курсовой проект

Растровый метод

Суть данного метода достаточно проста: на исследуемую поверхность накладывается изготовленная из стекла пластинка, на которую нанесена растровая сетка (система равноудалённых параллельных линий) с достаточно малым шагом.

При наклонном падении световых лучей в местах микронеровностей штрихи отраженной сетки накладываются на штрихи реальной – возникают муаровые полосы, свидетельствующие о наличии впадин и выступов на изучаемой поверхности. Точное измерение параметров неровности осуществляется по изложенной в ГОСТ методике с помощью растрового микроскопа.

Стоит отметить, что данный метод используется при исследовании лишь тех поверхностей, следы обработки на которых имеют преимущественное направление.

Методы светового и теневого свечения

Метод светового свечения при измерении параметров неровности применяется наиболее часто и заключается в следующем. Исходящий от источника света световой поток преобразуется в тонкий пучок, проходя через узкую щель. Далее он с помощью объектива под определённым углом направляется на исследуемую поверхность. Отраженный луч снова проходит через объектив и формирует изображение щели в окуляре. Абсолютно ровная поверхность соответствует идеально прямой светящейся линии, шероховатая поверхность – искривлённой.

Теневой метод является «продолжением» светового: на небольшом расстоянии от изучаемой поверхности устанавливается линейка, ребро которой скошено. Пучок света проходит тот же путь, однако, словно ножом срезается ребром. На контролируемой поверхности появляется тень, верхняя часть которой точно повторяет изучаемый профиль. Рассматривая это изображение в микроскоп, делают выводы о характере и параметрах шероховатости.

Микроинтерференционный метод

Для реализации микроинтерференционного метода используют измерительный прибор, в состав которого входит интерферометр и измерительный микроскоп. С помощью первого устройства формируется интерференционная картина исследуемой поверхности с искривлениями полос в местах неровностей. Увеличивающий в разы полученную картину микроскоп позволяет измерить параметры шероховатости.

Метод слепков

Описанный ниже метод используют для оценки шероховатостей труднодоступных поверхностей и поверхностей, имеющих сложную конфигурацию.

Метод слепков заключается в снятии негативных копий (материалом для их изготовления, как правило, служит парафин, гипс или воск) поверхности и их дальнейшем исследовании оптическими или щуповым методами. Иными словами, метод слепков не является самостоятельным методом и используется

11

лишь в сочетании с вышеописанными способами измерения шероховатости поверхности.

Щуповой метод

Щуповой метод измерения шероховатости поверхности относится к контактным и реализуется с помощью профилометра. Прибор представляет собой датчик, оснащённый тонкой остро заточенной алмазной иглой с ощупывающей головкой.

Игла перемещается по нормали к исследуемой поверхности. Естественно, в местах микронеровностей (впадин и выступов) возникают механические колебания относительно головки. Эти колебания передаются на датчик, который преобразует механическую энергию в электрическую. Сигнал, генерируемый преобразователем, усиливается и измеряется: его параметры точно характеризуют неровности поверхности детали или изделия.

В зависимости от типа преобразователя полезных сигналов профилометры подразделяются на индуктивные, электронные, индукционные и пьезоэлектрические, причём наибольшее распространение получили устройства первого вида. Кроме этого, существует ещё одна разновидность приборов – профилографы, позволяющие не только измерить но и записать параметры профиля в заранее подобранном горизонтальном и вертикальном масштабах.

Исследование неровности проводится в несколько этапов: профиль «ощупывается» определённое количество раз, и лишь на основе серии измерений вычисляется окончательное – усредненное – значение параметра: количественная характеристика неровности относительно длины участка.[8] Электрические приборы используют метод ощупывания испытуемой поверхности. Метод ощупывания сводится к перемещению алмазной или сапфировой иглы 1 вдоль металлической поверхности 2. Игла 1 укрепляется в подвижной части 3 преобразователя и вводится в соприкосновение с испытуемой поверхностью под небольшим, по возможности постоянным давлением При перемещении вдоль поверхности (в направлении стрелки б) игла, следуя за неровностями последней, смещается вдоль своей оси (в направлении стрелки а) на высоту шероховатости.

12

Рис. 3. Принцип измерения шероховатости методом ощупывания

Игла прижимается под действием собственного веса подвижной части преобразователя к испытуемой поверхности детали. Подвижная часть с ощупывающей частью совершает возвратно-поступательное перемещение в направлении стрелки а.

Приборы, основанные на методе ощупывания, называются профилометрами или профилографами. Первые позволяют оценить только визуальную высоту шероховатости, вторые дают возможность получить профилограмму поверхности.

