Способ измерения шероховатости поверхности изделия и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения шероховатости поверхности.

Известен способ выявления неровностей материалов, состоящий в освещении первым оптическим пучком поверхности эталонного отражающего материала, шероховатость которого предварительно уменьшают, причем часть этого излучения

отражается эталонной поверхностью, освещении вторым оптическим пучком поверхности образца, регистрации и измерении интенсивности первого и второго отраженных пучков с целью получения первого и второго сигналов, соответствующих величине неровности. Недостатком данного способа являются его ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что он позволяет получать информацию только о величине неровности контролируемой поверхности. Кроме того, данный способ требует наличия эталонного образца и обладает недостаточной точностью, поскольку не позволяет учесть изме- нения в величине отраженного сигнала, связанные с наличием неконтролируемых загрязнений поверхности и непланарно- стью измеряемой поверхности.

Известен способ оптической дефекте- скопии поверхности, заключающийся в освещении поверхности оптическим излучением и измерении интенсивности отраженного излучения в зоне, находящейся вне области отраженного света при отсутст- вии дефекта, но в зоне,находящейся в обла- сти отраженного света при наличии дефекта на позерхности образца. Недостатком данного способа являются его ограниченные функциональные возможности, поскольку от позволяет детектировать только наличие дефекта на поверхности и не позволяет определять величину шероховатости или другие параметры, описывающие состояние поверхности. Кроме того, данный способ пбз в оля ет Определить только наличие определенным образом ориентированных дефектов, поскольку при другой их ориентации отраженное излучение может не попадать в зону, находящуюся в области отраженного света при наличии дефекта и выбранную заранее.

Из известных способов измерения шероховатости поверхностей наиболее близким является способ измерения шероховатости гладких поверхностей, заключающийся в том, что освещают поверхность изделия под острым углом параллельным пучком монохроматического излучения, определяют интенсивность из- лучения, отраженного от поверхности изде- лия в зеркальном направлении, определяют интенсивность излучения, отраженного от поверхности изделия в направлении, отличном от зеркального, и по отношению мнтен- сивностей судят о среднем квадратическом отклонении высот неровностей, являющемся параметром шероховатости. Недостатком данного способа являются его низкие функциональные возможности, обусловлен- ные тем; что он позволяет определять только параметр, связанный со значением среднеквадратической высоты неровностей h. Крбмё Того, он не позволяет проводить непосредственное измерение значения h, a требует проведения сравнений с параметрами эталонных образцов. Данный способ обладает также низкой точностью, поскольку он не позволяет учитывать влияние неплоскостности поверхности на отношение

интенсивностей отраженного излучения, а следовательно, и на определяемое значение h.

Известно устройство для оптического контроля качества поверхности, содержащее источник света, фокусирующую оптическую систему, полупрозрачное зеркало, два фотоприемника, усилитель сигналов и компаратор. Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности, поскольку при использовании двух регистрирующих отраженное излучение фотоприемников из сравнения их сигналов можно определить только наличие дефектов на поверхности.

Известно устройство для контроля качества поверхности, содержащее источник излучения, оптическую систему и датчик нерегулярности отраженных от объекта контроля сигналов, регистрирующее информацию о дефектах, если величина изменения отраженного сигнала превышает определенный уровень. Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности, поскольку оно позволяет регистрировать только наличие дефектов на поверхности, величина которых превышает уровень и не дает информации о значении шероховатости или других параметров, характеризующих состояние поверхности.

Из известных устройств для измерения шероховатости поверхности наиболее близким является устройство для контроля поверхности, содержащее источник когерентного оптического излучения, устройство для крепления и перемещения измеряемой поверхности и решетку фотоприемников, расположенных симметрично вокруг узла зеркального отражения. Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности, поскольку при симметрично относительно зеркально отраженного луча расположенной решетки фотоприемников отсутствие разностного сигнала между симметрично расположенными фотоприемниками не позволит получить информацию о коэффициенте отражения излучения и неплоскостности поверхности. Кроме того, с помощью данного устройства невозможно проводить измерения движущихся поверхностей, поскольку при перемещении пластины и последовательном способе считывания сигнала с фотоприемников информация снимается с различных точек пла- стины и поэтому принципиально невозможно количественно определять параметры, характеризующие данную точку (область) исследуемой поверхности. Например, шероховатость, угол прогиба, коэффициент отражения.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения среднеквадратической высоты неровностей, коэффициента отражения оптического излучения и угла отклонения контролируемой поверхности от заданной плоскости. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения шероховатости поверхности параллельным пучком монохроматического излучения и измерении пространственного распределения мощности отраженного от контролируемой поверхности излучения, освещение производят оптическим излучением с заранее заданным распределением мощности в пучке, расширяют отраженный пучок, измеряют мощность отраженного пучка в плоскости, перпендикулярной отраженному пучку, в точках с координатами (0, 0); (г, 0); (2г. 0); (0, г), определяют значения среднеквадратической высоты неровностей поверхности h, коэффициент отражения оптического излучения R и угол f отклонения контролируемой поверхности от заданной плоскости для данной точки поверхности, перемещают контролируемую поверхность без изменения ее ориентации и производят измерения величин h, R и f для любой точки поверхности по всей площади. Если освещение контролируемой поверхности производят оптическим излучением с заранее заданным гауссовским распределением мощности в г)учке, значения h, R и f определяют по формулам

vF

Г (. -а.); 0) о

R

VirV2

2jrAiSiRHloVK2 -Ki

. Vx2 f arctg ( 2 )

