681.2
Автоматизация измерений п араметров
шероховатости
С. Е. ПЕДЬ, П. В. ДРУЖИНИН
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: seped@mail.ru
Приведены результаты проектирования аппаратно-программного комплекса на базе прибора светового сечения для автоматизированных измерений параметров шероховатости. Представлены конструктивные решения комплекса, исследованы метрологические характеристики и особенности программно-математического обеспечения.
Кпючевые слова: шероховатость поверхности, приборы светового сечения, аппаратно-программный комплекс, специальное программное обеспечение.
The results of work on design of hardware and software complex based on light section instrument for automated measurements of roughness parameters have been presented. The construction solutions the features of software-mathematical assurance and the results of metrological characteristics study are considered.
Key words: surface roughness, devices light section, hardware and software complex, special software.
Шероховатость, которая образуется на поверхности детали при любом способе обработки, является одним из показателей точности геометрической формы и существенно влияет на эксплуатационные характеристики деталей [1—4].
В настоящее время для измерений параметров шероховатости поверхности в машино- и приборостроении, в основном, используют щуповой (контактный) и оптический (бесконтактный) методы. К достоинствам последнего относят отсутствие механического (разрушающего) контакта с контролируемой поверхностью и достаточно высокая точность. Однако необходимость обработки изображения измеряемой поверхности для получения параметров шероховатости по стандарту [5] требует квалифицированных специалистов (операторов). Поэтому актуальны снижение трудоемкости процедуры измерений и повышение информативности оптических приборов при сохранении или улучшении их метрологических характеристик.
В данной статье рассмотрен аппаратно-программный комплекс на базе одного из оптических приборов для измерений параметров шероховатости поверхности — прибора светового сечения МИС-11. Принцип его действия основан на получении изображения профиля поверхности с помощью лучей, направленных наклонно к поверхности. Прибор состоит из осветительного и измерительного микроскопов, расположенных под углом 90° друг к другу в вертикальной плоскости и наклоненных к предметному столику под углом 45°. В поле зрения измерительного микроскопа наблюдается световая полоса с изломами, соответствующими профилю исследуемой поверхности в определенном масштабе. Для получения различных коэффициентов увеличения, а следовательно, для изменения диапазона измерений характеристик микронеровностей, применен набор из четырех парных объективов, установленных в микроскопы. Значения геометрических параметров микронеровностей отсчитывают по шкале окулярного винтового микрометра МОВ-1-15, установленного на микроскопе, с учетом выбранного коэффициента увеличения.
Прибор МИС-11 позволяет измерять параметры средних неровностей (Rz, Rmax в диапазоне 0,5—40 мкм и S, Sm в диапазоне 0,002—2,5 мм), наиболее распространенных в современном машиностроении. Анализ алгоритма работы МИС-11 показал, что его полной автоматизации добиться невозможно. При настройке и измерении контролируемая поверхность должна располагаться определенным образом относительно плоскости оптических осей прибора, что можно обеспечить лишь регулировкой вручную. Кроме того, за выбор участка контролируемой поверхности также отвечает оператор. Поэтому основными задачами разрабатываемого комплекса при обеспечении требуемой точности и удобства эксплуатации являются:
автоматическое запоминание, а затем преобразование изображения в поле зрения микроскопа в функцию, описывающую профиль микронеровностей, создавший это изображение;
обработка полученной функциональной зависимости и вычисление параметров шероховатости, нормируемых стандартами.
Структурная схема комплекса. Для решения поставленных задач предложена следующая схема. Тубус измерительного микроскопа снабжен согласующей оптической насадкой с устройством, регистрирующим изображение в поле зрения окуляра микроскопа и преобразующим его в электрический цифровой сигнал, передаваемый в ПЭВМ по стандартному интерфейсу. Обычно подключение осуществляется по универсальному последовательному порту (USB). В настоящее время устройства регистрации изображения и сопряжения объединяются в одно. Сигнал, содержащий информацию об изображении, обрабатывается с помощью специального программного обеспечения (ПО), промежуточные и окончательные результаты (текущее изображение и вычисленные параметры) отображаются на мониторе. В задачу ПЭВМ также входит управление устройствами сопряжения и регистрации как цифровыми устройствами информационно-измерительной системы, а также их питание.
В современных устройствах регистрации изображений реализован матричный принцип: чувствительные элементы расположены в определенной последовательности и образуют естественную систему координат, в которой происходят измерения [6, 7]. В этом случае измерения выполняют в пикселах, соответствующих чувствительным элементам устройства регистрации, а коэффициенты горизонтального Кг и в ер-тикального Кв увеличений определяют по формулам
Kr = N i; KB = J2 Kr,
где l — измеряемая длина, воспроизводимая шкалой объект-микрометра; N — число пикселов, соответствующих длине l в поле зрения устройства регистрации изображения.
