Итоги анализа существующих методов измерения шероховатости. Об их соответствии промышленным требованиям

Обобщение результатов поведённого анализа существующих методов и средств оценки параметров микрорельефа различных изделий позволяет сделать следующие выводы:

1. Все рассмотренные методы измерения шероховатости можно подразделить на контактные и бесконтактные. Контактные методы основаны на использовании щуповых приборов – профилографов и профилометров, которые позволяют получить профиль исследуемой поверхности в виде профилограмм.

Наряду с несомненными достоинствами щуповых методов оценки шероховатости поверхности, следует отметить их недостатки:

– непосредственно измерять шероховатость можно у деталей ограниченных размеров и, как правило, имеющих простые поверхности (плоская, цилиндрическая и т.д.);

– профилограммы записываются только в одном направлении и не дают комплексную оценку распределения микронеровностей;

– точность воспроизведения профиля неровностей поверхности зависит от погрешностей огибания поверхности щупом и от погрешности преобразования механических колебаний иглы в электрические колебания. В процессе огибания траектория движения центра иглы не совпадает с огибаемым профилем по ряду причин:

а) из-за конечного радиуса закругления иглы, так как она не может войти в глубокие узкие впадины;

б) деформации испытуемой поверхности и иглы под действием измерительного усилия;

в) отрыва иглы от профиля под влиянием инерционных сил;

г) отклонения иглы от заданного направления;

– для некоторых изделий использование контакта исследуемой поверхности с алмазной иглой профилографа вообще недопустимо, так как при её перемещении на поверхности могут оставаться микроповреждения, которые в дальнейшем могут существенно снизить эксплуатационные характеристики изделия;

– существенным недостатком профильных методов является и слишком большое время (порядка нескольких минут), затрачиваемое на проведение измерений, что полностью исключает оперативный контроль шероховатости поверхностей изделий в реальном масштабе времени непосредственно при их изготовлении. Отмеченный недостаток в ещё большей степени относится и к методу слепков;

2. Бесконтактные методы измерения шероховатости поверхностей лишены некоторых из отмеченных недостатков, в частности, они безъинерционны и их использование не наносит повреждение исследуемой поверхности. Эти методы подразделяются на интерференционный метод, метод светового сечения, метод теневой проекции, растровый и рефлектометрический методы и органолептический метод. При этом интерференционный метод, метод светового сечения, метод теневой проекции и растровый метод предполагают использование различных специализированных микроскопов, которые можно использовать только в лабораторных условиях. Кроме того, анализ микрорельефа исследуемых поверхностей на этих микроскопах связан со значительными временными затратами. Отмеченные особенности практически исключают возможность их использования в производственных условиях непосредственно в ходе выполнения технологического процесса для оперативного контроля.

Рефлектометрические методы, основаны на измерении мощности отраженного от исследуемой поверхности светового потока и функциональной зависимости этой мощности от микрорельефа поверхности. Хотя они и не требуют применения специализированных микроскопов, однако также имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются требования к стабильности мощности падающего светового потока на поверхность и углу его падения на эту поверхность. Невыполнение этих требований может привести к значительным ошибкам в оценке параметров микрорельефа, достигающим 50% и более. Кроме того, аппаратура, используемая в этих методах, часто имеет и значительные габариты, затрудняющие её применение в труднодоступных местах промышленных изделий.

Таким образом, сопоставление результатов проведённого анализа с изложенным выше комплексом промышленных требований показывает, что известные методы и средства не удовлетворяют в полной мере указанным промышленным требованиям. Невозможность удовлетворить заданные требования с помощью известных методов и средств может привести к серьёзным последствиям при эксплуатации различных изделий, для которых состояние микрорельефа рабочих поверхностей во многом определяет их надежность и долговечность при эксплуатации. В частности, может резко возрасти вероятность отказа изделий при его эксплуатации из-за неправильной оценки микрорельефа его рабочей поверхности на этапе изготовления. Например, не выявленная высокая шероховатости дорожки качения подшипника на этапе изготовления может привести к более раннему зарождению усталостной трещины при его эксплуатации и, как следствие, к его внезапному разрушению. Отмеченное может привести к катастрофическим последствиям, например, к разрушению авиационного двигателя с таким подшипником во время полёта авиалайнера и, следовательно, к большим человеческим жертвам и серьёзным экономическим потерям.