-r K2-3Kir M 2 ( Ki +Кз ) ,

R KZ - KI y г l K2 - KI J

о22Г2

К2-К1

(6)

где Vi, V2, Va, V4 - значения мощности оптического пучка в точках с координатами (О, О); (г. 0); (2г, 0); (0, г) соответственно;

15

20

25

30

35

о

45

50

55

V0 AoSiRHlo - значение мощности оптического пучка в точке с координатами (О, 0) в исходном пучке (без отражения от контролируемой поверхности);

г - расстояние между центрами фотоприемников в матрице.

В устройство, содержащее источник оптического излучения, устройство для крепления и перемещения пластины, устройство измерения мощности оптического отраженного пучка, дополнительно введены устройство расширения отраженного пучка, а устройство измерения мощности содержит матрицу из четырех фотоприемников, расположенных в узлах с координатами (О, О); (г, 0); (2г, 0); (0, г) с диаметром светочувствительной площадки d « г.

Авторами не обнаружено технических решений, содержащих совокупность отличительных признаков данного изобретения, в связи с чем оно соответствует критерию существенные отличия.

Сущность- предлагаемого способа заключается в следующем. Участок контролируемой поверхности освещают параллельным пучком монохроматического излучения и измеряют пространственное распределение мощности отраженного от контролируемой поверхности излучения. Благодаря введению в известный способ освещения оптическим излучением с заранее заданным, например, гауссовским распределением мощности в пучке, расширению отраженного пучка, измерению мощности отраженного пучка в плоскости, перпендикулярной отраженному пучку, в точках с координатами (0, 0); (г. 0); (2г, 0); (0, г) и введению в устройство дополнительно устройства расширения отраженного пучка, матрицы из четырех фотоприемников, расположенных в узлах с координатами (0, г); (г, 0); (2г, 0); (0, г) с диаметром светочувствительной площадки d « г, четырехканально- го аналого-цифрового преобразователя и вычислительного устройства достигается расширение функциональных возможностей способа за счет одновременного определения значений среднеквадратической

высоты неровностей поверхности h, коэффициента отражения R и угла f отклонения контролируемой поверхностей от заданной плоскости.

Кроме того, предлагаемый способ и устройство позволяют определить распределение указанных параметров по площади движущейся поверхности.

, На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Приняты следующие обозначения на фиг. 1: 1 - источник монохроматического оптического пучка; 2 - измеряемая пластина; 3 - устройство крепления и перемещения измеряемой пластины; 4 - устройство расширения отраженного пучка; 5 - устройство измерения мощности отраженного оптического пучка, состоящее из матрицы четырех фотоприемников; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - вычислительное устройство.

На фиг. 2 приведено пространственное расположение матрицы фотоприемников относительно отраженного от измеряемой поверхности пучка, где:

8 - направление распространения отраженного пучка;

9, 10, 11. 12 - четыре фотоприемника матрицы устройства измерения мощности отраженного оптического пучка.

Определение указанных выше параметров, характеризующих состояние измеряемой поверхности, описано на следующих принципах.

Известно, что интенсивность зеркально отраженного излучения з от поверхности со средней высоты неровностей может быть записана в виде

з Rio exp(-K cos2 fl ),

(7)

где R - коэффициент отражения;

Я- длина волны падающего излучения;

К 9,8 - эмпирический коэффициент;

в - угол падения излучения на поверхность.

Источник монохроматического излучения генерирует пучок с известным, например, гауссовским распределением мощности в пучке

, 2л: , х2+у2 .

0-1„2 )

00

ей

(8)

где г - расстояние от оси пучка;

оь - параметр, характеризующий радиальное распределение мощности в пучке. После отражения оптического пучка от шероховатой поверхности распределение мощности в пучке имеет вид

Up(х, у)- (MlYl) (9)

СП

Преобразовав выражения (7)-(9). можно показать, что среднеквадратическая высота неровностей отражающей поверхности связана со значениями параметров оь и а со- отношением

In

01

К cos2 6| a°

(10)

20 Мощность излучения, попадающего на фотоприемники матрицы, изображенной на фиг. 2, можно записать в следующем виде;

loR -fpexp (Дх2 + Ay2

):

l2 loR-fpexp

(r-Axf+Ду2 eft

()

, , „ 2я , (2г-Ах )2+Ду2 ,. l3 loR-7 exp ,

01

35

2 -

1

После преобразования выражений (11)

с учетом (7)-(10)получаем формулы ОН6) для определения значений среднеквадрати- ческой высоты неровностей поверхности, коэффициента отражения и угла отклонения контролируемой поверхности от заданной

плоскости.

Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом. Источник монохроматического параллельного оптического пучка 1 освещает участок поверхности, контролируемой движущиеся поверхности 2, которая перемещается с помощью устройства крепления и перемещения 3. Отраженное от поверхности оптическое излучение расширяется с

помощью устройства 4 и падает на поверхность матрицы фотоприемников 5, расположенной перпендикулярно направлению распространения отраженного оптического излучения в соответствии с фиг. 2. Аналоговый электрический сигнал от каждого из четырех фотоприемников матрицы поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. С выхода преобразователя 6 цифровой сигнал поступает на вход вычислительного устройства 7. где он обрабатывается в соответствии с выражениями (1) для получения значений параметров h, R., f.

Формула изобретения

1,Способ измерения шероховатости поверхности изделия, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверхность параллельным пучком монохроматического излучения, определяют пространственное распределение мощности отраженного от контролируемой поверхности излучения и измеряют среднеквадратическую высоту h шероховатости поверхности, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования способа, освещение производят оптическим излучением с заданным распределением мощности в пучке, расширяют отраженный пучок, измеряют мощность отраженного пучка в плоскости, перпендикулярной к отраженному пучку, в точках с координатами 0, 0; г, 0; 2г, 0; 0, г, по которой производят измерение средне- квадратической высоты h неровности поверхности, коэффициента R отражения и угла f отклонения контролируемой поверхности от заданной плоскости для данной точки поверхности, перемещают контролируемую поверхность без изменения ее ориентации и производят измерение величин h, R и f для любой точки поверхности по всей площади, где г - расстояние между точками на плоскости, перпендикулярной к отражен-, ному пучку, в которых измеряют мощность отраженного пучка.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что используют в качестве оптического излучения с заданным распределением мощности в пучке оптический пучок с гаус- совским распределением мощности и определяют значения h, R и f по формулам

и 1 у u r I

ь-- 0 --агЧ -ф

где

y effi1

2М, 5, RH

10

r K2-3Kiг м 2(К1+Кз) ,

x R K2 - Ki y R l K2 - Ki J

15

2Г2

K2 - Ki

Ki ln-Ј20

V2Va

Kz ln v-F Кз ln W

Vi, Va, Va, VA - значения мощности оптического пучка в четырех указанных выше точках;

угол падения излучения на поверхности оптического пучка в точке с координатами;

V0 AiSiRnlo - значение мощности в падающем пучке;

°° параметр, характеризующий радиальное расположение мощности в пучке; А-длина волны падающего излучения, 3. Устройство измерения шероховатости поверхности изделия, содержащее источник монохроматического оптического излучения, узел для крепления и перемещения измеряемого изделия и блок измерения мощности отраженного пучка, отличающееся тем, что оно снабжено узлом для

расширения отраженного пучка, установленного по ходу излучения перед блоком измерения мощности отраженного пучка, выполненным в виде матрицы из четырех фотоприемников с координатами 0, 0; г, 0;

r|J. 0; 0, г1 и диаметром d светочувствительной площадки, причем d « г , где г1 - расстояние между центрами соседних фотоприемников в матрице.

t

2

x

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения шероховатости поверхности изделия. Цель изобретения - расширение области использования способа за счет измерения помимо среднеквадра- тической высоты h шероховатости поверхности, еще и R - коэффициента отражения оптического излучения (характеризует степень чистоты контролируемой поверхности), f - угла отклонения поверхности от заданной плоскости (характеризует неплоскостность контролируемой поверх- ностиХВ способе измерения шероховатости поверхности, заключающемся в освещении контролируемой поверхности параллельным пучком монохроматического излучения и измерении пространственного распределения мощности отраженного излучения, освещение производят излучением с заранее заданным распределением мощности в пучке, расширяют отраженный пучок и измеряют его мощность в плоскости, перпендикулярной отраженному пучку, в точках с определенными координатами и по приведенным в заявке формулам определяют значения среднеквадратичной высоты неровностей, коэффициента отражения и угла отклонения контролируемой поверхности от заданной плоскости. В устройство, содержащее источник излучения, узел для крепления и перемещения пластины и блок измерения мощности отраженного пучка, введен узел для расширения отраженного пучка, блок измерения мощности отраженного оптического пучка выполнен в виде матрицы из четырех фотоприемников, расположенных в определенном порядке с диаметром фоточувствительной площадки, много меньшем расстояния между фотодиодами. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил. V| 00 ел 00 VI

н

0ua2

te,7