В настоящее время в качестве простых и недорогих устройств регистрации изображений широко используют цифровые камеры [8—12], подключенные к ПЭВМ. Камеру выбирают таким образом, чтобы разрешающая способность комплекса не снизилась по сравнению с МИС-11. При ненапряженном наблюдении средняя острота зрения человеческого глаза составляет 2'. Для этого значения и всех парных объективов, устанавливаемых в микроскопы, были проведены расчеты, показавшие, что разрешение у цифровой камеры должно быть не менее 1212 пикс. В рассматриваемом комплексе применена цифровая камера-окуляр DCM800 (Scopetek, Китай), специально предназначенная для регистрации изображений в оптических приборах, в первую очередь в микроскопах [13].
X а р а к т е р и с т и к и ц и ф р о в о й к а м е р ы-о к у л я р а DCM800
Чувствительный элемент............. 8000000 пикс., 1/2,5" CMOS
Максимальное разрешение (в покое)............ 3264x2448 пикс.
Размер пиксела .............................. 1,75x1,75 мкм
Диаметр поля зрения ............................... 18 мм
Чувствительность.................................. 1,3 В/(лкс)
Спектральный диапазон ......................... 400—650 нм
Тип выхода.............................. USB2.0, 480 Мбит/с
Габаритные размеры.......................... 0 60x100 мм
Программное обеспечение комплекса. В основу ПО положена блочно-модульная структура, при которой последовательно вызываются блоки, соответствующие частным задачам и схеме работы, что очень схоже с работой МИС-11 в режиме фотографирования. Поэтому при разработке ПО принят алгоритм, представленный на рисунке. В качестве исходных данных, которые оператор задает вручную, используется информация об ожидаемой чистоте поверхности и используемых объективах или известный коэффициент Кг. Знание ориентировочной чистоты поверхности позволяет задать базовую длину и число исследуемых базовых длин для определения параметров шероховатости. При этом пользователь может вводить вид обработки или диапазон значений этих параметров (Ra или Rz), определенных приближенно, например, визуальным методом. При работе с комплексом должна быть предусмотрена калибровка (определение коэффициентов Кг, Кв), так как возможно применение сменных объективов. При этом калибровка необязательна при непрерывной работе прибора. Для нахождения указанных коэффициентов принимается следующая страте-
Схема работы ПО комплекса
гия. Определение Кг происходит либо с помощью объект-микрометра, либо по номинальному увеличению с использованием выбранного объектива. При многократных измерениях параметров сходных поверхностей коэффициент Кг не изменяется, поэтому необходимо сохранение его значения в файле данных для дальнейшего использования.
Контролируемый участок поверхности выбирают путем вывода на монитор изображения, находящегося в поле зрения объектива. Это требуется для исключения влияния на результаты измерений локальных непредвиденных дефектов поверхности (сколов, раковин, пор, царапин).
Важнейшие функции разработанного ПО — регистрация поверхности (захват видеоизображения в поле зрения объектива, запоминание его на базовой длине, распознавание точек границы светотени для верхней и (или) нижней линии кромки щели, запоминание координат точек с последующим переводом пикселов в единицы длины — миллиметры) и получение характеристик профиля.
В процессе захвата изображения, применив специальные функции среды программирования, его помещают в двухмерный массив А(/,}), где /,} — индексы, совпадающие с номером пиксела по горизонтали и вертикали, соответственно; А — число, показывающее яркость в данной точке, в пределах 0—255. Диапазон значений /, } зависит от выбранного разрешения устройства регистрации.
Вследствие использования объективов с различным увеличением и отклонений параметров оптической схемы комплекса изображение во входном зрачке микроскопа проектируется не на всю чувствительную поверхность регистратора. Поэтому полезная область изображения занимает лишь часть поля зрения, а область, не содержащая полезной информации, должна быть вырезана. При этом точное опре-
деление границ полезной области не требуется, так как изображение будет подвергаться дальнейшей обработке.
Размеры полезной области находят по минимальным и максимальным значениям вертикальной и горизонтальной координат, яркость I(x, y) которых больше порогового значения 1п. На основании проведенного экспериментального исследования получено значение I ~ 40. В качестве базового метода нахождения минимальных и максимальных значений координат выбран метод последовательного перебора ва
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.