа процессов взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью разработаны модели взаимо-

связи статических и динамических характеристик основных компонент отраженного светового поля с параметрами реальной поверхности и проведен на их основе анализ информативности данных характеристик поля для высотного параметра шероховатости поверхности 1<а Установлено, что наиботьшей информативностью о шероховатости поверхности обладает динамическая характеристика — относительный спекл-контраст Д1°™ единичной области диффузной зоны спекл-структуры, невозмущенной влиянием зеркальной составляющей и дифракционных максимумов

Третья глава связана с экспериментальными исследованиями процесса взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью дчя определения степени влияния параметров реальной поверхности на статические и динамические характерно гаки отраженного светового поля

Для обеспечения объективности и достоверности результатов исследований были сформулированы требования к экспериментальному оборудованию, которое должно обеспечивать

— эквивалентные условия измерения интенсивности исследуемых компонент отраженного светового поля зеркальной, диффузной, дифракционных максимумов, зоны спекл-структуры, т е стабильность параметров оптической системы и источника излучения,

— получение количественной оценки распределения интенсивности каждой из составляющих,

— возможность исследования как плоских так и цилиндрических образцов

Анализ конструкций современных установок показал, что в настоящее время нет оборудования, полностью удовлетворяющего поставленным требованиям В связи с этим были разработаны экспериментальные варианты установок для измерения статических и динамических характеристик отраженного светового поля в зеркальной, диффузной зоне, зоне дифракционных максимумов и диффузной зоне спекл-структуры, невозмушеннои влиянием зеркальной составляющих и дифракционных максимумов Данные экспериментальные установки обеспечили возможность проведения экспериментальных исследований с учетом выполнения поставленных задач

В качестве экспериментальной базы использовались созданная библиотека образцов прецизионных поверхностей, которая включала пять диапазонов шероховатости по параметру от 0,01 до 0,32 мкм, выполненных из сталей и сплавов одиннадцати наименований, поверхности которых получены семью видами финишной обработки Кроме того, были изготовлены цилиндрические образцы различных радиусов в интервале от 0,5 до 15 мм

Для проведения экспериментальных исследований был разработан комплекс программ вычислительного эксперимента, направленных на

— получение максимально полной информации о влиянии конструктивно-технологических параметров реальной поверхности на характеристики основных компонент отраженного оптического излучения,

— унификацию методик исстедования распределения интенсивности в выбранных зонах отраженного оптического излучения для обеспечения возможности сравнения полученных результатов

Выполнение поставленных требований было учтено при разработке основных этапов экспериментов измерение повторялось многократно при повороте образца на угол Л04 = 30° относительно нормали с целью выявления влияния на интенсивность отраженного излучения взаимного положения микрогеометрического профиля образца и плоскости падения луча, начальное положение образца при исследовании поверхностей с регулярным профилем соответствовало случаю, когда плоскость падения луча перпендикулярна направлению следов обработки, контролируемая площадь каждого образца составляла 15x25 мм, интервал сканирования — не менее 2 мм, для исключения влияния на поверхность образцов окружающей среды эксперименты проводились с учетом соответствующих инструкций

По результатам проведенных измерений выполнены вычислительные эксперименты и построены графические зависимости распределения интенсивности основных характеристик отраженного поля для образцов библиотеки поверхностей В качестве примера на рис 1 показаны а) распределения интенсивности зеркальной составляющей 13 = f (04) по поверхности при повороте образца относительно плоскости падающею излучения для образцов «Плоская доводка» с диапазонами шероховатости по параметру 0 01 0 02, 0,02 0,04, 0,04 0,08 0,08 0,16 мкм, б) распределения интенсивности зеркальной составляющей 13 = £ (Ка ср) относительно средних по исследуемым диапазонам значений шероховатости Ка для образцов, изготовленных из материалов 10-ти наименований, полученных электрохимическим полированием

Аналогичные зависимости получены дта всех исследуемых составляющих отраженного светового поля для плоских образцов библиотеки поверхностей

Таким образом, создание экспериментальных установок и формирование библиотеки образцов поверхностей нескольких диапазонов шероховатости, изготовленных из металлов и сплавов 10-ти наименований, полученных 7-ю разными способами финишной обработки, обеспечивает проведение экспериментальных исследований в полном объеме и в соответствии с разработанными требованиями

I ьрй

а

Чг*

Рис 1 Распредаение интенсивности зеркачъной составляющей /, а — при повороте образца относитечьно тосюсти падающего изпчения) /3 = ¡<04) ды образцов «Пюская доводка» с диапазонами шероховатости по параметру Яп, 0 01 0 02,0,02 0,04,0 04 0,08,0 08 0 ¡6 икм б — относительно средних по исаед^е-чыч диапазонам значении шероховатости К„,„ д 1Я обращав изготовченных из материалов ¡0-ти наименований поч\ченных э7ектро-

