автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Построение лазерных систем для контроля шероховатости поверхности на основе импульсной акустооптической пространственно-временной развертки

РГО оя

• с> | ; - . ! г ■ ^

■ МОСКОВСКИЙ' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(СТАНКИН)

На правах рукописи

ЗАГРЕБЕЛЬШЙ ВАЛЕРИЙ ЕВТИКИЕВИЧ УДК 681.566.54:620.179.118

ПОСТРОЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ

ИМПУЛЬСНОЙ АКУСТООПТКЧЕСКОЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКИ

Специальность 05.11.16. - Ипформацконно-гамерительше

системы' (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском государственном технологическом униворситото (Стапкин) и Омском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Телешевский В.И.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор1 Парыгин B.II.,

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Валуова H.H.

Ведущее предприятие - ШШизмерения.

Защита состоится ^ г. в _час. на заседании

специализированного совета Д.ОьЗ.42.03 при Московском государственном университете по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д. За.

Ваши отзывы в двух зквемллярах, заверенные гербовой печатью, просьба выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " "1993 г.

Учений секретарь л /

специализированного совета // у/С _

к. т. н., доцент А- П- ЛУККН0В

ЛР й 020321 Редактор Г. М. Кляут Подписано к печати 16.II.93. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 167

Редакционно-издательский отдел ОмГТУ. 644050, Омск, просп. Мира, II' Типография ОмГТУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Одной из основных задач современного промышленного производства является выбор оптимального уровня автоматизации, который должен обспечить необходимое повышение производительности труда и качества выпускаемых изделий при экономически обоснованных материальных и трудовых затратах. Одной из составных частей автоматизации изготовления деталей является автоматизация методов и средств контроля качества изделий.

Наиболее. широко распространенными методами контроля качества изделий, а именно шероховатости поверхности,являются контактные и бесконтактные (оптические, пневматические, емкостные) методы измерения.

Для бесконтактного измерения шероховатости поверхности изделий используотся измерительная информация, содержащаяся в отраженном от объекта измерения световом потоке. Получение информации о качестве изделий осуществляется с помощью анализаторов изображения.

Существующие анализаторы изображения не удовлетворяют требованиям анализа излучения, отраженного от контролируемой поверхности.

Настоящая работа посвящена решению научной задачи - установлению закономерностей образования электрического сигнала измерительной информации в результате фотоэлектрической регистрации пространственного спектра дифракции света, отраженного от шероховатой поверхности, связи между фотоэлектрическим сигналом измерительной информации и параметрами сероховатоста поверхности контролируемого изделия при импульсном акустооптическом взаимодействи!.

Актуальность и народнохозяйственное значение работы определяется тем, что она является составной частью комплекса исследований, выполняемых кафедрой "Метрология и приборостроение" Омского государственного технического университета согласно программе по решению научно-технической проблемы ■ Ф 08-91 "Разработка новых принципов для метрологического обеспечения автоматизированных производств в прецизионном машиностроении", утвержденной Головным советом,по Метрологии и стандартизации и Государственным комитетом ГХЯСР по делам науки и высшей школы.

Цель работы. Повышение - точности и производительности контроля шероховатости поверхности изделий'в условиях автоматизированного производства па основе импульсной акустооптической пространственно-временной развертки (НАГОН излучения, -рассеянного контролируемой поверхностью.

Методы исследования. В работе используется аппарат теории линейных систем,теории дифракции,Фурье-оптики, теории функций комплексного переменного,акустооптики, теории пространственной фильтрации, математической статистики и вычислительной техники.При экспериментальных исследованиях применены метода и средства Фурье-оптики,акустооптики, пространственной фильтрации, фотоэлектрических преобразований.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлена закономерность образования электрического сигнала измерительной информации в результате фотоэлектрической регистрации пространственного спектра дифракции света, отраженного от шероховатой говорхности, при импульсном акустооптическом взаимодействии.

2. Установлена зависимость амплитуды фотоэлектрического сигнала измерительной информации от параметров шероховатости поверхности контролируемого изделия.

3. Определена структура суммарной погрешности преобразования, выявлены источники систематических погрешностей и предложены метода их устранения.

4. Введен обобщенный показатель шероховатости для оценю,! качества поверхности, контролируемой предлагаемым способом, и установлена связь со стандартизованными параметрами шероховатости.

