Устройство для измерения шероховатости и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля выпуска продукции с регламентированными параметрами шероховатости и волнистости и может быть использовано в металлургической, машиностроительной, электронной, оптической, полиграфической промышленности, в самолетостроении. Устройство содержит источник света, коллимирующую линзу, полупрозрачную пластину, фотоприемник для регистрации зеркально отраженного излучения и диффузно отраженного излучения, конденсатор, состоящий из двух линз, между которыми расположены источник света и отверстие внутреннего радиуса a_i в фотоприемнике для регистрации диффузно отраженного излучения, последний выполнен в форме кольца с внутренним a_i и внешним a_j радиусами со стороны конденсора выполняет роль экрана. Цилиндрический поглотитель выполнен съемным, в нем расположены коллимирующая линза и фотоприемник для регистрации диффузно отраженного излучения. Радиусы a_i и a_j обеспечивают измерение параметров шероховатости при заданной базовой длине. Кроме того, устройство снабжено поглотителем и линзой, фокусирующей зеркально-отраженное излучение, причем отверстие поглотителя расположено соосно с указанной линзой, фотоприемником для регистрации зеркально отраженного излучения и центром полупрозрачной пластины. Блок обработки сигналов содержит два усилителя, сумматор и два делителя. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения и предназначено для контроля выпуска продукции с регламентированными параметрами шероховатости и волнистости и может быть использовано в металлургической, машиностроительной, электронной, оптической, полиграфической промышленности, в самолетостроении, в технологиях нанесения покрытий.

Известен профилометр, содержащий углу, датчик вертикального перемещения иглы, блок горизонтального перемещения иглы с датчиком, частотные фильтры сигналов с датчика вертикального перемещения иглы и блок обработки сигналов, поступающих с частотного фильтра и датчика горизонтального перемещения [1] Каждый фильтр в известном устройстве осуществляет фильтрацию сигнала по шаговым параметрам в соответствии с заданной базовой длиной l_i 8; 25; 0,8; 0,25; 0,08 мм. Сигнал, проходящий через этот фильтр, соотносится параметрам шероховатости при фиксированной базовой длине. Сигнал, который отсекается при этой фильтрации, соотносится параметрам волнистости при этой фиксированной базовой длине. Кроме того, в профилометре измерение профиля поверхности осуществляют с помощью игл, которые имеют ряд фиксированных значений радиуса иглы r_j 2; 5; 10 мкм. Конечность этого радиуса измеряет шероховатость с шаговыми параметрами, большими чем К_j r_j, где К_j коэффициент, учитывающий долю контакта иглы с поверхностью, который меняется в пределах от 1 до 0,9 с ростом r_j.

Недостатками известного профилометра являются то, что он основан на контактно-игольчатом способе измерения профиля поверхности, что приводит к невозможности измерения шероховатости и волнистости легких пластичных материалов; невозможности измерения параметров шероховатости при скоростной обработке деталей.

Кроме того, процесс измерений на профилометре требует лабораторных условий (отсутствие вибраций), причем известным устройством измеряются только профильные характеристики поверхности, т. е. двумерные характеристики, а не топографические, т. е. трехмерные характеристики.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для контроля шероховатости и волнистости поверхности, содержащее расположенные на одной оси источник света, полупрозрачную пластину и коллимирующую линзу, фотоприемник, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения, фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, и блок обработки сигналов с фотоприемников [2] Недостатком устройства является невозможность выделения доли отраженного излучения, которое зависит от длинноволновой части пространственного спектра профиля поверхности (волнистости) и его коротковолновой части (шероховатости), что приводит к резкому снижению точности измерения параметров шероховатости и волнистости и несоответствию характеристик шероховатости, измеренных оптическим методом и методом контактной профилометрии.

В основу изобретения положена задача разработать такую конструкцию оптического устройства, которое обеспечило бы выделение информации о длинноволновой составляющей профиля (волнистости) и коротковолновой составляющей профиля (шероховатости) за счет создания пространственных оптических фильтров со строго определенными границами пропускания, определяемыми значениями базовой длины. Это позволяет повысить точность измерения и расширить функциональные возможности устройства.