хииическим потроьанием

В четвертой главе была проведена проверка адекватности разработанных моделей и результатов вычислительных экспериментов В связи с тем, что разработанные модели были проанализированы с позиций определения степени влияния параметров реальной поверхности на статические и динамические характеристики отраженного светового поля, была выполнена качественная и количественная проверка адекватности моделей и результатов вычислительных экспериментов по данному параметру Был разработан экспериментальный критерий информативности для обеспечения возможности сравнения вчияния конструктивно-технологических параметров реальной поверхности на статические и динамические характеристики отраженного светового поля Данный критерий, базирующийся на методах многофакторного дисперсионного анализа, включал

8 — степень несоответствия между характеристиками отраженного

излучения и высотным параметром шероховатости И,,

|К-К0| (Л ) , т

5 I-100%, К0 = 5.К„ + , = (10)

где К— коэффициент изменения среднего значения интенсивности отраженного излучения сравниваемых диапазонов шероховатости, Ко — коэффициент изменения среднего значения соответствующих диапазонов,

б, б + 1 — сравниваемые диапазоны шероховатости, д.," — степень влияния способа обработки, 5Р" — степень влияния типа материала, 5Г — степень влияния формы поверхности

8 .ИфУ

где г, — наружный садиус кривизны поверхности образца, вызывающий максимальное отклонение характеристики поля, ггр — наружный радиус образца, эквивалентный плоской поверхности (гп,~г = «>)

В качестве примера на рис 2 приведены распределения средних значений коэффициента изменения интенсивности зеркальной составляющей К5 5+1 (13) от средних значений диапазонов шероховатости Ка ср для образцов библиотеки поверхностей, полученных плоской доводкой (•), электрохимическим полированием (►), доводкой дисками, шаржированными абразивами (и), доводкой алмазными пастами (А), хонингованием (▼), алмазным точением (♦) тонким шлифованием кругами на различных связках (х)

Рис 2

Линии - - - и........показывают границы размаха варьирования коэффициента изменения среднею значения шероховатости исследуемых диапазонов 1С ьН(11)ср для доверительных интервалов р1 = 0,95 и р2- 0,9, соответственно, которые составляют соответственно \\'(К, 5+] СКа>] 095== ± 0,05 и \У[КЬ5И (Иа)] 09= ±0,1

Анализ представленных распределений показал

— коэффициенты изменения интенсивности I, между диапазонами 23 и 3-4, те К;_1 (13) и К 3_4 расположены в границах доверительного интервала р2 = 0,90 для всех исследуемых способов об работки,

— для поверхностей, полученных тонким шлифованием кругами на различных связках (ТШК) и алмазным точением (АТ) значения данного коэффициента для тех же сравниваемых диапазонов удовлетворяют значению размаха варьирования \VtKs 5+1 (Иа)] для доверительного интервала р, = 0,95,

— коэффициент изменения интенсивности I, между диапазонами 1-2 те К].: (13) уменьшается и выходт из границ доверитепьных интервалов для всех исследуемых способов обработки

Полученные результаты подтверждают теоретическое предположение о пропорциональной зависимости между интенсивностью зеркальной составляющей и параметрами шероховатости для определенного интервала Аналогичный анализ адекватности выводам теоретических исследований моделей и результатов вычислительных экспериментов был проведен для остальных составляющих отраженного поля

Качественная проверка адекватности результатов теоретических исследований степени влияния параметров реальной поверхности на формирование статических и динамических характеристик отраженного поля, проведенная с использованием разработанных моделей взаимосвязи исследуемых характеристик отраженного светового поля и конструктивно-технологических параметров реальных поверхностей показало удовлетворительное соответствие для доверительного интервала р = 0,90

Количественная оценка адекватности разработанных моделей и результатов экспериментальных исследований была проведена на примере модели взаимосвязи относительного спекл-контраста Д1°™ и высотного параметра шероховатости Ка, как параметра отраженного поля, содержащего максимальную информацию о шероховатости

Оценка сходимости результатов была проведена на аттестованных эталонных образцах Отклонения значений параметра К.а, полученных на экспериментальной установке от эталонных значений была выполнена в соответствии с выражением

эксп _ ^ этап I

5 --! 100%, (12)

' Э12Ы

где 1 — трасса сканирования,

бсри =; (13)

1 1

Было установлено, что для доверительного интервала р = 0,9 величина отклонения результатов от эталонных не превышает 4%, что является весьма удовлетворительным

ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в работе, решены следующие задачи

1 Разработана обобщенная модель оптического образа реальной поверхности, конструктивно-технологические параметры которой участвую! в формировании отраженного светового поля при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью

2 Разработаны и проанализированы модели взаимосвязи статических характеристик отраженного поля интенсивности зеркальной 13, диффузной 1Я составляющих, дифракционных максимумов 1дм и выбранных параметров поверхности