Практическая ценность работы

1. Реализован • новый принцип построения рефлектометрических измерительных устройств для контроля шероховатости поверхности с импульсным акустооптическим преобразованием отраженного оптического излучения.

2. Реализован способ повышения разрешающей способности измерения шероховатости поверхности, что позволило достичь уровня разрешения существующих измерительных устройств. Экспериментальные исследования способа измерения шероховатости поверхности показали, что погрешность измерения не превышает 2 Ж, а достигнутая разрешающая способность не является предельной.

3. Реализован экспериментальный образец измерительного устройства о ШЛВР, позволяющий проводить измерения шероховатости поверхности в пределах от субшероховатости Дг=0,005 мкм для целей нанотехнологии до поверхностей, выполняемых на основе продукционных технологий с параметрами Да до 3,2 мкм.

4. Предлоаен для оценки иероховатоста поверхности обсб^егаий оптический параметр "суммарная интенсивность", позволяющий производить оценку шероховатости визуально и (иди) автоматически.

4

Виедронио полученных результатов. Результаты работы использованы при создании лазерной измеритольпой системы для контроля шероховатости поверхности изделий, внедряемой на Омском производственном объединении "Полет" с ожидаемым экономическим эффектом 2 100 ООО рублей в год.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "Разработка и внедрение гибких производственных систем для механической обработки", г. Омск, 1987 г.; научно-практической конференции "Применение лазеров в науке и тохнико", г. Смех, 1988 г.; научно-практической конференции "Метрологическое обеспечение автоматизированного производства", г. Ижевск, 1988 г.; IV Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, г.' Ленинград, 1983 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок имеется 7 публикаций, получоно авторское свидетельство на изобретение).

Структура и объем работы. Диссертация состоит та введения, четырех глав, заключения, списка литературы, прилогоний. Общий объем работы - страниц, в том число fJf страниц оспсвпого текста, страниц таблщ п рисунков, список литературы из наименований па.

9 страницах, приложения на б страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вводении обоснована актуальность тега,- сформулированы задачи исследования, приведены основные научныэ положения и результаты работы, выносимые па защиту.

В первой главе рассматриваются актуальные задачи в области контроля шероховатости поверхности и выдвигаемый ими комплекс технических требований, предъявляемых к измерительным системам контроля ие-роховатости поверхности изделий, проводится анализ методов измерения шероховатости поворхности изделий, рассматриваются возможности автоматизации регистрации оптических изображений оптоэлоктронными развертывающими преобразователями и формируются задачи исследования.

Важной задачей при проектировании автоматизированных производств является выбор измеряемых ' параметров. Точность обработки в гибких производственных системах должна обеспечиваться технологически, тем но мепсе, частота применяемости таких вддбв контроля, как контроль размера детали, составляет 14,51 %,а контроль пероховатости поверхности - Э.97 %.

Проведений! анализ отечественных к гзрубешк исследований показал,что указанным требованиям для контроля шероховатости поверхности соответствует рефлектометрический метод измерения. Он основан .на использовании зависимости, связывающей измеряемое рассеянное излучение с параметрами шероховатости поверхности. Эти зависимости получены в рамках дифракциоппой теории рассеяния на статистически неровных поверхностях. Параметры шероховатости,определяемые рефшстометрическим методом, усреднены по площади, освещаемой падающим пучком излучения.

Известны различные схемы рефлектометров, измеряющих параметры шероховатости поверхности. Однако с появлением оптоэлектрошшх анализаторов изображения (многоэлементных фотоприемников) появилась возможность создавать контрольно-измерительные ' средства для контроля качества деталей - шероховатости поверхности, основанные на методах анализа излучения, рассеянного контролируемой поверхностью. Тем не менее .в литературе отмечается, что важнейшими недостатками многоэле-мбнтных фотоприемников,препятствующими улучшению параметров и характеристик оптико-электронных систем для линейных и угловых измерений, является наличие промежутков между отдельными элементами, разброс и нестабильность параметров отдельных элементов, ограниченные размеры суммарного фоточувстЕИтельного слоя, необходимость иметь сравнительно сложные коммутирующие и другие устройства электронного управления многоэлемептными фотоприемниками.

В настоящей работе обосновывается целесообразность применения ИАПВР для анализа излучения,рассеянного контролируемой поверхностью, с целью определения параметров шероховатости поверхности изделий.