Это решается тем, что предлагаемое устройство для измерения шероховатости и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины снабжено конденсором, цилиндрическим поглотителем, дополнительным поглотителем и линзой, предназначенной для фокусировки зеркально отраженного излучения, конденсор выполнен в виде двух соосно установленных по ходу излучения от источника света линз, между которыми размещена полупрозрачная пластина, цилиндрический поглотитель выполнен съемным, установлен за конденсором и в нем по ходу излучения на одной оси с конденсором установлены фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, и коллимирующая линза. Фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, выполнен в виде кольца с одной светочувствительной поверхностью, обращенной в сторону коллимирующей линзы. Дополнительный поглотитель и линза, предназначенная для фокусировки зеркально отраженного излучения, установлены с противоположных сторон полупрозрачной пластины соосно фотоприемнику, предназначенному для регистрации зеркально отраженного излучения, так, что их ось пересекает ось конденсора в центре полупрозрачной пластины. Блок обработки сигналов выполнен в виде двух усилителей, сумматора и двух делителей.

Фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, соединен с входом одного усилителя, а фотоприемник, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения с входом другого усилителя. Выходы усилителей соединены с входами делителей и входами сумматора, выход которого соединен с входами делителей. Коллимирующая линза и линза конденсора установлены друг относительно друга так, что их фокусы сходятся в центре отверстия кольца, внутренний радиус которого для каждого съемного цилиндрического поглотителя выбирают из условия: a_i= где λ длина волны падающего излучения; F фокусное расстояние коллимирующей линзы; l_i значение базовой длины.

На фиг. 1 изображено устройство для измерения шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины, разрез; на фиг. 2 характеристики пространственных фильтров для измерения параметров шероховатости и волнистости, где l_i значение базовой длины, А соответствует значению l 0,08 мм; В 0,25 мм; С 0,8 мм; D 2,5 мм; Е 8 мм; область слева от линий соответствует шероховатости, справа волнистости при фиксированных значениях базовой длины.

Устройство для измерения шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины содержит источник света 1 (фиг. 1), конденсор, выполненный в виде двух соосно установленных по ходу излучения от источника света линз 2 и 3, между которыми размещена полупрозрачная пластина 4.

Устройство снабжено съемным цилиндрическим поглотителем 5, который установлен посредством резьбы за конденсором и в нем по ходу излучения на одной оси с конденсором установлены фотоприемник 6, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, и коллимирующая линза 7. При этом фотоприемник 6 выполнен в виде кольца с одной светочувствительной поверхностью 8, обращенной в сторону коллимирующей линзы 7. Причем коллимирующая линза 7 и линза 3 конденсора установлены друг относительно друга так, что их фокусы сходятся в центре отверстия 9 кольца 6, внутренний радиус a_i которого для каждого съемного цилиндрического поглотителя 5 выбирают из условия: a_i где λ длина волны падающего излучения; F фокусное расстояние коллимирующей линзы;
l_i значение базовой длины.

Таким образом, количество съемных цилиндрических поглотителей 5 в устройстве задается набором базовых длин l_i, которое необходимо для определения параметров шероховатости и волнистости.

Устройство содержит фотоприемник 10, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения, дополнительный поглотитель 11, предназначенный для поглощения излучения источника света 1, и линзу 12, предназначенную для фокусировки зеркально отраженного излучения. При этом дополнительный поглотитель 11 и линза 12 установлены с противоположных сторон полупрозрачной пластины 4 соосно фотоприемнику 10 так, что их ось пересекает ось конденсора в центре полупрозрачной пластины 4.

Блок обработки сигналов выполнен в виде двух усилителей 13 и 14, сумматора 15 и двух делителей 16 и 17. Фотоприемник 6, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, соединен с входом усилителя 13, а фотоприемник 10, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения, соединен с входом усилителя 14, выходы усилителей 13 и 14 соединены соответственно с входами делителей 16 и 17 и входами сумматора 15.

Выход сумматора 15 соединен с входами делителей 16 и 17. Причем показания делителя 16 пропорциональны параметрам шероховатости исследуемой поверхности 18, а показания делителя 17 параметрам волнистости этой же поверхности 18.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника света 1 проходит через линзы 2 и 3 конденсора, через полупрозрачную пластину 4 и фокусируется в центре отверстия 9 кольца 6. Часть излучения, отраженная полупрозрачной пластиной 4, поглощается дополнительным поглотителем 11; а другая часть излучения, проходящая через отверстие 9 кольца 6, пространственно фильтруется, т. е. все искажения фронта волны с периодичностью меньшими l_i, отсекаются, где l_i значение фиксированной базовой длины. Это пространственно-отфильтрованное излучение, проходя через коллимирующую линзу 7, падает на исследуемую поверхность 18 и, отражаясь от нее, вновь проходит через коллимирующую линзу 7.

