Устройство для контроля шероховатости поверхности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля параметров шероховатости поверхности . Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения влияния случайного разброса чувствительности приемных элементов фотоприемного блока, а также за счет обеспечения возможности повышения координатного разрешения при регистрации индикатрисы рассеяния, отраженного от образца излучения. Устройство содержит источник излучения, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоминающему блоку и блоку усреднения, блок сортировки, связанный входами с выходами запоминающего блока и синхронизатора, а выходом - с входом блока усреднения, дозатор циклов контроля, выход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизм сканирования светового луча, блок калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанный механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а выхо-. дом - с входом дозатора циклов контроля. Источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s )s G 01 В 11/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810057/28 (22) 04,04.90 (46) 07.02.92. Бюл. ЬЬ 5 (71) Киевский филиал Научно-исследовательского технологического института оптического приборостроения (72) С.О. Езерский, В,В. Калашников, Ю.Б.

Король, В.П. Маслов и Г.А. Сыревич (53) 531.715.27 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1397728, кл. G 01 В 11/30, 31.03.87. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ (57) Изобретение относится к измеритель.ной технике и может быть использовано для контроля параметров шероховатости поверхности. Цель изобретения — повышение точности контроля за счет уменьшения влияния случайного разброса чувствительности приемных элементов фотоприемного блока, а также за счет обеспечения возможности повышения координатного разрешения при

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактнога контроля шероховатости поверхности, Известно устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, плоское зеркало, фатоприемник, оптически связанный с зеркалом, второй фотоприемник. устанавливаемый по ходу излучения, диффузно рассеиваемого поверхностью, третий фотоприемник, установленный симметрично второму относительно оси пучка, зеркально отраженного поверхностью, „„5U„„1711GG1 А1

2 регистрации индикатрисы рассеяния, отраженного от образца излучения. Устройство содержит источник излучения, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоминающему блоку и блокуусреднения, блоксортировки,связанный входами с выходами запоминающего блока и синхронизатора, а выходом — с входом блока усреднения, дозатор циклов контроля, ьыход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизм сканирования светового луча, блок калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанный механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а выхо-, Б дом — с входом дозатора циклов контроля.

Источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком. 2 ил.

Недостатками устройства является неаювй высокая точность контроля шероховатости из-эа невозможности измерения распреде- С) ления освещенности излучения, диффузно рассеиваемого поверхностью с высоким координатным разрешением, а также вследст- . вие влияния разброса чувствительности фотоприемников.

Известно также устройство для бесконтактного определения высоты шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, блок перемещения образца, фотоприемный блок, связанный своим выходом с соединенными последовательно за1711001 поминающим блоком, блоком усреднения и вычисления параметров шероховатости и индикатором.

Недостатком устройства является невысокая точность вследствие влияния разброса чувствительности приемных элементов фотоприемного блока и пространственной дискретизации при регистрации индикатрисы рассеяния отраженного от образца излучения.

Целью изобретения является повышение точности контроля.

Цель изобретения достигается тем, что устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоминающему блоку и блоку усреднения, снабжено блоком сортировки, связанным входом с выходом запоминающего блока, а выходом — с входом блока усреднения, дозатором циклов контроля, выход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизмом сканирования све. тового луча, блоком калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанным механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а своим выходом — с входом дозатора циклов контроля, а источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства контроля; на фиг. 2 — ход падающих и зеркально отраженных световых лучей при сканировании контролируемого образца (два положения механизма сканирования), Устройство для контроля шероховатости поверхности (фиг, 1) содержит источник

1 излучения, оптически связанный через механизм 2 сканирования и контролируемый образец 3 с фотоприемным блоком 4, выполненным на основе линейного прибора с зарядовой связью (ПЗС) 5 и аналого-цифроеого преобразователя (АЦП) 6. Механизм 2 сканирования управляется механически с выхода 7 блока 8 калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, представляющего собой прецизионный линейно-шаговый пьеэодвигатель с узлами управления, который управляется электрически по входу 9 с выхода синхронизатора 10, а своим выходом 11 (связанным с узлами управления перемещением) связан электрически с входом дозатора 12 циклов контроля. Последний своим выходом подключен к управляющему входу