В связи с вкшоизложепнш формулируются задачи исследования.

1. Анализ возможности использования информации, содержащейся в излучении, рассеянном шероховатой поверхностью, для контроля качества поверхности с помощью ИАПВР.

2- Разработка способа преобразования измерительной информации на основе анализа излучения, рассеянного контролируемой поверхностью.

3. Построение и анализ математической модели процесса преобразования измерительной информации при контроле шероховатости поверхности с использованием ИАПВР.

4. Метрологическое исследование погрешностей преобразования "свет -1 сигнал" при контроле качества поверхности изделия.

5. Разработка лазерной измерительной системы на основе ИАПВР.

6. Экпериментальнда исследования разработанной измерительной установки для контроля'качества поверхности изделий.

7. Методика определения шероховатости поверхности по измеренным индикатрисам рассеяния.

Во второй главе проводится теоретическое обоснование возможности использования дифракции света на ультразвуке для анализ излучения, рассеянного контролируемой поверхностью, с целью определения параметров шероховатости поверхности изделий.

В оптико-электронных системах информационного типа основная функция анализаторов изображения состоит в формировании такой последовательности светового потока па выходе,которая наиболее полно отражала бы микроструктуру освещенности Е(х,у) в пространстве изображений. В предложенном способе контроля шероховатости поверхности изделий сканирование осуществляется в пространстве изображений анализирующей апертурой достаточно малых размеров. В результате сканирования получается последовательное во времени изменение освещенности от элемента к элементу изобрахения, которое преобразовывается в адекватный . электрический сигнал.

В качестве элемента оптической системы, производящего анализ рассеянного излучения,применяется акустооптическкй модулятор (АОМ) света.Оп имеет простую конструкцию и небольшие размеры;малую управляющую мощность; возможность изменения разрешающей способности преобразователя; раздельные функции, развертки изображения и регистрации,что позволяет использовать фотоприемники с высоким внутренним усилением или с мальм уровнем шумов; возможность работы в любой части спектра оптического диапазона; высокое быстродействие-, необходимое для измерения быстро протекающих процессов;' высокий динамический диапазон.

При решении задач анализа и синтеза оптические системы обработки информации представляют в виде совокупности отдельных элементов с соответствующими связями между ними.В работах по оптической обработке информации определены системные характеристкки:импульсные реакции и комплексные коэффициенты передачи основных блоков оптических процессоров (фурье-линз, слоев свободного пространства). Важным элементом любой оптической обрабатывающей системы является устройство,осуществляющее преобразование оптических информационных сигналов в электрический аналог. При использовании в качестве анализирующего развертывающего устройства АОМ можно рассматривать как оптический каскад (блок) с двумя входами и одним выходом. Первым входом является оптический, на который поступает оптическая информационная волна. Вторым будет ол.'ктрпческкй' вход. На него подаются амплитудно-манипу-лкрссатшс импульсы вида А^СИ )соз(«*+<р0), где - периодическая последовательность видеоимпульсов.

7

Основной исчерпывающей характеристикой анализатора оптического изображения, как линейного устройства, является его аппаратная функция (функция рассеяния точки). Для линейной системы достаточно зпать ее отклик на простое входные возмущения, чтобы, пользуясь принципом суперпозиции, сразу получать решение задачи о прохождении-через систему произвольного сигнала. Акустический импульс можно представить в виде щели, движущейся со скоростью и.

При определении аппаратной функции акустооптического анализиру)о-щего устройства считаем, что АОМ работает в режиме слабого звука, т.о. при линейной зависимости амплитуды дифрагированной волны от амплитуды входного электрического сигнала. Аппаратная функция определялась на основе построения оптикогеометрического изображения оптической системой (рис. 1 ). Распределение освещенности, вызванное светящейся точкой, находящейся на расстоянии х от начала координат и излучающей волну единичной амплитуды, будет описываться в плоскости х4 функцией Л(ЯрХ). Распределение освещенности Ь(х^-х) есть результат дифракции света точечного источника на диафрагме Ь, т. е*.. • является аппаратной функцией оптической системы.