После отражения от поверхности 18 излучение с искажением фронта волны периодичностью меньшей l_i попадает на светочувствительную поверхность 8 кольца 6 фотоприемника, предназначенного для регистрации диффузно отраженного излучения 6. Излучение с искажением фронта волны меньшей К_j r_j попадает на внутреннюю поверхность съемного цилиндрического поглотителя 5, где r_j радиус иглы профилометра, по которому аттестуется устройство, К_j коэффициент, учитывающий долю контакта иглы с поверхностью, которая меняется в пределах от 1 до 0,9 с ростом, а излучение с искажением фронта волны периодичностью большей l_i проходит обратно через отверстие 9 и, отражаясь от полупрозрачной пластины 4, проходит через линзу 12, предназначенную для фокусировки зеркально отраженного излучения, и попадает в фотоприемник 10, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения.

При этом съемные цилиндрические поглотители 5 отличаются друг от друга внутренним радиусом отверстия 9 кольца 6, который определяют из условия: a_i λ F/l_i. Это позволяет измерять параметры шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины l_i.

Сигналы от фотоприемника 6, предназначенного для регистрации диффузно отраженного излучения, усиливаясь усилителем 13, поступают на сумматор 15 и делитель 16, а сигналы от фотоприемника 10, предназначенного для регистрации зеркально отраженного излучения, усиливаясь усилителем 14, поступают на сумматор 15 и делитель 17.

Показания делителя 16 равны отношению диффузно отраженного излучения ко всему отраженному излучению, что в заявленном устройстве характеризует шероховатость исследуемой поверхности 18 с шаговыми параметрами от K_j r_j до l_i.

Показания делителя 17 равны отношению зеркально отраженного излучения ко всему отраженному излучению, что в заявленном устройстве характеризует волнистость исследуемой поверхности 18 с шаговыми параметрами большими l_i.

Устройство позволяет производить одновременное измерение параметров шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины l_i, что расширяет его функциональные возможности, повышает точность измерения и делает результаты тождественными результатам, полученным на профилометрах.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ И ВОЛНИСТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФИКСИРОВАННЫХ ЗНАЧЕНИЯХ БАЗОВОЙ ДЛИНЫ, содержащее расположенные на одной оси источник света, полупрозрачную пластину и коллимирующую линзу, фотоприемник, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения, фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, и блок обработки сигналов с фотоприемников, отличающееся тем, что оно снабжено конденсором, цилиндрическим поглотителем, дополнительным поглотителем и линзой, предназначенной для фокусировки зеркально отраженного излучения, конденсор выполнен в виде двух соосно установленных по ходу излучения от источника света линз, между которыми размещена полупрозрачная пластина, цилиндрический поглотитель выполнен съемным, установлен за конденсором и в нем по ходу излучения на одной оси с конденсором установлены фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, и коллимирующая линза, фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, выполнен в виде кольца с одной светочувствительной поверхностью, обращенной в сторону коллимирующей линзы, дополнительный поглотитель и линза, предназначенная для фокусировки зеркально отраженного излучения, установлены с противоположных сторон полупрозрачной пластины соосно с фотоприемником, предназначенным для регистрации зеркально отраженного излучения, так, что их ось пересекает ось конденсора в центре полупрозрачной пластины, блок обработки сигналов выполнен в виде двух усилителей, сумматора и двух делителей, фотоприемник, предназначенный для регистрации диффузно отраженного излучения, соединен с входом одного усилителя, а фотоприемник, предназначенный для регистрации зеркально отраженного излучения, с входом другого усилителя, выходы усилителей соединены с входами делителей и входами сумматора, выход которого соединен с входами делителей, а коллимирующая линза и линза конденсора установлены одна относительно другой так, что их фокусы сходятся в центре отверстия кольца, внутренний радиус a_i которого для каждого съемного цилиндрического поглотителя выбирают на условия

где λ длина волны падающего излучения;
F фокусное расстояние коллимирующей линзы;
l_i значение базовой длины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2