SU1700359A1 - Способ измерени среднего квадратического отклонени высот неровностей анизотропной поверхности издели и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  определени  среднеквадратического отклонени  высот неровностей анизотропной составл ющей и среднеквадратического отклонени  высот неровностей изотропной составл ющей сверхгладких анизотропных поверхностей, в частности поверхностей, обработанных алмазным точением. Цель изобретени  - повышение точности измерени  и информативности за счет определени  среднего квадратического отклонени  высот неровностей анизотропной составл ющей oi и среднего квадратического отклонени  высот неровностей изотропной составл ющей Oi. Параллельный пучок от монохроматического источника 1 излучени , например гелий-неонового лазера, мо

Description

Изобретение относитс  к измерительой технике и может быть использовано, дл  пределени  среднеквадратического отклонени  высот неровностей анизотропной сотавл ющей и среднеквадратического тклонени  высот неровностей изотропной оставл ющей сверхгладких анизотропных поверхностей, в частности поверхностей, обработанных алмазным точением.

Известен способ измерени  шероховатости поверхности изделий, заключающийс  в том, что освещают поверхность издели  под острым углом @ параллельным пучком монохроматического излучени , определ ют интенсивность I} излучени , отраженного от поверхности издели  в зеркальном направлении, определ ют интенсивность 2,з излучени , отраженного от поверхности издели  в двух направлени х, отличных от зеркального под углами 02 и 0з. определ ют отношени  RI il и R2 1з/12, по которым суд т о параметрах шероховатости поверхности.

Устройство, реализующее указанный способ содержит узел, формирующий осветительный поток и состо щий из источника излучени  - лазера, объектива, зеркал, поворотного зеркала, ослабител  интенсивности , держател  издели  и узла приемного устройства, состо щего из двух объективов и двух фотодиодов, усилител , устройства дл  измерени  отношени  сигналов и вычислительного устройства.

Недостатком указанного способа и устройства , реализующего его,  вл етс  невозможность количественного определени  параметров шероховатости анизотропных

поверхностей, так как отраженные потоки измер ютс  в малых телесных углах в трех фиксированных направлени х. При рассе нии на анизотропной поверхности в направлении , перпендикул рном следам обработки, образуетс  более  рка , чем основной фон, полоса или дифракционные максимумы нескольких пор дков, рассто ние между которыми зависит от шага периодической составл ющей шероховатой поверхности. Эти максимумы вообще могут не совпасть с направлени ми, в которых под фиксированными углами измер ютс  потоки , что приведет к большой погрешности.

Дл  количественной оценки анизотропной составл ющей поверхности необходимо измерить весь световой поток, включающий дифракционные максимумы (или  ркую полосу).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу  вл етс  способ измерени  шероховатости поверхности изделий, реализованный в известном устройстве. Способ заключаетс  в том, что освещают контролируемую поверхность издели  параллельным пучком монохроматического излучени  под острым углом относительно нормали к поверхности, определ ют зеркально отраженный от поверхности поток РЗ и два интегральных диффузных

потока, причем первый диффузный поток Pgi проходит через круговое кольцо в плоскости , перпендикул рной зеркальному направлению , в телесном угле, опирающемс  на кольцевое отверстие с малой угловой шириной и симметричное относительно зер- кального п тна, а второй диффузный поток

Fg2 проходит через второе кольцевое отверстие , концентричное первому, определ ют отношени  Fgi/Рз и Р92/Рз и по ним суд т о параметрах шероховатости.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит источник излучени , модул тор и оптическую систему, последовательно устанавливаемые по острым углом к контролируемой поверхности, маску с дву- м  концентрическими кольцевыми отверсти ми и круглым отверстием в центре, три подвижные относительно оптической оси устройства шторки, объектив, светофильтры и приемник излучени , последовательно ус- танавливаемые по ходу отраженного от контролируемой поверхности излучени , и блок обработки сигналов.

Недостаток известных способа и устройства заключаетс  в том, что они имеют низкую чувствительность к анизотропии поверхности и не позвол ют определить анизотропию поверхности и раздельно среднеквадратические отклонени  высот неровностей изотропной GI и анизотропной GI составл ющих шероховатости.

Недостаток объ сн етс  следующим образом. Принцип измерени  в известном способе и устройстве заключаетс  в определении двух отраженных потоков, измерен- ных не в плоскости падени , а в телесных углах, ограниченных кольцевыми диафрагмами . Несмотр  на возможность измерить отраженные потоки в значительно больших телесных углах, чем в аналоге, высока  чув- ствительность реализуетс  лишь дл  изотропных поверхностей, так как в кольцевые диафрагмы попадает излучение в основном от изотропной составл ющей и лишь незначительна  часть от анизотропной. Поэтому установка измер емой поверхности вдоль или поперек следов обработки относительно плоскости падени  излучени  не измен ет величины излучени , проход щего через кольцевые диафрагмы, и не вли ет на изме- р емые значени  параметров шероховатости .