При в силу когерентности излучения, даваемого всеми элемен-

тами шероховатой поверхности, амплитуда света в точке изображения равна сумме амплитуд от всех источников освещенной поверхности.Тогда комплексное распределение амплитуды света имеет вид

Е(ха )' = ЩхЩх4~х)сЗх. (1)

При распределение интенсивности света на выходе некогерент-

пой системы рлодуот определять сверткой функции распределения интенсивности лучей,исходящих из всех, точек освещенной поверхности и прошедших диафрагму в оптикогеометрическом изображении 1(1),не учитывающем явлений дифракции, с функцией рассеяния точки

1(хА) = Д(х)Ла(з:4-1)£1г. (2)

Свойства аппаратной функции определялись на основе решения задачи о дифракции света от точечного источника на диафрагме. В оптической системе диафрагму .мояно представить непрозрачным тонким экраном с прямоугольной щелью. С помощью линзы 4 создается случай дифракции Фрэунгофера (дифракции в параллельных лучах).Аппаратная функция'диафрагмы определяется как „

' з£п ^

П(х) = Щх9)е их = П - , (3)

-в

гда

Р(х2) = М Для |Х>|«?1/2,

{

1 О для всех остальных

аг=2ихЛ.Р - пространственная частота.

Тагам образом, аппаратная функция акустического импульса имеет свойства функции з1псх/х.

В теории восстановления-сигналов под идеальным прибором понимается прибор с весовой функцией в виде 8-фуякцкп. При малых размерах акустического импульса представим аппаратную функцию в виде дельта-функции С(л:>, и,используя фильтрующее свойство делътя-функции, комплексное распределение амплитуды света получаем в виде.

где Е(х) - распределение а!шлитуды света в плоскости контролируемого изделия.

В основу рассматриваемого способа контроля шероховатости поверно-сти изделия положен рефлектсметрический метод измерения.Характер физических процессов и параметры формируе!шх сигналов определяются способом преобразования "свет-сигнал". В качестве преобразователя "свет-сигнал" используется акустооптическое анализирующее устройство с ИАПВР. В основе работа акустооптического аяадизиругацего устройства лежат два физических явления. Первое состоит в том.что распределения световых колебапий в передней и задней фокальных плоскостях идеальной линзы связаны преобразованием Фурье, второе - явление дифракции световых пучков на бегущей ультразвуковой волне, наблюдаемое в фото-улругих средах.

Цель математического анализа преобразования измерительной информации - нахождение выражения сигнала фотодетектора.

В основу математического апализа положена следующая методика:

1) определяется распределение амплитуды света в плоскости контролируемого изделия непосредственно после отражения от контролируемого изделия Е(х);

2) преобразованием Фурье-отраженного светового поля определяется его пространственный спектр ЕО» ) в плоскости анализирущей апертуры;

3) поле Е(х4) на выходе акустооптичоского модулятора и собирающей линзы вычисляется как произведение падащего поля ^(ю^) на аппаратную функцию и функцию пропускания акустооптического модулятора света;

со

В(х4) = f Е(и>х)0(х2^ )0Х2 = Е(х),

(4)

I - лазор, 2 - коллиматор, 3 - контролируемая поворхность, 4 - объектив, 5 - свотозвукопровод, 6 - пьезопрообразователь, 7 - поглититель, 8 - переключатель, 9 - генератор гармонических сот-налов, 10,11 - генераторы прямоугольных импульсов,12 - интегрирующая линза, 13 - диафрагма, 14 - фотоприемник.

V \5

V

-VI

ОД 0,1 0,6 ад <.0 у 4,4 ),8 м

Рис. 2. Зависимость "суммарной интенсивности" от среднеарифметического отклонения профиля 12=/(Ла):

о - кр;.тлое шлифование,' Д - плоское шлифование, О - точение

•i) ь-ычисляется интенсивность наблюдаемого поля Г(х4)=Е(^)Е*(х4).

Оптическую систему можно представить в виде оператора,воздействующего на входное пространственное распределение светового поля;

ХГЕСг.у)] = Е(х4,у4), (С)

где I - оператор линейной системы.

На рис. 1. показано прохождение света в оптической системе.

Если па шероховатую поверхность под углом 0 падает плоская волна когерентного лазерного пучка света с Е0=1 и диаметром d вида агр[-£(.2/<2)г], то падающий свет претерпевает изменения ф5зы в соответствии с шероховатостью поверхности.

Комплексная функция отражения определяется через параметры шероховатости поверхности cxpil21di(x)cosQ), где 1г - волновое число; h(x)-высота неровностей; 6 - угол падения света.

