Способ измерения среднего квадратического отклонения высот неровностей анизотропной поверхности изделия и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительой технике и может быть использовано, для пределения среднеквадратического отклонения высот неровностей анизотропной сотавляющей и среднеквадратического тклонения высот неровностей изотропной оставляющей сверхгладких анизотропных поверхностей, в частности поверхностей, обработанных алмазным точением.

Известен способ измерения шероховатости поверхности изделий, заключающийся в том, что освещают поверхность изделия под острым углом @ параллельным пучком монохроматического излучения, определяют интенсивность I} излучения, отраженного от поверхности изделия в зеркальном направлении, определяют интенсивность 2,з излучения, отраженного от поверхности изделия в двух направлениях, отличных от зеркального под углами 02 и 0з. определяют отношения RI il и R2 1з/12, по которым судят о параметрах шероховатости поверхности.

Устройство, реализующее указанный способ содержит узел, формирующий осветительный поток и состоящий из источника излучения - лазера, объектива, зеркал, поворотного зеркала, ослабителя интенсивности, держателя изделия и узла приемного устройства, состоящего из двух объективов и двух фотодиодов, усилителя, устройства для измерения отношения сигналов и вычислительного устройства.

Недостатком указанного способа и устройства, реализующего его, является невозможность количественного определения параметров шероховатости анизотропных

поверхностей, так как отраженные потоки измеряются в малых телесных углах в трех фиксированных направлениях. При рассеянии на анизотропной поверхности в направлении, перпендикулярном следам обработки, образуется более яркая, чем основной фон, полоса или дифракционные максимумы нескольких порядков, расстояние между которыми зависит от шага периодической составляющей шероховатой поверхности. Эти максимумы вообще могут не совпасть с направлениями, в которых под фиксированными углами измеряются потоки, что приведет к большой погрешности.

Для количественной оценки анизотропной составляющей поверхности необходимо измерить весь световой поток, включающий дифракционные максимумы (или яркую полосу).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения шероховатости поверхности изделий, реализованный в известном устройстве. Способ заключается в том, что освещают контролируемую поверхность изделия параллельным пучком монохроматического излучения под острым углом относительно нормали к поверхности, определяют зеркально отраженный от поверхности поток РЗ и два интегральных диффузных

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

Fg2 проходит через второе кольцевое отверстие, концентричное первому, определяют отношения Fgi/Рз и Р92/Рз и по ним судят о параметрах шероховатости.

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

Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что они имеют низкую чувствительность к анизотропии поверхности и не позволяют определить анизотропию поверхности и раздельно среднеквадратические отклонения высот неровностей изотропной GI и анизотропной GI составляющих шероховатости.

Недостаток объясняется следующим образом. Принцип измерения в известном способе и устройстве заключается в определении двух отраженных потоков, измерен- ных не в плоскости падения, а в телесных углах, ограниченных кольцевыми диафрагмами. Несмотря на возможность измерить отраженные потоки в значительно больших телесных углах, чем в аналоге, высокая чув- ствительность реализуется лишь для изотропных поверхностей, так как в кольцевые диафрагмы попадает излучение в основном от изотропной составляющей и лишь незначительная часть от анизотропной. Поэтому установка измеряемой поверхности вдоль или поперек следов обработки относительно плоскости падения излучения не изменяет величины излучения, проходящего через кольцевые диафрагмы, и не влияет на изме- ряемые значения параметров шероховатости.

Диапазон углов рассеяния Э(углы между нормалью к поверхности и направлениями рассеяния), в которых измеряются интегральные диффузные потоки, определяются 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, вносящие значительные вклад в шероховатость, то рассеянные потоки, обусловленные наличием этих периоди-

ческих компонент, не попадут в кольцевые отверстия, что приведет к большой погрешности измерения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и информативности за счет определения среднего квадратического отклонения высот неровностей анизотропной составляющей о и среднего квадратического отклонения высот неровностей изотропной составляющей 02.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе измерения средних квадрати- ческих отклонений высот неровностей анизотропной поверхности освещают контролируемую поверхность изделия параллельным пучком монохроматического излучения под острым углом относительно нормали к поверхности, определяют зеркально отраженный от поверхности поток Рз и два интегральных диффузных потока, причем, согласно изобретению, устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падения излучения была параллельна следам обработки на ней, при этом определение интегрального диффузного потока F,, производят в телесном угле, соответствующем прямоугольной 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 падения излучения была перпендикулярна следам обработки на ней, при этом определение интегрального диффузного потока FI производят в том же телесном угле, что и Fjr, определяют отношения Р„ /Рз, (FL- Р«)Рз и по ним судят о параметрах 72 и сп анизотропной поверхности.