13 запоминающего блока 14, связанного своим входом 15 с выходом фотоприемного блока 4, а своим выходом 16 — с входом 17

5 блока 8 сортировки, выход 19 которого связан с входом 20 блока 21 усреднения. Последний своим выходом 22 связан с входом блока 23 вычисления параметров шероховатости, подключенного своим выходом к вхо10 ду индикатора 24. Выходы синхронизатора подключены к входу 25 запоминающего блока 14, входу 26 блока 18 сортировки и входу

27 блока 21 усреднения.

Устройство работает следующим обра15 эом.

Луч лазера, сформированный источником 1 излучения, отклоняется механизмом 2 сканирования и падает на поверхность контролируемого образца 3 под углом 8-15 к

20 нормали в точке падения. Отразившийся световой пучок регистрируется ПЗС-фотоприемником 5 и преобразуется в цифровой код АЦП 6 в виде отсчетов значений освещенности в точках дискретизации, Дискре25 тиэированный и квантованный по уровню видеосигнал в виде набора цифровых кодов последовательно переписывается с выхода фотоприемного блока 4 в запоминающий блок 14 по входу 15 и запоминается в его

30 ячейках памяти, В процессе работы механизма 2 сканирования осуществляются калиброванные дискретные перемещения светового луча в плоскости образца 3 при сохранении посто35 я нного угла падения луча и нормали к поверхности образца в контролируемых точках.

Управление механизмом 2 осуществляется посредством механической связи с выхода

7 блока 8, который тактируется по входу 9 с

40 выхода синхронизатора 10, При этом управление записью значений отсчетов индикатрисы рассеяния в контрольных точках осуществляется при помощи дозатора 12 циклов контроля, управляемого сигналами, 45 синхронными с тактами перемещения светового луча. с выхода 11 блока 8 калиброванного дискретного перемещения. Процесс съема информации устройством состоит из

М циклов, в каждом иэ которых выполняется

50 L тактов сдвига светового луча в плоскости образца на величину Л Z, определяемую выражением (фиг. 2):

АУ hS

sin a 1 . sin a

55 где а= 90 -р ;

P — угол падения светового луча (8-15О);

h, Y — заданная доля дискрета Л S ПЗ С;

Л Х вЂ” величина смещения механизма сканирования (фиг. 2);

1711001

L — целочисленный коэффициент кратности повышения координатного разрешения (1 > 1), Между тактами сдвига производится регистрация смещенных на AY в плоскости

ПЗС индикатрис рассеяния, причем каждая заносится в запоминающий блок 14 с выхода АЦП 6 по входу 15 в виде групп цифровых отсчетов.

Для исключения корреляции между составляющими спекл-структуры в группах индикатрис соседних циклов между циклами регистрации сдвинутых между собой на

ЛУ индикатриа осуществляется потактовое перемещение светового луча вдоль поверхности образца на пространственный интервал, превышающий интервал корреляции, который меньше или равен ширине проекции светового пятна в плоскости образца и, как следствие, в плоскости ПЗС не превышает диаметр A g светового луча, сформированного источником излучения, С целью упрощения последующей обработки информации величина межциклового сдвига светового луча беэ регистрации равна протяженности целого числа дискретов

ПЗС (2) При этом управление регистрацией осуществляется с выхода дозатора 12 циклов контроля, управляемого с выхода 11 блока 8 сигналами, синхронными перемещениям.

Для этого на вход 13 управления запоминающего блока 14 поступает сигнал в виде пачек прямоугольных импульсов, при этом высокий уровень сигнала разрешает запись в блок 14 по входу 15 кода отсчета с выхода

АЦП 6, а низкий, действующий между перемещениями, — e каждом из циклов регистрации и при смещении луча на c (— ) между

AS этими циклами.