Вследствие неровностей падающее излучение модулируется и содержит информацию о параметрах шероховатости повериости контролируемого изделия.

Распределение амплитуды света В(х) в плоскости контролируемого изделия непосредственно после отражения определяется путем перемножения распределения амплитуды падающего света и функции отражения E(r) = expl-l(x/a)21exp[l2t!h(x)cos0]. (б)

Методы исследования структуры информационного поля можно разделить па два направления:изморепие дифракционного спектра и измерение индикатрисы рассеяния. Обе эти оггппеские характеристики среды могут 5ыть попользованы как для количественного описания, так и для эпределешя статистических параметров шероховатости поверх -юстп. .,

Элементами, образующими акустооптическое анализирующее устройство за основе ¡1АПВР, являются две линзы, мехду которыми расположен АСМ. Эбьект 3 располагается в передней фокальной плоскости линзы 4,а пространственный спектр излучения,рассеянного контролируемой поверхность»,формируется в задней фокальной плоскости линзы 12. Благодаря тэтой геометрии системы, па АСМ от каждой точки объекта падают плоские световые волны и существенно уменьшаются габариты системы.В соответствии с тем.что рассматриваемая система линейна (поскольку она вклю-1ает .только операции умножения и интегрирования),рассмотрим последо-зательно описание полей на выходе элементов оптической системы.

Если объект 3 создает в передней фокальной плоскости объектива -1 ¡ветовое поле с амплитудой В(х), то амплэтуд- света сигнала измерительной информации на выходо оптической системы дается интегралом

OD

суперпозиции где

I ECr,) = f Е(х)Е(хл,х)ах,

4 -со 4

00 -

К(х4,х) = ЯГ ^ (x1)?i2(x2)?i3(i3)dr1<iE2<lr.

00

(8)

ядро интегрального оператора (импульсный отклик системы), полученное последовательным применением интеграла суперпозиции к элементам акустооптического анализирущего устройства с импульсными реакциями.

Сканирование распределения интенсивности света осуществляется анализирующей апертурой, выполненной нз основе АОМ. при управлящем сигнале в виде последовательности радиоимпульсов.Модулятор выполняет функцию преобразователя "свет-сигнал" и производит преобразование пространственного распределения интенсивности света во временной сигнал.

Радиоимпульсы, подаваемые на пьезопреобразователь 6, формируются ■ быстродействующим переключателем 8,питаемым от генератора гармонических сигналов 9, работающего в непрерывном режиме.Включение и выключение переключателя на выбранной частоте модуляции осуществляется подачей прямоугольных равнополярных импульсов.Поррключатель,управляемый синхронно работающими генераторами 10 и .11, формирует радиоимпульсы с различной длительностью, что позволяет изменять пространственное разрешение по строке развертки. .

Радиоимпульс, подаваемый на пьезопреобразователь АОМ. возбуждает ультразвуковую волну в виде короткого акустического импульса. Проходя чероз АОМ, свет дифрагирует на акустическом импульсе как па фазовой дифракционной решетке, причем в каждый момент дифрагируют лучи лшь того участка рассеянного волнового фронта, мимо которого пробегает акустический импульс. Поскольку дифракция происходит в области локализации импульса, то при пробогащги его по апертуре АОМ на фотоприемник с апертурой сЦ последовательно поступает информация об амплитуде различных точек анализируемого светового поля. При этом амплитудная структура поля прошляется через модуляцию интенсивности света. Продифрагировашшй и непродифрагированный свет фокусируется интегрирующей линзой 12. Световое гюле в задпей фокальной плоскости

интегрирующей линзы можно представить уравнением

D/2 - 1

Е(х.) = / E(m)ö(x:i-vt)T(x~,t)expl-lli(Xi)/2F0l, (Э) 4 -D/2 . где JVXg.i) - функция пропускания АОМ.

Фотоприемник 14 устанавливается на первый порядок дифракции,который является информационным. Сигнал фотодотектора пропорционален ин-тмнсиъности оьота.

ал/г

КО = ^ 8(з:)|Е(а:4)|2с1г. (10)

Таким образом, снимаемый с фотоприемника сигнал 10 определяется мгновенным значением интенсивности света и представляет собой сигнал развертки строки распределения интенсивности рассеянного излучения от шероховатой поверхности.

