RU60219U1

RU60219U1 - Прибор для определения направления микронеровностей поверхности и параметров шероховатости

Info

Publication number: RU60219U1
Application number: RU2006121363/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Ковшов; Юрий Федорович Назаров; Андрей Александрович Скворцов; Александр Владимирович Скворцов
Original assignee: Московский государственный открытый университет
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-01-10

Abstract

Прибор для определения направления микронеровностей поверхности и параметров шероховатости, содержит источник направленного излучения, фотоприемники, электронный коммутатор, интерфейс, микропроцессор и устройство отображения информации. При этом приемники излучения установлены по базовой окружности с радиусом г, большим ширины линии отражения в плоскости, перпендикулярной отраженному лучу, а угол направления регулярной шероховатости определяется по математической формуле, учитывающей, что направление микронеровностей и дефектов поверхности перпендикулярно оси симметрии линии отражения. В качестве приемников излучения может быть использована матрица с постоянной зарядовой связью, установленная в оптическом объективе или цифровая телекамера. Если ширина линии отражения больше расстояния между приемниками излучения, то координаты х и у находятся как математические ожидания соответствующих координат смежных точек пересечения окружности с линией отражения. При расположении в зоне падения луча нескольких протяженных дефектов направление каждого из них находится по диаметрально расположенным точкам окружности в местах ее пересечения с линией отражения. В случае необходимости определения стандартных параметров шероховатости применяются тарировочные кривые, с использованием ширины линии отражения и соотношений яркости и освещенности смежных точек окружности в местах ее пересечения с линией отражения.

Description

Устройство относится к оптико-электронным приборам точного приборостроения и применяется в тех случаях, когда требуется определить направление регулярных микро-неровностей или протяженных дефектов поверхности, а также параметры шероховатости, например, согласно требованиям ГОСТ 2.309-73.

Известно много приборов для измерения параметров шероховатости. Так, устройство для измерения параметров шероховатости [1] содержит источник излучения, смонтированный под углом к поверхности, пять приемников излучения, установленных в зоне зеркального отражения и по обе стороны от него симметрично под углами Θ₁ и Θ₂ в плоскости падения луча, измерительный блок обработки сигнала, интерфейс и микропроцессор. Однако данное устройство невозможно использовать для измерения направления шероховатости из-за расположения приемников излучения в плоскости падения луча.

Прототипом предполагаемого изобретения может служить прибор для определения качества поверхности [2], содержащий три и более группы фоторезисторов, включенных в общую электрическую цепь, расположенных по окружности на внутренней поверхности корпуса фотоэлектрического датчика в плоскости падения луча, блок питания и микроамперметр. Однако данный прибор, обладающий большим количеством фотопреобразователей, также не может быть использован для определения направления микронеровностей поверхности по аналогичной причине.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности автоматического определения направления бороздок микронеровностей относительно плоскости падения луча лазера, проходящей через луч и нормаль к поверхности, а также параметров шероховатости.

Поставленная цель достигается тем, что прибор для определения направления микронеровностей поверхности и параметров шероховатости, содержит источник направленного излучения, фотоэлектрические приемники отраженного излучения, электронный коммутатор, интерфейс, соединенный с микропроцессором, устройство отображения информации При этом приемники излучения установлены симметрично по базовой окружности с радиусом r, большим ширины линии отражения, в плоскости, перпендикулярной отраженному лучу. Угол направления микронеровностей и регулярной шероховатости относительно плоскости падения луча определяется по формуле:

где r-Θ - угол между двумя смежными фотоприемниками; n₁ и n₂ - порядковые номера фотоприемников прибора, установленных на расчетной окружности радиуса r, которые пересекла кривая отражения соответственно в точках 1 или 2.

В качестве приемника излучения может быть использована матрица с постоянной зарядовой связью, установленная в объективе прибора или цифровая телекамера, при этом угол направления микронеровностей и регулярной шероховатости относительно плоскости падения луча определяется по формуле:

где x_п1 и x_п2 - абсциссы точек пересечения средней линии расчетной окружности радиуса г с кривой отражения в диаметрально противоположных местах, a у_п1 и у_п2 - их соответствующие ординаты

В том случае, когда ширина отраженной линии больше, чем расстояние между фотоприемниками или пикселями ПЗС-матрицы, координаты средних точек пересечения x_пi и у_пi рассчитываются как математические ожидания координат смежных точек пересечения линии отражения с расчетной окружностью радиуса r по формулам:

где N_x и N_у - количество пикселей в точке пересечения кривой отражения с расчетной окружностью соответственно в направлении осей Х и У;

х_{п i} и у_{п i} - соответственно, абсцисса и ордината i-ой точки пересечения кривой отражения с расчетной окружностью.