Цель достигается также тем, что в устройстве для измерения средних квадратиче- ских отклонений высот неровностей анизотропной поверхности, содержащем источник излучения, модулятор и оптическую систему, последовательно устанавливаемые под острым углом к контролируемой поверхности, маску, две подвижные относительно оптической оси устройства шторки, объектив, светофильтры, приемник излучения, последовательно устанавливаемые по ходу отраженного от контролируемой поверхности излучения, и блок обработки сигналов, согласно изобретению, объектив установлен так, что его оптическая ось расположена под углом, отличающимся от зеркального, и расстояние между осью зеркального лучка и краем входного зрачка объектива равно половине диаметра зеркального пучка, в маске в плоскости падения излучения выполнено отверстие в виде прямоугольной щели, ширина которой равна диаметру зеркально отраженного пучка, в одной шторке выполнено круглое отверстие для прохождения зеркально отраженного пучка, а во второй шторке выполнено в плоскости падения излучения прямоугольное отверстие с шириной, равной ширине отверстия в маске, и длиной, меньшей длины отверстия в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка.

Именно предлагаемая форма отверстий в маске и шторках и смещение оптической оси объектива относительно зеркального направления обеспечивают, согласно способу, измерение интегральных диффузных потоков вблизи плоскости падения и тем самым достижение цели. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ и устройство связаны между собой единым замыслом.

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

1и II положениях (области, через, которые проходят потоки излучения, заштрихованы); на фиг.7 изображена геометрия регистрируемого интегрального диффузного потока.

Устройство (фиг.1) содержит источник 1 монохроматического излучения, модулятор

2и оптическую систему 3, последовательно устанавливаемые под острым углом к плоскости А-А измерения, маску 4, две подвиж- ные относительно оптической оси устройства шторки 5 и б, объектив 7, светофильтры 8, приемник 9 излучения, последо- вательно устанавливаемые по ходу излучения, отраженного от контролируемой поверхности изделия 11, установленной в плоскость А-А измерения, и блок 10 обработки сигналов, объектив 7 установлен так, что его оптическая ось расположена под углом, отличающимся от зеркального, и расстояние между осью зеркального пучка и краем входного зрачка объектива равно половине диаметра зеркального пучка, в маске 4 в плоскости падения излучения выполнено отверстие в виде прямоугольной щели (фиг.2), ширина которой а равна диаметру зеркально отраженного пучка, а длина bi определяется диапазоном пространственной фильтрации, в одной шторке 5 выполнено круглое отверстие с радиусом х а/2 для прохождения зеркально отраженного пучка (фиг.З), а во второй шторке 6 (фиг.4) выполнено в плоскости падения прямоугольное отверстие с шириной, равной ширине отверстия в маске и длиной b2 bi - а, меньшей длины отверстия в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка.

Способ измерения осуществляется следующим образом.

Монохроматический параллельный пучок от источника 1 излучения, пройдя модулятор 2 и оптическую систему 3, падает на установленную в плоскость А-А измерения контролируемую поверхность изделия 11, под углом падения ip относительно нормали к поверхности, измеряемую поверхность

изделия 11 устанавливают в плоскости А-А так, чтобы плоскость падения излучения была параллельна следам обработки, вдвигают подвижную шторку 5 и измеряют прошедшие через щель в маске 4, отверстие

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

щель в маске 4 и щель в подвижной шторке 6. Поворачивают измеряемую поверхность изделия 11 на 90° так, чтобы плоскость падения излучения была перпендикулярна следам обработки и измеряют интегральный диффузный поток, прошедший через щель в маске 4 в подвижной шторке 6. Затем определяют отношения F,, /Рз и (Р. - Рц)/Рз, по которым вычисляют az среднее квад- ратическое отклонение высот неровностей

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

Р„/Рз А(7§; (Ј-F,, ХРз«/М:

a M+oL

где А и В - теоретические коэффициенты, зависящие от угла падения $ ширины и угловой длины щели в подвижной шторке 6 (фиг.4 и 7), определяемой диапазоном пространственной фильтрации, длины волны излучения А и интервала корреляции высот неровностей.

Знание интервала корреляции не требуется, так как его изменение слабо влияет на численные значения коэффициентов А и В. При измерении параметров шерохова- тости необходимо выделить совокупность неровностей в некотором диапазоне пространственных шагов Ал-(пространственных частот гп 2 я/Ап , Пс 2 л/Ak), в частности для разделения шероховатости и

волнистости поверхности. Этот диапазон должен нормироваться, так как от него зависят численные значения параметров шероховатости при измерении конкретных поверхностей. Он выбирается 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 излучения, а ©н и ©k - начальный и конечный углы охвата области, в которой определяются интегральные диффузные потоки. Для обеспечения заданного диапазона пространственной фильтрации в предлагаемом способе и устройстве, задав длину волны излучения источника, выбирают угловую длину щели Д0 ©к - ©н в подвижной шторке 6.