По окончании записи в блок 14 заданного числа реализаций блоком 18 сортировки осуществляется сортировка отсчетов индикатрис рассеяния, поступающих с выхода 16 запоминающего блока 14. 8 процессе сортировки осуществляются перестановки отсчетов, зарегистрированных в каждом из M циклов индикатрис. 8 результате сортировки блоком 18 формируется M цифровых отображений индикатрис в виде групп по N х L, отсчетов (с повышенным в L раз координатным разрешением и некоррелированной для каждой из групп наложенной спеклструктурой), где N — протяженность индикатрисы в плоскости изображения, 5

45 выраженная сигналом дискрет ПЗС. С выхода 19 блока 18 сортировки сформированные отображения поступают на вход 20 блока 2 усреднения, где они накапливаются и усредняются, после чего результат усреднения поступает на вход блока 23 вычисления параметров шероховатости. Результаты вычисления шероховатости поступают на индикатор. Синхронизация выполнения операций осуществляется под управлением синхронизатора 10.

8оздействие возмущающих факторов можно представить упрощенно в виде искажения исходного распределения освещенности в оптическом изображении аддитивной и мультиплекативной составляющей помех

f(x) = S(x) Ф(х) + ф (х), (3) где f(x) — искаженный электрический сигнал на выходе фотоприемного блока 4;

S(x) — распределение чувствительности фотоприемника, как функция пространственной координаты в плоскости анализа;

Ф {х} — распределение освещенности в индикатрисе рассеяния; ф (х) — составляющая, характеризующая эффект наложения спекл-структуры.

S(x) = ms + у (х), . (4) где ms — систематйческая составляющая чувствительность фотоприемного блока 4 (является паспортной величиной фотоприемника);

r (х) — случайная составляющая, характеризующая разброс чувствительности (центрированная случайная величина).

Рассмотрение процесса усреднения, как выполнение операции взятия математического ожидания, приводит к преобразованию (3) с учетом (4):

f (х) = M (К(х)) = M((ms + q (х)) (Ф (х)

+ ((х))} = ms@(x}+ ms M ((х) +

+ Ф(х) M f q(õ))+ M (ф(х) g (х) ), (5)

При увеличении числа усредняемых реализаций наблюдаются существенное уменьшение влияния мешающих факторов у (х) и ф(х) и (в пределе) их полная компенсация, как результат взятия математического ожидания центрированных случайных величин и определения их ковариации при отсутствии между ними статистической связи.

Следовательно, в пределе, в усредненном сигнале f(x) = ms Ф(х} наблюдается . компенсация не только наложенной спеклструктуры, но и влияние разброса чувствительности фотоприемного блока 4.

Механизм 2 сканирования может быть реализован в аиде высококачественного плоского зеркала, один иэ вариантов пере7

1711001 мещения которого в процессе сканирования покаээн нэ фиг. 2. Блок сортировки может быть реализован на основе известных средств с применением программно-аппаратных средств микропроцессорной техни- 6 ки, например однокристальной микроЭВМ типэ К 18 16. Введенный дозатор 12 циклов контроля может быть построен нэ основе типовых логических элементов.

Формуле изобретения 10

Устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения. последовательно соединенные ,фотоприемный и запоминающий блоки, последовательно соединенные блок усредне- 15 ния, блок вычисления параметров шероховэтости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к зэпоминающему блоку и блоку усреднения, о т л ич э ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено блоком сортировки, связанным входами с выходом запоминающего блока и выходом синхронизатора, э выходом — с входом блока усреднения, дозэтором циклов контроля, выход которого связан с упрэвляющим входом эапоминэющего блока, механизмом скэнировэния светового луча и блоком калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанным механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, э своим выходом — с входом дозэторэ циклов контроля, а источник излучения связан оптически через механизм скэнировэния с фотоприемным блоком.

1711001

1711001

Составитель С.Езерский

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Т.Малец

Редактор Л.Гратилло

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 332 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5