Третья глава. Метрологический анализ суммарной погрешности преоб-

разования измерительной информации с помощью ИАПВР показал, что погрешности складываются из двух групп независимых составляющих:

1) инструментальных погрешностей .связанных с погрешностями фотоэлектрической регистрации;

2)метожческюс погрешностей представлящих собой погрешности схем преобразования сигнала, и погрешности, связанные с некоторым упрощением представлений об оптических свойствах исследуемых объектов.

Среди первой группы погрешностей наибольшее влияние оказывает нестабильность мощности лазера. Для газоразрядных лазеров она состав-

о

•ляет Аор=3 - 5 Для стабилизации мощности излучения измерительных лазеров применяют различные методы стабилизации мощности, что дает возможность достичь уровня нестабильности мощности 0,1 "за время, достаточное для проведения измерений.

. Среди второй группы факторов на функцию преобразования "свет-сигнал" оказывают влияние следупцие параметры цепи преобразования сигнала: длина волны света, частота возбуждения, скорость ультразвуковой волна и затухание звука в среде. Нестабильность длины волны излучения составляет около 2*10-7 шПоэтому она не оказывает значительного влияния. Для достижения малых значений погрешности пеобт 2одша стабилизация частота. Эта задача решается кварцевой стабилизацией частоты. Отклонение частоты электронного генератора имеет две составляющие:систематическую,обусловленную долговременной нестабильностью генератора, и случайную. Кварцевая стабилизация частоты в диапазоне от единиц до. десятков мегагерц составляет • Ю-6. Основными источниками погрешности преобразования "свет-сигнал" в амплитудных АОМ являются нестабильность скорости ультразвуковой волны и затухание звука в упруг^^ среде. Нестабильность скорости ультразвуковой волны составляет 10~\ Уменьшение нестабильности скорости ультразвуковой волны возможно при применении акустооптических сред с минимальным температурным коэффициентом скорости звука, а умень -шанив затухания звука - с помощью электронного способа или тран -спаранга с переменной плотностью.

13

В результате метрологического анализа определена обшая погрешность преобразования, которая составляет 3,9

Четвертая глаьа посвящена разработке и исследованию измерительного устройства для контроля шероховатости поверхности изделий на основе ИАПВР.

Описана экспериментальная установка для контроля шероховатости поверхности, реализующая предложенный способ контроля шероховатости поверхности изделий.

Для определения пределов измерения использовались образцы, изготовленные различными методами (алмазным точением, круглым и плоским шлифованием, точением), а также образцы завода "Калибр" для плоского шлифования.

На основе проведенных измерений построены градуировочные зависимости "суммфной интенсивности" от среднеарифметической высоты неровностей Г^рДйа) (рис. 2).

Результаты экспериментальных исследований показывают возможность практической реализации измерительной системы для контроля шероховатости поверхности в пределах от субаероховатости 713=0,005 мкм до поверхностей, выполненных па основе продукционных технологий, с параметрами Г.а до 3,2 мкм. По результатам измерения для оценки качества шероховатой поверхности введен обобщенный параметр шероховатости -"суммарная интенсивность". Этот параметр позволяет оценить качество поверхности и перейти к стандартным параметрам шероховатости, определив их по градуировочной кривой.Параметр "суммарная интенсивность" можно трактовать как: 1) для дифракционной модели рассеяния - спектр плотности мощности шероховатой поверхности; 2) для зеркально фасе~( точной модели - частотное распределение профильных у*\лов,он позволяет производить оценку шероховатости визуально и. (или) автоматически.

Допустимая погрешность установки датчика оценивалась по отклонению результатов' выходного сигнала при настройке по зеркалу. Выходной сигнал не изменяется при А1=*0.1 мм.

Для анализа влияния материала на излучение,рассеянное контролируемой поверхностью, были произведены измерения образцов ПК "Метролог" и завода "Калибр" для плоского шлифования. Форма кривой зависимости "суммарной интенсивности" от среднеарифметической высоты неровности имеет одинаковый вид. У образцов сравнения завода "Калибр" величина "суммарной интенсивности" чуть больше.

Пр-ч^днн.'* . оцйнкй метрологических характеристик лпоообл контроля шероховатости поверхности. Средняя квадратичная погрешность для

шероховатости поверхности. Средняя квадратическая погрешность для всех видов обработки пе превышает 2 %. Погрешность рефлектометричес-кого метода измерения с помощью ИАПВР не превышает ¡0 %.