Конструкция подвижной части преобразователя с иглой оказывает большое влияние на точность измерения шероховатости. Чем острее игла и чем больше давление на неё. тем выше точность воспроизведения профиля поверхности осевым перемещением иглы Однако при этом на конце иглы возникает весьма большое удельное давление, вызывающее смятие испытуемой поверхности. Чем больше радиус закругления конца иглы, тем больше погрешность в определении высоты неровностей поверхности, а следовательно, тем больше искажения результатов.

К электрическим приборам для измерения шероховатости поверхности относятся пьезоэлектрические, индукционные и индуктивные профилометры.

13

Рис.4. Устройство преобразователя пьезоэлектрического профилометра.

Профилометры пьезоэлектрического типа используют преобразователи из длинных пластинок сегнетовой соли, работающих на изгиб, а также из керамики титаната бария.

Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закругления не более 1.5 мкм. укреплена на конце подвижного коромысла 2. который может вращаться вокруг оси 3. укрепленной в агатовых подшипниках.

Подвижное коромысло находится внутри подвижной трубки 4. свободный конец которой оканчивается башмаком 5. расположенным непосредственно возле иглы, благодаря чему имеет место неизменное давление иглы на поверхность при её перемещении. Это давление не превышает 0.1 Г/мм2, что обеспечивает отсутствие царапин при измерении чистоты поверхности деталей, изготовленных из мягких материалов Подвижное коромысло на другом своём конце несёт “смычёк” 6. связывающий при помощи эластичной ленточки 7 подвижное коромысло со свободным концом пластинок 8 из сегнетовой соли.

Таким образом, при перемещении иглы 1 в вертикальном направлении свободный конец пластинок 8 также перемещается, и пластинки сегнетовой соли изгибаются, благодаря чему возникает заряд на поверхностях пластин Обкладки соединены гибким экранированным проводом 9 с измерительной цепью Трубка 10 подвижной части шарнирно соединена с приводом преобразователя Таким образом, подвижная часть преобразователя свободно опирается на исследуемую поверхность через башмак 5, имеющий радиус закругления, не более 1.5 мкм.

Разность потенциалов, возникающая между обкладками сегнетовой соли и корпусом, усиливается усилителем с общим коэффициентом усиления в несколько десятков тысяч. Входное сопротивление измерительной цепи равно 10 МОм Учитывая, что частота изменения усилия, действующего на

14

пьезоэлектрик, равна примерно 6 Гц. то утечка возникающего заряда будет незначительна.[5]

Классификация пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы

(пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др. Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многие задачи: для измерения механических параметров (усилии, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т.п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят датчики, выполненные на других физических принципах.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму классу пьезодатчиков относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

Пьезодатчики можно классифицировать также по следующим признакам. 1. По применяемому материалу. Датчики из:

- монокристаллических материалов (кварц, ниобат лития и др.); - поликристаллических материалов (пьезокерамики).

2. По виду колебаний:

-по линейному размеру;

-радиальные;

15

-изгибные;

-крутильные;

-сдвиговые;

-на поверхностных акустических волнах;

-комбинированные.

3.По виду физических эффектов: - термочувствительные; - тензочувствительные; - акусточувствительные; - гирочувствительные;

- контактные (использующие контактную жесткость и фактическую площадь контакта) и т.п.; - доменно-диссипативные и др.

4.По количеству пьезоэлементов:

-моноэлементные;

-биморфные (симметричные, асимметричные);

-триморфные и т.д.

5. По назначению:

-для измерения динамических давлений и усилий;

-для измерения линейных ускорений;

-для измерения параметров вибраций;

-для измерения статических давлений и усилий;

-для измерения параметров удара;

-для измерения звукового давления.

-для измерения влажности;

для измерения вязкости; для гидроакустики; для гироскопов; для газоанализаторов;

для измерения температуры; для измерения контактной жесткости;

для измерения фактической площади контакта; для измерения магнитных величин; для измерения в оптике; для измерения микроперемещений;

для измерения концентрации пыли;

вультразвуковой технологии;

вэлектроакустике;

вустройствах автоматики;

всвязи;

вэлектронной технике и радиотехнике;

вмедицине:

-для ультразвуковых томографов;

-для измерения пульса;

16

-для измерения тонов Короткова;

-для урологии;

-для офтальмологии.[6]

Измеритель шероховатости поверхности TR110

Описание:

Модифицированный вариант прибора TR-100 с современным дизайном корпуса;