Диапазон углов рассе ни  Э(углы между нормалью к поверхности и направлени ми рассе ни ), в которых измер ютс  интегральные диффузные потоки, определ ютс  шириной кольцевых отверстий в маске и соответствует очень ограниченному диапазону пространственных шагов неровностей . Если этому диапазону не будут со- ответствовать пространственные шаги периодических компонент анизотропной поверхности, внос щие значительные вклад в шероховатость, то рассе нные потоки , обусловленные наличием этих периоди-

ческих компонент, не попадут в кольцевые отверсти , что приведет к большой погрешности измерени .

Целью предлагаемого изобретени   вл етс  повышение точности и информативности за счет определени  среднего квадратического отклонени  высот неровностей анизотропной составл ющей о и среднего квадратического отклонени  высот неровностей изотропной составл ющей 02.

Цель достигаетс  тем, что в предлагаемом способе измерени  средних квадрати- ческих отклонений высот неровностей анизотропной поверхности освещают контролируемую поверхность издели  параллельным пучком монохроматического излучени  под острым углом относительно нормали к поверхности, определ ют зеркально отраженный от поверхности поток Рз и два интегральных диффузных потока, причем , согласно изобретению, устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падени  излучени  была параллельна следам обработки на ней, при этом определение интегрального диффузного потока F,, производ т в телесном угле, соответствующем пр моугольной площадке с шириной, равной диаметру зеркально отраженного пучка, и угловой длиной, выбираемой в зависимости от диапазона пространственной фильтрации, а затем устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падени  излучени  была перпендикул рна следам обработки на ней, при этом определение интегрального диффузного потока FI производ т в том же телесном угле, что и Fjr, определ ют отношени  Р„ /Рз, (FL- Р«)Рз и по ним суд т о параметрах 72 и сп анизотропной поверхности.

Цель достигаетс  также тем, что в устройстве дл  измерени  средних квадратиче- ских отклонений высот неровностей анизотропной поверхности, содержащем источник излучени , модул тор и оптическую систему, последовательно устанавливаемые под острым углом к контролируемой поверхности, маску, две подвижные относительно оптической оси устройства шторки, объектив, светофильтры, приемник излучени , последовательно устанавливаемые по ходу отраженного от контролируемой поверхности излучени , и блок обработки сигналов , согласно изобретению, объектив установлен так, что его оптическа  ось расположена под углом, отличающимс  от зеркального , и рассто ние между осью зеркального лучка и краем входного зрачка объектива равно половине диаметра зеркального пучка, в маске в плоскости падени  излучени  выполнено отверстие в виде пр моугольной щели, ширина которой равна диаметру зеркально отраженного пучка, в одной шторке выполнено круглое отверстие дл  прохождени  зеркально отраженного пучка, а во второй шторке выполнено в плоскости падени  излучени  пр моугольное отверстие с шириной, равной ширине отверсти  в маске, и длиной, меньшей длины отверсти  в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка.

Именно предлагаема  форма отверстий в маске и шторках и смещение оптической оси объектива относительно зеркального направлени  обеспечивают, согласно способу , измерение интегральных диффузных потоков вблизи плоскости падени  и тем самым достижение цели. Это позвол ет сделать вывод, что предлагаемый способ и устройство св заны между собой единым замыслом.

На фиг.1 изображена принципиальна  схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг.2-4 - конфигураци  маски и подвижных шторок; на фиг.5 и б - условно показаны взаимное расположение отверстий в маске и подвижных шторах в их

1и II положени х (области, через, которые проход т потоки излучени , заштрихованы ); на фиг.7 изображена геометри  регистрируемого интегрального диффузного потока.

Устройство (фиг.1) содержит источник 1 монохроматического излучени , модул тор

2и оптическую систему 3, последовательно устанавливаемые под острым углом к плоскости А-А измерени , маску 4, две подвиж- ные относительно оптической оси устройства шторки 5 и б, объектив 7, светофильтры 8, приемник 9 излучени , последо- вательно устанавливаемые по ходу излучени , отраженного от контролируемой поверхности издели  11, установленной в плоскость А-А измерени , и блок 10 обработки сигналов, объектив 7 установлен так, что его оптическа  ось расположена под углом , отличающимс  от зеркального, и рассто ние между осью зеркального пучка и краем входного зрачка объектива равно половине диаметра зеркального пучка, в маске 4 в плоскости падени  излучени  выполнено отверстие в виде пр моугольной щели (фиг.2), ширина которой а равна диаметру зеркально отраженного пучка, а длина bi определ етс  диапазоном пространственной фильтрации, в одной шторке 5 выполнено круглое отверстие с радиусом х а/2 дл  прохождени  зеркально отраженного пучка (фиг.З), а во второй шторке 6 (фиг.4) выполнено в плоскости падени  пр моугольное отверстие с шириной, равной ширине отверсти  в маске и длиной b2 bi - а, меньшей длины отверсти  в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка.