Результаты работы переданы для внедрения на Омском ПО "Полет" с ориентировочным экономическим эффектом 2 100 ООО рублей в год.

В приложении представлены результата экспериментальных исследований зависимостей "суммарной интенсивности" от излучения, рассеянного контролируемой поверхностью, программно-математическое обеспечение и результаты внедрения.

Основные выводы

1. Повышение точности и производительности вызывает необходимость использования ¿овых принципов для построения измерительных устройств контроля шероховатости поверхности в автоматизированном производстве. Использование ИАПВР позволяет устранить погрешности преобразования сигнала, свойственные многоэломехпным фстоприемникам.

. 2. Взаимодействие акустического импульса с рассеянным от шероховатой поверхности светом позволяет реализовать прообразован!!? "свот-сигаал" и служит основой для построения лазерных систем для контроля шероховатости поверхности.

3. Увеличение разрешающей способности измерения возможно путем увеличения частоты звука,причем при определении длительности импульса необходимо определить оптимальный уровень сигнала.

4. Функция преобразования "свет-сигнал" зависит от следующих параметров цепи преобразования сигнала: непостоянства мощности лазера; длины волны света; частоты возбуждения; скорости ультразвуковой волны и затухания звука в среде.

Б. Основными источниками погрешности преобразования "свет-сигнал" в амплитудных АСМ являются нестабильность скорости ультразвуковой волны и затухание звука в упругой среде. Ослабить влияние первого фактора маню применением акустооптических сред с шншкалыпы тет-v-пературпш коэффициентом скорости звука, а второго - электронным способом дли использованием транспаранта с перемеппоЛ плотностью.

б. Результаты экспериментальных исследований показывают возможность практической реализации измерительной системы для контроля шероховатости поверхности в пределах от Лг=0,005 мкм до Па=3,2 мкм.

?. Введенный обобщенный параметр шероховатости "суммарная интенсивность" и экспериментально полученные грэдуировочнке характеристики позволяют однозначно переходить к стандартом параметрам шероховатости.

8. Параметр "суммарная интенсивность" можно трактовать как 1 )для дифракционной модели рассеяния - спектр плотности мощности шероховатой поверхности; 2) для зеркально-фасоточной модели - частотное распределение профильных углов.

9. Предложенным способом измерения шероховатости поверхности при по виду пространственного спектра, т. е. по угловой зависимости рассеянного излучения,можно оценить средний горизонтальный размер неровностей S.

10. Наибольшая чувствительность способа измерения шероховатости поверхности находится в пределах, определяемых зоной перехода зеркального отражения в диффузное, характерное для всех рефлектометричес-ких методов измерения, увеличение чувствительности возможно той применении более длинноволновых источников излучения (например, инфракрасных лазеров).

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Применение оптикоэлектрошшх приборов в ГАП.(В соавторстве)// Метрологическое обеспечение качества продукции в машиностроении и приборостроении. - Омск, 1935. -С. 4-7.

2. Лазерная информационная измерительная система для контроля точности станков.(В соавторстве)//Метрологическое обеспечение качества продукции в маииностроенш. - Омск, 1285. -С.34-37.

3. Определение качественных характеристик обработанных поверхностей на основе анализа отражения оптических полей.(В соавторстве)// Разработка и внедрение гибких производственных систем для механической обработки; Тез.докл.конф. - Омск, 1987. -С. 19-20.

4. Моделирование рассеяния света от шероховатой поверхности//При-менение лазеров в науке и техникегТез.докл.конф.-Омск,1983.-С.15-16.

5. Использование оптической информации для оцешси шероховатости поверхности и диагностики оборудования//Метрологическое обеспечение автоматизированного производства:Тез.докл.конф.- Ижевск, 1988. -С..9.

6. A.c.1458703, МКИ4 СО!В!1/30. Способ контроля шероховатости поверхности изделий. (Б соавторстве)// Бюл, изобр.- I9B9. Уе 6.

7. Метод измерения параметров шероховатости поверхности.(В соавторстве )//IV Всесоюзное совещание по теоретической метрологии: Тез. докл. - Л., 1989. -С. 105-107.

3. Способ измерения шероховатости поверхности изделий в приборостроении. (В соавторстве)//Элементы и приборы систем измерений и упрапления пзтоматкзированных производств / Пенз, политехи, ин-т. -Пенза, 1932. - Вып. I. - С. 3-8.