При наличии в зоне падения луча нескольких протяженных дефектов направление каждого из них определяют по диаметрально расположенным точкам пересечения кривой отражения с расчетной окружностью.

Стандартные параметры шероховатости находят по тарировочным кривым с использованием ширины линии отражения и соотношений освещенности фотоприемников или яркости пикселей ПЗС-матрицы, расположенных на расчетной окружности в местах ее пересечения с линией отражения.

Сущность прибора поясняется чертежами. На фиг, 1 приведена структурная схема прибора, на фиг.2 - характер картины отражения, проектирующаяся на матрицу с постоянной зарядовой связью. На фиг.3 - чертеж, поясняющий принцип математической обработки результатов измерений, а на фиг 4 - типовые тарировочные кривые, соответствующие функции сигнала, воспринимаемого приемниками излучения, в зависимости от ширины линии отражения.

Так на фиг.1 источник направленного излучения (лазер) 1 смонтирован под некоторым углом к исследуемой поверхности или перпендикулярно к ней. Вокруг пятна прямого зеркального отражения от металлической поверхности 2 по базовой окружности в плоскости, перпендикулярной падающему лучу, на расчетной окружности с радиусом г установлены фотоприемники излучения 3, которые через электронный коммутатор 6 и блок интерфейса 7 соединены с микропроцессором 8. Расчетную окружность пересекает кривая отражения 4 в виде псевдопараболы с главной осью симметрии 5. Микропроцессор 8 соединен с устройством отображения информации 9. В качестве фотоприемников могут быть использованы ПЗС-матрица 10, установленная в фокусе соответствующего объектива или цифровая телекамера на ее основе (фиг.2). При наличии нескольких протяженных дефектов каждый из них образует собственную дополнительную линию отражения, например линию 11. Линия отражения, как

правило, имеет некоторую ширину (рис.3). Она характеризуется своими границами 12 и 14 и некоторой серединой 13. В направлении оси Х ширина линии отражения захватывает N_x приемников излучения (пикселей ПЗС-матрицы или фотоэлементов), а в направлении оси У-Nу приемников излучения, расположенных на расчетной окружности радиуса r. Точка пересечения линии отражения с расчетной окружностью имеет координаты Хп_i и Уп_i.

Параметры шероховатости определяются на основании тарировочных кривых, представляющих собой функциональные зависимости значений того или иного параметра шероховатости от характера распределения яркости линии отражения в сечении, перпендикулярном ее направлению (фиг.4), например, по зависимостям 15, 16 или 17.

Прибор работает следующим образом. Известно, что при наличии регулярной по направлению шероховатости отражение лазерного излучения от исследуемой поверхности формируется в зависимости от угла падения и расположения бороздок микронеровностей относительно плоскости падения луча в форме некоторой линии отражения типа псевдопараболы [3]. При наличии нескольких протяженных дефектов в зоне падения луча каждый из них дополнительно отражает излучение в виде аналогичной линии. Угол направления микронеровностей на исследуемой поверхности β при расположении оси Х в плоскости падения луча лазера совпадает с главной осью симметрии псевдопараболы. Так, при наличии шероховатости линия отражения 4 пересекает установленные по кругу фотоприемники излучения в некоторых точках т1 и т2 (фиг.2). Микропроцессор 8, соединенный через интерфейс 7 с коммутатором 6, опрашивает последовательно приемники излучения и определяет номера приемников излучения n1 и n2, расположенных на расчетной окружности с радиусом r, При падении отраженного луча на приемники излучения последние вырабатывают фототоки. Тогда (фиг.1) в декартовых координатных осях Х и У угол расположения линий шероховатости согласно положениям аналитической геометрии вычисляется по формуле (1). Результаты

обработки информации отображаются на устройстве отображения информации 9, например, на жидкокристаллическом индикаторе.