3 Разработаны и проанализированы модели зависимости динамических характеристик отраженного светового поля изменение интенсивности Д 1сс (снекл-контрас г) единичной области диффузной зоны спекл-структуры, невозмущеннои влиянием зеркальной составляющей и дифракционных максимумов в фиксированной плоскости наблюдения при взаимном перемещении лазерного излучения и поверхности и относительное изменение спекл-контраста Д I"™ от параметров поверхности

4 Разработаны программы вычислительных экспериментов, экспериментальные установки и проведены исследования зависимости статических и динамических характеристик отраженного светового поля от параметров реальной поверхности

5 Разработана комплексная программа оценки степени влияния параметров поверхности на статические и динамические характеристики отраженного поля, базирующаяся на положениях многофакторного дисперсионного анализа и вероятностного критерия Фишера Осуществлена качественная и количественная проверки адекватности разработанных моделей взаимосвязи параметров реальной поверхности с характеристиками отраженного светового поля результатам экспериментальных исследований

6 Анализ сходимости данных теоретических и экспериментальных исследований по выбору оптимальной характеристики поля, содержащей максимальную информацию о контролируемом параметре поверхности показал удовлетворительное соответствие для доверительного интервала р = 0.9

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 GI Andreev, Т Yu Moguilnaia, A A Agibalov, A G Botikov, Е V Kosenkov, Е A Saguitova Instrumentation for noninvasive express-diagnostics bacteriophages and viruses by optical method Technical program Photonic East 28-29 October 2003 Smart medical and Biomedical Sensor Technology p 20-32

2 GI Andreev, T Yu Mo Л A Agibalov, A G Botikov, E V Kosenkov, E A Saguitova itation for noninvasive express-diagnostics bacteriophages and viruses by optical method Smart medical and Biomedical Sensor Technology Proceeding of Spie 28-29 October 2003, Providance Rhode, Island, USA Volume 5621, p 18-29

3 Андреев Г И Зайченкова Е Б Моделирование процессов взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью Труды Четвертого Международно!о Аэрокосмического Конгресса Москва, 2003, с 231-238

4 G i Andreev, T Yu Moguilnaia A A Agibalov, A G Bonkov, E A Sa-guitova Laser instrumentation for express-diagnostics of soy m dairy products Technical program Food Safaty monitoring, Smart medical and Biomedical Sensor Technology Octobei 2004, p 114-130

5 GI Andreev,TYu Moguilnaia, A A Agibalov, A G Botikov, E A Sa-guitova Laser instrumentation foi express-diagnostics of soy m daiiy products Food Safaty monitoring, Providance Rhode Island, USA 18-19 October, 2004, Volume 5 p 144-153

6 Андреев Г И , Исаченко А В , Агибалов А А , Юшин А А Ботиков А Г , Косенков Е В , Могильная Т Ю Прохорский В В Устройство для обнаружения биолошческих агентов и химических веществ Патент на изобретение № 2238032 С1, кл 7 А61В5/05 Опубликован 20 10 2004

7 Андреев Г И , Исаченко А В , Агибалов А А , Юшин А А , Ботиков А Г , Косенков Е В Способ формирования базы данных для определения биологических агентов и химических веществ Заявка на изобретение РФ № 2003114034, класс 7 G01N33/00 Опубликована 27 12 2004

8 Андреев Г И , Исаченко А В , Агибалов А А , Юшин А А , Ботиков А Г, Косенков Е В Бесконтактное устройство для определения биологических агентов и химических веществ в биолот ических средах Заявка на изобретение РФ, RU № 2004133715 А, МПК А61В 5/05, G01N 33/483, GO IN 27/00 Опубликована 20 04 2006

9 Андреев Г И, Могильная Т Ю Ширяева Н А Моделирование распространения электромагнитного излучения в стыковочном узле «лазер-оптоволокно» Тезисы доклада на Пят ом Международном Аэрокосмическом Конгрессе Москва, август 2006, с 138

10 Андреев Г И , Могильная Т Ю , Ширяева Н А Исследование возбуждения паразитных мод в стыковочном узле полупроводниковый лазер-оптоволокно Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» Москва, ноябрь 2006, т 2, с 105-106

11 Андреев Г И Исаченко А В , Агибалов А А , Юшин А А , Ботиков А Г , Косенков Е В . Могильная Т Ю , Прохорский В В Устройство для формирования базы данных для определения биологических агентов и химических веществ Патент на изобретение РФ № RU 2269116 С2, кл G01N 21/01, A61N 5/00 (2006 01), G01N 33/487 Опубликован 27 01 2006

12 Андреев Г И Моделирование процессов взаимодействия лазерного излучения с реальной поверхностью при создании оптоэлектронных диагностических средств / Научно-технический журнал «Авиакосмическая техника и технология» Изд Федеральное космическое агентство и Российская инженерная академия, № 1/2007, с 35-38 (Из Перечня изданий, рекомендованных ВАК для публикаций)

Подписано в печать 18 04 07. Объем 1,0. Формат 60 х 84 '/16 Печать на ризографе Тираж 70 экз Заказ № 64

Издательский центр МАТИ 109240, Москва, Берниковская наб , 14