Таким образом, возникла серьёзная научно-техническая проблема в создании методологических основ построения информационно-измерительных средств, обеспечивающих:

– инвариантность метрологических характеристик средств измерения

к изменению влияющих, неинформативных величин в пределах рабочих

условий эксплуатации;

– информативное преобразование параметров микрорельефа в информацию, которую можно измерить технически доступными измерительными средствами;

– проведение обработки соответствующей измерительной информации практически в реальном масштабе времени непосредственно в ходе выполнения технологического процесса;

– компактность и мобильность средств измерения микрорельефа исследуемых поверхностей;

– способность измерять параметры микрорельефа промышленных изделий в труднодоступных местах, имеющих сложные формы и определяющим образом влияющих на эксплуатационные характеристики изделий;

– возможность проводить измерения параметров микрорельефа поверхностей бесконтактным способом, не нанося ему механических микроповреждений;

– простоту эксплуатации измерительной аппаратуры непосредственно в производственных условиях;

– необходимую точность измерений и возможность цифровой обработки измерительной информации;

– энергосберегающий характер использования измерительных средств.

В связи с вышесказанным, целью настоящей работы является создание методологических основ построения информационно-измерительной системы (ИИС) для оценки параметров микрорельефа промышленных изделий, которая должна обеспечивать оперативный контроль параметров микрорельефа в реальном масштабе времени непосредственно в ходе выполнения технологического процесса в производственных условиях. Кроме того, рассматриваемая аппаратура должна быть малогабаритной, простой в эксплуатации, обеспечивать цифровую обработку информации и быть инвариантной к изменению внешних условий, которые могут искажать процесс формирования измерительной информации о состоянии исследуемого микрорельефа.

Попытки напрямую решить эту проблему с помощью рассмотренных выше методов и средств не дают желаемого результата по ряду перечисленных выше причин. Потребность решения данной проблемы отражена в ряде документов, таких как приоритетные направления Основных фундаментальных научных исследований РАН на период 2007-2011 годы (раздел.3 «Технические науки, 3.9 Создание перспективных конструкций, материалов и технологий в авиации, ракетной и атомной технике, судостроении, наземном транспорте, станко- и приборостроении») и программе приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации на период 2012-2020 годы (ГРНТИ раздел 59 «Приборостроение, 59.45.37 Приборы для неразрушающего контроля изделий и материалов оптическим методом»).

Направление решения сформулированной проблемы должно предусматривать решение следующих задач:

– разработку оптико-электронной информационно-измерительной системы и программного обеспечения для проведения экспериментальных исследований о влиянии микрорельефа исследуемой поверхности и влияющих неинформативных факторов на характер измерительной информации;

– исследование влияния параметров опорного светового потока и микрорельефа исследуемой поверхности на характеристики видеосигналов и выполнение анализа возникающей при этом погрешности при определении высотных параметров микрорельефа на основе измеренных параметров видеосигналов;

– разработка теоретических основ формирования измерительной информации о микрорельефе исследуемой поверхности на основе применения оптико-электронного метода и компьютерных технологий;

– выполнение оценки возможностей использования структурных схем для уменьшения погрешностей, возникающих в измерительной информации, формируемой оптико-электронной информационно-измерительной системой;

– разработка нового метода компенсации дополнительной погрешности измерения параметров микрорельефа, возникающей при изменении параметров светового потока в производственных условиях;

– разработку нового метода определения шероховатости поверхности промышленных изделий на основе использования оптико-электронных средств и компьютерных технологий, обеспечивающих решение поставленной проблемы;

– исследование метрологических характеристик нового оптико-электронного метода оценки шероховатости поверхности промышленных изделий;

– проведение опытно-промышленных испытаний разработанного нового оптико-электронного метода и программного обеспечения к нему для оценки шероховатости реальных промышленных изделий.