Modernization of microinterferometer MII-4

Abstract

The article offers upgrading of microinterferometer MII-4 with the aim of bringing its capacity to modern analogues based on the analysis of advantages and disadvantages. The upgrade of the device will allow to receive digital images of the surface and keep them for further processing on a computer with the calculation of the fractal dimension.

Full Text

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.