Обработка измерительной информации в случае применения ПЗС - матрицы или цифровой телекамера совершенно аналогична. Координаты х_i и у_i можно найти по формуле (2). если известны r - радиус установки фотоприемников, а также Θ - угол между смежными фотоприемниками или пикселями ПЗС-матрицы или телекамеры.

При этом вычисляются точки пересечения псевдопараболы с математически заданной базовой окружностью радиуса r. Если ширина линии отражения достаточно большая, и пересекает окружность в нескольких смежных точках (фиг.3), то координаты средних точек пересечения находятся как математические ожидания по формуле (3).

В случае расположения в зоне отражения на исследуемой поверхности нескольких протяженных дефектов отражение луча представляет собой фигуру типа многолучевой звезды (фиг.2), например с линиями 11 и 18. Тогда направление каждого из подобных дефектов находится по диаметрально расположенным средним точкам на окружности в местах ее пересечения с линией отражения.

При необходимости нахождения числовых значений параметров шероховатости используются функциональные зависимости, построенные на основе экспериментальных тарировочных кривых (фиг.4). При этом параметры шероховатости определяются в зависимости от ширины линии отражения и от соотношений яркости и освещенности смежных точек базовой окружности в местах ее пересечения с линией отражения в сечении, перпендикулярном последней. Так функциональные зависимости (тарировочные кривые) 15, 16 и 17, приведенные на фиг 4, весьма информативны. Они имеют значительные отличия между собой и могут быть использованы для определения величин параметров шероховатости с использованием микропроцессорной обработки.

Таким образом, поставленная цель по определению угла направления регулярных микронеровностей и числовых значений параметров шероховатости

следует считать достигнутой, а предлагаемый прибор имеет существенную новизну, основывающуюся на экспериментально найденном оригинальном оптическом эффекте.

Источники известности.

1. Устройство для измерения шероховатости поверхности. Патент РФ RU 2092789 С1 от 12.09.94.

2. Прибор для определения качества поверхности. Авторское свидетельство СССР 342112 от 11.11.1970.

3. Скворцов А.В., Скворцов А.А. Исследование картин отражения рассеянного лазерного излучения от металлической поверхности. Вестник машиностроения №2, 2003 г.

Claims

1. Прибор для определения направления микронеровностей поверхности и параметров шероховатости, содержащий источник направленного излучения, фотоэлектрические приемники отраженного излучения, электронный коммутатор, интерфейс, соединенный с микропроцессором, устройство отображения информации, отличающийся тем, что приемники излучения установлены симметрично по базовой окружности с радиусом r, большим ширины линии отражения, в плоскости, перпендикулярной отраженному лучу, при этом угол направления микронеровностей и регулярной шероховатости относительно плоскости падения луча определяется по формуле

где Θ - угол между двумя смежными фотоприемниками; n₁ и n₂ - порядковые номера фотоприемников прибора, установленных на расчетной окружности радиуса r, которые пересекла кривая отражения соответственно в точках 1 или 2.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения используется матрица с постоянной зарядовой связью, установленная в объективе прибора или цифровая телекамера, при этом угол направления микронеровностей и регулярной шероховатости относительно плоскости падения луча определяется по формуле

где x_п1 и x_п2 - абсциссы точек пересечения средней линии расчетной окружности радиуса r с кривой отражения в диаметрально противоположных местах, a у_п1 и у_п2 - их соответствующие ординаты.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в том случае, когда ширина отраженной линии больше, чем расстояние между фотоприемниками или пикселями ПЗС-матрицы, то координаты средних точек пересечения x_пi и у_пi рассчитываются как математические ожидания координат смежных точек пересечения линии отражения с расчетной окружностью радиуса r по формулам

где N_x и N_у - количество пикселей в точке пересечения кривой отражения с расчетной окружностью соответственно в направлении осей Х и У Σx_{п i};

х_{п i} и у_{п i} - соответственно, абсцисса и ордината i-й точки пересечения кривой отражения с расчетной окружностью.

4. Прибор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что при наличии в зоне падения луча нескольких протяженных дефектов направление каждого из них определяют по диаметрально расположенным точкам пересечения кривой отражения с расчетной окружностью.

5. Прибор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что стандартные параметры шероховатости находят по тарировочным кривым с использованием ширины линии отражения и соотношений освещенности фотоприемников или яркости пикселей ПЗС-матрицы, расположенных на расчетной окружности в местах ее пересечения с линией отражения.