При этом телесный угол Да (фиг.7), в котором определяют интегральные диффузные потоки Р.И Р„, образован - несколькими гранями, имеющими общую точку (вершину) - освещенный участок в плоскости измерения на поверхности изделия 11 и проходящими через край площадки с шириной а, равной диаметру зеркально отраженного пучка, и угловой длиной А0. В устройстве этот телесный угол реализован в виде прямоугольной щели в подвижной шторке 6. Линейные размеры а и Ьг связаны с угловыми Дай Д@ соотношениями

sinA0«b2/R,

где R - расстояние от плоскости измерения до плоскости маски вдоль оптической оси объектива 7.

Устройство работает следующим образом.

Параллельный пучок монохроматического излучения из источника 1, например гелий-неонового лазера, модулируется модулятором 2, представляющим собой жидкокристаллическуюячейкусполяригатором, и оптической системой 3 направляется на измеряемую анизотропную поверхность изделия 11, установленную в плоскости А-А измерения так, что плоскость падения излучения проходит параллельно следам обработки. Подвижная 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 излучения, и электронный блок обработки сигналов измеряет сигнал, пропорциональный потоку.

Затем подвижная шторка 5 выдвигается, а подвижная шторка 6 вдвигается. При этом сигнал пропорциональный потоку Рч, прошедшему через щели в маске 4 и шторке 6.

После этого контролируемая поверхность изделий 11 поворачивается на 90° в плоскости измерения, так что при этом плоскость падения излучения проходит перпендикулярно следам обработки. При этом измеряемое отраженное излучение пропорционально анизотропной составляющей. При вдвинутой подвижной шторке 6 измеряется сигнал FL. Определяются отношения F,,

/Рз и (Рх - Р„)/Рз, которые позволяют вычислить средние квадратические отклонения высот неровностей (72 и а 1 высот неровностей изотропной и анизотропной составляющих шероховатости.

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

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

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

Таким образом, предлагаемые способ и

устройство отличаются от известных, поскольку обладают новыми признаками, обеспечивающими повышение точности и информативности. Способ позволяет осуществлять контроль как изотропных, так и

анизотропных поверхностей.

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

так как обладают высокой производительностью.

Формула изобретения 1.Способ измерения среднего квадра- тического отклонения высот неровностей

анизотропной поверхности изделия, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверхность изделия параллельным пучком монохроматического излучения под острым углом относительно нормали к поверхности, определяют зеркально отраженный от поверхности поток Рз и два интегральных диффузных потока и по ним судят о среднем квадратическом отклонении высот неровностей, отличающийся

тем, что, с целью повышения точности измерения и информативности за счет определения среднего квадратического отклонения высот неровностей анизотропной составляющей (71 и среднего квадратического от- клонения высот неровностей изотропной составляющей &2, устанавливают контролируемую поверхность так, чтобы плоскость падения излучения была параллельна следам обработки на ней, при этом определе- ние интегрального диффузного потока F, производят в телесном угле, соответствующем прямоугольной 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 падения излучения была перпендикулярна следам обработки на ней, при этом опреде- ление интегрального диффузногЪ потока FI производят в том же телесном угле, что и FH, определяют отношения F«/Fs и (В. - Б)/Рз и по ним судят о параметрах а и cfc шероховатости анизотропной поверхности.

2.Устройство для измерения среднего квадратического отклонения высот неровностей анизотропной поверхности изделия, содержащее источник излучения, .модулятор 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 излучения, последовательно устанавливаемые по ходу отраженного от контролируемой поверхности излучения, и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что объектив предназначен для установки таким образом, чтобы его оптическая ось и нормаль к контролируемой поверхности составляли угол, больший угла зеркального отражения, и расстояние между осью зеркального пучка и краем входного зрачка объектива было равно половине диаметра зеркального пучка, в маске в плоскости падения излучения выполнено отверстие в виде прямоугольной щели, ширина которой равна диаметру зеркально отраженного пучка, а угловая длина выбрана в зависимости от диапазона пространственной фильтрации, в одной шторке выполнено круглое отверстие для прохождения зеркально отраженного пучка, а в другой шторке выполнено в плоскости падения излучения прямоугольное отверстие с шириной, равной ширине отверстия в маске, и длиной, меньшей длины отверстия в маске на величину диаметра зеркально отраженного пучка.

Ьг

Фиг.З

ФигЛ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения среднеквадратического отклонения высот неровностей анизотропной составляющей и среднеквадратического отклонения высот неровностей изотропной составляющей сверхгладких анизотропных поверхностей, в частности поверхностей, обработанных алмазным точением. Цель изобретения - повышение точности измерения и информативности за счет определения среднего квадратического отклонения высот неровностей анизотропной составляющей oi и среднего квадратического отклонения высот неровностей изотропной составляющей Oi. Параллельный пучок от монохроматического источника 1 излучения, например гелий-неонового лазера, мо

Фив, 5

Фиг. 6

fF1 -Фае.7

V