Большой ЖКИ со светодиодной подсветкой;

Малый размер и привлекательная цена;

Укомплектован защитным чехлом для датчика;

Измерение параметров шероховатости по шкалам Ra, Rz;

Оснащен функцией внешней калибровки с помощью клавиатуры

Соответствует стандартам ISO, DIN;

Литий-ионные аккумуляторы позволяют выполнять перезарядку во время измерений

Технические характеристики:

Измеряемые параметры	Ra,Rz
Диапазон измерений	Ra:	0.05мкм~10.0мкм
	Rz: 0.1мкм~50мкм
Фильтр	Аналоговый резистивно-емкостный
Тип датчика	пьезоэлектрический
Радиус кривизны и угол вершины	Алмазная игла с радиусом: 5±1мкм
щупа	угол:900 (+50 или -100)
Длина оценки, мм	1.25, 4.0, 5.0
Значения отсечек шага, мм	0.25, 0.8, 2.5
Длина трассы сканирования, мм	6
Допускаемая основная погрешность	±15%
Повторяемость	<12%
Степень точности	класс 3
Электропитание	LI-ion батарея	высокого качества
	6В/800mA
Время перезарядки	3 часа
Диапазон рабочих температур	0~400C
Диапазон температур при хранении	От -250C до 600 C
Относительная влажность	<80%
Габариты, мм	110 x 70 x 24
Масса, г	200
		Таблица 1.
		17

Профилометр TR110 – прибор нового поколения из серии приборов оценки тшероховатости поверхности, представленных компанией TIME Group Inc. в 2003 году. Прибор обеспечивает высокую точность в широком диапазоне измерений, он портативен, прост и стабилен в использовании. TR110 широко применяется для определения шероховатости различных металлических и неметаллических поверхностей. Комплексная структура сенсора и основного устройства, а так же удобный для удержания в руках дизайн корпуса делают прибор удобным при проведении исследований на производстве.

Функции TR110:

Новое исполнение прибора в сочетании с усовершенствованным дизайном выгодно отличает TR110 от приборов предыдущего поколения. Изменение логики проведения операций позволило достигнуть большего удобства в использовании. Благодаря литий-йонным аккумуляторам обеспечивается длительная работа с коротким периодом зарядки, на протяжении которого TR 110 так же может функционировать. Усовершенствована схемная функция. Снижено рабочее напряжение и, соответственно, снижен рабочий износ и аппаратный шум.

Улучшено устройство схемы датчика, а так же технология сборки и обработки материалов. Высокая точность сборки позволяет обеспечить более стабильное функционирование прибора. Данные исследования и индикатор низкого заряда батарей выводятся на жидкокристаллический дисплей. Защитный кожух иглы сенсора позволяет оградить ее от повреждений и сохранить точность прибора. Подсветка дисплея дает возможность проводить измерения в местах с плохим освещением. При этом прибор обладает малым весом и размером.

Принцип Работы

18

При запуске игла датчика начинает равномерное линейное движение вдоль тестируемой поверхности. При соприкосновении с рабочей поверхностью игла начинает перемещаться перпендикулярно вверх и вниз. Данные движения трансформируются в электрические сигналы, далее через A/D происходит их усиление, фильтрация и преобразование в сигнал электрический. Сигналы обрабатываются центральным процессором и отображаются на дисплее в виде значений Ra и Rz.

Обозначение частей прибора

Рис 6. Обозначение частей прибора.

1.Игла

2.Защитный кожух иглы сенсора

3.Корпус прибора

4.Левая Клавиша

5.Средняя Клавиша

6.Правая Клавиша

7.Жидкокристаллический дисплей

8.Кнопка Запуска

9.Разъем питания

10.Клавиша перезагрузки

11.Колпачок Отверстия [2]

19

Конструктивные особенности.

Рис 7. Схема измерения параметров шероховатости методом ощупывания

В процессе измерения поверхность детали 1 ощупывается алмазной иглой 3, закрепленной на рычаге 4, колебания которого при помощи механотронного преобразователя МП превращаются в электрические. В измерительной схеме ИС эти сигналы усиливаются, интегрируются по

перемещению	ипередаются на индикатор И,градуированный в
значениях R a	или (без интегрирования) на записывающее устройство ЗП.

Необходимое для измерения перемещение сообщается протяжным механизмом6.При этом корпус преобразователя, шарнирно связанный с этим механизмом, опирается на поверхность детали дополнительной опорой 2,ширина которой достаточна, чтобы не реагировать на микронеровности детали.[6]

20