Способ измерени  осуществл етс  следующим образом.

Монохроматический параллельный пучок от источника 1 излучени , пройд  модул тор 2 и оптическую систему 3, падает на установленную в плоскость А-А измерени  контролируемую поверхность издели  11, под углом падени  ip относительно нормали к поверхности, измер емую поверхность

издели  11 устанавливают в плоскости А-А так, чтобы плоскость падени  излучени  была параллельна следам обработки, вдвигают подвижную шторку 5 и измер ют прошедшие через щель в маске 4, отверстие

в шторке 5 (фиг.5) и светофильтры 8 зеркально отраженный поток Рз с помощью приемника 9 излучени  и электронного блока 10, вдвигают шторку б и измер ют интегральный диффузный поток Fjf, прошедший через

щель в маске 4 и щель в подвижной шторке 6. Поворачивают измер емую поверхность издели  11 на 90° так, чтобы плоскость падени  излучени  была перпендикул рна следам обработки и измер ют интегральный диффузный поток, прошедший через щель в маске 4 в подвижной шторке 6. Затем определ ют отношени  F,, /Рз и (Р. - Рц)/Рз, по которым вычисл ют az среднее квад- ратическое отклонение высот неровностей

изотропной составл ющей и о - среднее квадратическое отклонение высот неровностей анизотропной составл ющей, так как

Р„/Рз А(7§; (Ј-F,, ХРз«/М:

a M+oL

где А и В - теоретические коэффициенты, завис щие от угла падени  $ ширины и угловой длины щели в подвижной шторке 6 (фиг.4 и 7), определ емой диапазоном пространственной фильтрации, длины волны излучени  А и интервала коррел ции высот неровностей.

Знание интервала коррел ции не требуетс , так как его изменение слабо вли ет на численные значени  коэффициентов А и В. При измерении параметров шерохова- тости необходимо выделить совокупность неровностей в некотором диапазоне пространственных шагов Ал-(пространственных частот гп 2  /Ап , Пс 2 л/Ak), в частности дл  разделени  шероховатости и

волнистости поверхности. Этот диапазон должен нормироватьс , так как от него завис т численные значени  параметров шероховатости при измерении конкретных поверхностей. Он выбираетс  на основании эксплуатационных и других требований к поверхности, нормативных документов.

Диапазон пространственной фильтрации в данном способе и устройстве ограничен областью пространственных шагов неровностей от An Л/(81пвп - sin V) до Ак A/(s i п©к - s I nt/)), где А- длина волны излучени , а ©н и ©k - начальный и конечный углы охвата области, в которой определ ютс  интегральные диффузные потоки. Дл  обеспечени  заданного диапазона пространственной фильтрации в предлагаемом способе и устройстве, задав длину волны излучени  источника, выбирают угловую длину щели Д0 ©к - ©н в подвижной шторке 6.

При этом телесный угол Да (фиг.7), в котором определ ют интегральные диффузные потоки Р.И Р„, образован - несколькими гран ми, имеющими общую точку (вершину) - освещенный участок в плоскости измерени  на поверхности издели  11 и проход щими через край площадки с шириной а, равной диаметру зеркально отраженного пучка, и угловой длиной А0. В устройстве этот телесный угол реализован в виде пр моугольной щели в подвижной шторке 6. Линейные размеры а и Ьг св заны с угловыми Дай Д@ соотношени ми

sinA0«b2/R,

где R - рассто ние от плоскости измерени  до плоскости маски вдоль оптической оси объектива 7.

Устройство работает следующим образом .

Параллельный пучок монохроматического излучени  из источника 1, например гелий-неонового лазера, модулируетс  модул тором 2, представл ющим собой жидкокристаллическую чейкус пол ригатором, и оптической системой 3 направл етс  на измер емую анизотропную поверхность издели  11, установленную в плоскости А-А измерени  так, что плоскость падени  излучени  проходит параллельно следам обработки. Подвижна  шторка 5 должна быть вдвинута. Отраженный в зеркальном направлении поток проходит через круглое отверстие в шторке 5, щель а маске 4, объектив 7, светофильтры 8, падает на приемник 9 излучени , и электронный блок обработки сигналов измер ет сигнал, пропорциональный потоку.

