Модернизация микроинтерферометра МИИ-4

Аннотация

В статье на основе проведенного анализа преимуществ и недостатков микроинтерферометра МИИ-4 предложено направление модернизации данного средства измерений с целью приближения его возможностей к современным аналогам. Апгрейд прибора позволит получать цифровые изображения поверхности и вести их дальнейшую обработку на ЭВМ с вычислением фрактальной размерности.

Полный текст

Оптические измерения шероховатости поверхности имеет ряд преимуществ по сравнению с контактными методами [1]. Наиболее распространенным оптическим средством измерений параметров шероховатости поверхности является микроинтерферометр МИИ-4, разработанный Владимиром Павловичем Линником в 30-х годах прошлого века. На основе проведенного анализа конструкции микроинтерферометра, особенностей его настройки, а также получения и обработки результатов измерений можно выделить следующие преимущества и недостатки прибора (таблица 1). Таблица 1 Преимущества и недостатки микроинтерферометра МИИ-4 Анализируя данные таблицы 1, можно отметить следующее: · прибор МИИ-4 обладает серьезными недостатками, которые не позволяют ему составить адекватную конкуренцию современному оборудованию, предназначенному для оценки качества поверхности; · в конструкции микроинтерферометра заложен потенциал (режим металлографического микроскопа, наличие специального окошка для установки фотокамеры), реализация которого относительно простыми и дешевыми цифровыми методами получения и обработки изображений даст возможность получить модернизированный интерферометр, сравнимый по своим возможностям с последними техническими и программными достижениями в области изучения рельефа поверхности деталей машин. Предлагаются следующие действия по модернизации средства измерений параметров шероховатости поверхности МИИ-4: · использовать прибор в режиме металлографического микроскопа с установленным цифровым фотоаппаратом с ПЗС-матрицей. Получение цифрового изображения поверхности исследуемого образца и отказ от интерференционного метода позволят получить адекватную измерительную информацию; · обработку ПЗС-данных осуществлять на компьютере в специально написанном алгоритме в программе MathCad. Это обеспечит автоматический анализ результатов измерений на ЭВМ, исключит погрешность оператора, а также даст возможность вычислить дополнительные стандартизованные и не стандартизованные параметры шероховатости поверхности. Причем компьютерную обработку можно осуществлять дистанционно путем анализа заранее полученных снимков. Конструкция микроинтерферометра МИИ-4 предусматривает три варианта установки фотоаппарата с ПЗС-матрицей: 1) в кадровое окно, которое предназначено для размещения пленочного фотоаппарата «Зоркий-4»; 2) на визуальный тубус, который служит для установки винтового окулярного микрометра; 3) на винтовой окулярный микрометр. Рисунок 1. Установка фотоаппарата с ПЗС-матрицей на винтовой окулярный микрометр микроинтерферометра МИИ-4: 1 – фотоаппарат с ПЗС-матрицей; 2 – винтовой окулярный микрометр Рисунок 2. Окулярная ПЗС-камера В качества наиболее удачного варианта выбрана установка на окулярный микрометр (рисунок 1). В этом случае достигается максимальное качество полученных снимков, так как оптика микрометра увеличивает исследуемую поверхность в 490 раз. При монтаже цифрового фотоаппарата на другие детали прибора степень увеличения снижается, а также возникают трудности в установки и закреплении фототехники.Идеей реализации оценки качества поверхности по ее цифровой фотографии послужила работа [7], в которой предлагается использовать для определения шероховатости поверхности не сам образец, а его изображение, введенное в ЭВМ при помощи планшетного сканера и обработанное в программном комплексе MathCad. В этой программе по написанному алгоритму строится профиль поверхности и определяются значения стандартизированных параметров шероховатости. Данный подход обладает невысокой точностью в силу низкого разрешения используемого сканера Mustek ScanExpress 12000 SP. Замена сканера на винтовой окуляр (МОВ-1-15) с увеличением в 490 раз, на который устанавливается ПЗС-матрица, дает более высокоточного основу для вычисления геометрических параметров профиля поверхности в программной среде MathCad. Кроме того, особенности размещения детали на отмеченном сканере далают затруднительным исследование поверхности в труднодоступном месте (например, на фаске). Дальнейшие направления модернизации микроинтерферометра МИИ-4 следующие: · использование предметного столика, управляемого компьютером, для более точного позиционирования объекта измерения; · замена ПЗС-матрицы на специальную окулярную ПСЗ-камеру (рисунок 2), что повысит качество получаемых снимков поверхностного слоя; · доработка алгоритма с целью расширения определения оценочных геометрических параметров шероховатости поверхности. Стоит отметить, что предложенный вариант модернизации прибора, включающий оцифровку изображения исследуемой поверхности и последующую его компьютерную обработку, открывает широкие возможности по применению современного метода исследования структур – фрактального анализа [2, 3, 5]. По результатам ряда исследований [5, 8, 9], такая численная характеристика, как фрактальная размерность, наилучшим образом описывает свойства поверхности, сформированной современными методами обработки (например, полученной размерной элекрохимической обработкой [4, 6]). В связи с этим, еще одно направление дальнейшего развития предлагаемого варианта ретрофитинга МИИ-4 заключается в разработке программного продукта, предназначенного для фрактального анализа цифровых изображений исследуемой поверхности или в применении готовых решений (например, [1, 3]). Выводы 1. Прибор для оптических измерений параметров шероховатости поверхности интерферометр МИИ-4 в силу своих недостатков не способен составить конкуренцию современным аналогичным решениям. 2. Заложенный в конструкцию микроинтерферометра потенциал позволяет провести его модернизацию и тем самым получить средство измерений параметров шероховатости, позволяющее на современном техническом уровне проводить исследования рельефа поверхности. 3. Возможным направлением модернизации МИИ-4 может быть комплексное применение ПЗС-матрицы (цифрового фотоаппарата) и специального программного обеспечения (программы MathCad), позволяющее выполнить компьютерную математическую обработку цифрового изображения поверхности образца. 4. Наиболее удачным размещением ПЗС-матрицы является установка на винтовой окулярный микрометра. В этом случае достигается наилучшее качество получаемых снимков исследуемой поверхности. 5. В качестве программного продукта, способного по цифровому изображению поверхности построить профилограмму и вычислить параметры шероховатой поверхности, можно использовать программу MathCad. 6. Предложенные шаги по модернизации микроинтерферометра МИИ-4 позволят повысить точность измерений и выйти на новые оценочные параметры характеристик поверхности. 7. Намечены дальнейшие направления модернизации микроинтерферометра МИИ-4, реализация которых повысит точность позиционирования объекта измерения и улучшит качество получаемых цифровых изображений поверхностного слоя, а также обеспечит оценку свойств поверхности по значениям фрактальной размерности.