Затем подвижна  шторка 5 выдвигаетс , а подвижна  шторка 6 вдвигаетс . При этом сигнал пропорциональный потоку Рч, прошедшему через щели в маске 4 и шторке 6.

После этого контролируема  поверхность изделий 11 поворачиваетс  на 90° в плоскости измерени , так что при этом плоскость падени  излучени  проходит перпендикул рно следам обработки. При этом измер емое отраженное излучение пропорционально анизотропной составл ющей. При вдвинутой подвижной шторке 6 измер етс  сигнал FL. Определ ютс  отношени  F,,

/Рз и (Рх - Р„)/Рз, которые позвол ют вычислить средние квадратические отклонени  высот неровностей (72 и а 1 высот неровностей изотропной и анизотропной составл ющих шероховатости.

Таким образом, в отличие от известного предлагаемый способ и устройство позвол ют количественно определить высотные параметры шероховатости анизотропных поверхностей.

Если маска 4 плоска , то из-за больших углов охвата ( -40°) объектива 7 при вычислении параметров шероховатости, следует учитывать разные рассто ни  от центра и краев маски до измер емой поверхности.

Чтобы этого избежать можно маску выполнить в форме цилиндра радиусом R, где R - рассто ние от центра маски до контролируемой поверхности.

Таким образом, предлагаемые способ и

устройство отличаютс  от известных, поскольку обладают новыми признаками, обеспечивающими повышение точности и информативности. Способ позвол ет осуществл ть контроль как изотропных, так и

анизотропных поверхностей.

Способ и устройство позвол ют осуществить автоматический контроль изделий непосредственно на технологическом оборудовании в реальном масштабе времени,

так как обладают высокой производительностью .

Claims (2)

1. Формула изобретени  1.Способ измерени  среднего квадра- тического отклонени  высот неровностей

   анизотропной поверхности издели , заключающийс  в том, что освещают контролируемую поверхность издели  параллельным пучком монохроматического излучени  под острым углом относительно нормали к поверхности , определ ют зеркально отраженный от поверхности поток Рз и два интегральных диффузных потока и по ним суд т о среднем квадратическом отклонении высот неровностей, отличающийс 

   тем, что, с целью повышени  точности измерени  и информативности за счет определени  среднего квадратического отклонени  высот неровностей анизотропной составл ющей (71 и среднего квадратического от- клонени  высот неровностей изотропной составл ющей &2, устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падени  излучени  была параллельна следам обработки на ней, при этом определе- ние интегрального диффузного потока F, производ т в телесном угле, соответствующем пр моугольной площадке с шириной, равной диаметру зеркально отраженного пучка, и угловой длиной, выбираемой в за- висимости от диапазона пространственной фильтрации, а затем устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падени  излучени  была перпендикул рна следам обработки на ней, при этом опреде- ление интегрального диффузногЪ потока FI производ т в том же телесном угле, что и FH, определ ют отношени  F«/Fs и (В. - Б)/Рз и по ним суд т о параметрах а и cfc шероховатости анизотропной поверхности.
2. 2.Устройство дл  измерени  среднего квадратического отклонени  высот неровностей анизотропной поверхности издели , содержащее источник излучени , .модул тор и оптическую систему, последовательно

   ъ,

   - --it

   ISA

   устанавливаемые под острым углом к контролируемой поверхности, маску, две подвижные относительно оптической оси устройства шторки, объектив, светофильтры и приемник излучени , последовательно устанавливаемые по ходу отраженного от контролируемой поверхности излучени , и блок обработки сигналов, отличающеес  тем, что объектив предназначен дл  установки таким образом, чтобы его оптическа  ось и нормаль к контролируемой поверхности составл ли угол, больший угла зеркального отражени , и рассто ние между осью зеркального пучка и краем входного зрачка объектива было равно половине диаметра зеркального пучка, в маске в плоскости падени  излучени  выполнено отверстие в виде пр моугольной щели, ширина которой равна диаметру зеркально отраженного пучка, а углова  длина выбрана в зависимости от диапазона пространственной фильтрации , в одной шторке выполнено круглое отверстие дл  прохождени  зеркально отраженного пучка, а в другой шторке выполнено в плоскости падени  излучени  пр моугольное отверстие с шириной, равной ширине отверсти  в маске, и длиной, меньшей длины отверсти  в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка .

   Ьг

   Фиг.З

   ФигЛ

   Фив, 5

   Фиг. 6

   fF1 -Фае .7

   V