Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.179.118.2

Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев

В. А. Валетов, Е. А. Филимонова

Один из важнейших способов повышения качества изделий — это оптимизация микрогеометрии поверхностей. Если путем экспериментальных исследований или на основании предыдущего опыта получена лучшая из возможных микрогеометрия для данного функционального свойства, то ее воспроизведение для серийной продукции возможно только при полном, то есть точном, описании (нормировании). Однако известно, что полное описания профиля как реализации случайной функции требует задания от 3 до 25 параметров [1], что делает задачу оптимизации практически невозможной. Для решения проблемы оптимизации было предложено использовать так называемые непараметрические критерии, а именно графические изображения различных функций: в простейшем случае это графики функции распределения ординат и тангенсов углов наклона или кривая Аббота, в более сложных случаях — функции плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля. Предельный случай — использование в качестве критериев графических изображений профиля и микротопографии поверхностей, но для этого необходимо создать программное обеспечение для сравнения изображений профилей и ми-кротопографий поверхности [2-4]. Отдельные

непараметрические критерии (кривые Аббота и функция плотности распределения ординат) предусмотрены программным обеспечением современных серийных приборов, однако их можно использовать только для качественной визуальной оценки структуры профиля.

Для автоматизации процесса контроля микрогеометрии с помощью непараметрических критериев было создано программное обеспечение в среде Microsoft Visual Studio 2008 [5]. Данный программный продукт состоит из четырех модулей:

• Модуль подсчета параметров шероховатости (ГОСТ 2789-73): рассчитываются следующие параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, наибольшая высота профиля Rmax, среднеквадратичное отклонение профиля Rq, средний шаг местных выступов профиля S, средний шаг неровностей профиля Sm и кривая Аббота (рис. 1). Помимо указанных критериев оценки микрогеометрии на графике также строятся средняя линия, линия выступов и линия впадин. Средняя линия высчитывает-ся методом наименьших квадратов.

• Модуль подсчета непараметрических критериев оценки микрогеометрии (рис. 2): функции плотности и функции распределе-

б) Y, мкм 20

15

10

5

0

-5

-10

-15 0

1000

2000

3000

4000

5000

Tp, %

а)г 100 80 60 40 20

0

L, мкм

10 20 30 40 50 60

70 80 90 100 p, %

Рис. 1. Критерии оценки шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73: а — исходный профиль поверхности, полученной на профилометре; б — относительная опорная длина профиля:

У — высота профиля; Ь — длина профиля; Тр — относительная опорная длина профиля, где р — значения уровня сечений

профиля; рассчитанные параметрические критерии: Ra = 3,55 мкм; Rz = 19,19 мкм; Rm параметры: S = 31,31 мкм; Sm = 192,3 мкм

: 20,07 мкм; Rq = 4,53 мкм; шаговые

МЕТ Ш М БРАЩКА

а) Н, шт. 4000 г

3000

2000

1000

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05

0,00 -0,05 У, мм

в) Н, шт.

3000 г

2500 -

2000 -

1500 -

1000 -

500 0 -

-0,05

0,00

0,05

0,10

tg а

б) Ж 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

г) цг 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 -0,05

У, мм

-0,05

0,00

0,05

0,10 tg а

Рис. 2. Модуль подсчета непараметрических критериев оценки микрогеометрии: а — плотность распределения ординат; б — функция распределения ординат; в — плотность распределения тангенсов углов наклона профиля; г — функция распределения тангенсов углов наклона профиля:

Н — частость (количество точек профиля, имеющие данную высоту); У — высота профиля; Ж — вероятность; tg а — тангенсы углов наклона профиля

0

ния ординат профиля, функции плотности и функции распределения тангенсов углов наклона профиля. Для функций плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля (рис. 3, а, в) пунктирной линией показано среднее значение графиков.

• Модуль фильтрации профиля с помощью преобразовании Фурье. После прямого преобразования Фурье профиля мы получим его амплитудный спектр (рис. 3). Установлено,

что самая низкочастотная гармоника содержит информацию об отклонениях формы поверхности. К этой же категории относится перекос контролируемой поверхности при ее установке на столе прибора. Вторая и третья гармоники содержат информацию о волнистости. Падающая часть спектра содержит информацию о шероховатости поверхности, а незатухающая высокочастотная часть спектра — о помехах [4, 6]. Исключив из ампли-

а)

У, мкм 25 20 15 10 5 0 -5 -10

0

1000

2000

3000

б) А/2 • 10-3, мкм 50

40 30 20 10

4000 Ь, мкм

1,0

1пМН1п11к

-1Пп1пПППппппппПпп,1пп1

|ППпПППп.ППпПг.ппПП*ппПппппПпп11ппП.пПп.1ппппппппп..

21,0

41,0

61,0

81,0

101,0 /

Рис. 3. Профиль поверхности (а) и его амплитудный спектр (б) до преобразований Фурье: 1 — профиль поверхности; 2 — средняя линия; параметрические критерии: Яа = 2,62 мкм; Яг = 14,66 мкм; Ятах = 16,79 мкм; Яч = 3,35 мкм; шаговые параметры: 5 = 5,44 мкм; Бт = 113,47 мкм

0

а)

У, мкм 15

10 5 0 -5 -10 -15

б) А/2 • 10-3, мкм 12

10 8 6 4 2

1000

2000

3000

4000 Ь, мкм

101,0 /

Рис. 4. Профиль поверхности (а) и его амплитудный спектр (б) после преобразований Фурье:

1 — профиль поверхности; 2 — средняя линия; параметрические критерии: Яа = 2,32 мкм; Яг = 11,54 мкм; Ятах = 15,17 мкм; = 4,34 мкм; шаговые параметры: 5 = 4,34 мкм; Бт = 109,13 мкм

тудного спектра ненужные гармоники и сделав обратное преобразование Фурье, мы получим профиль, в котором присутствует только необходимая информация о профиле. После этого мы убираем ненужные гармоники (в данном случае убираем самую низкочастотную гармонику для удаления отклонения формы, а также высокочастотные гармоники, отвечающие за помехи) из амплитудного спектра, и получаем отфильтрованный профиль (рис. 4).

В данном модуле мы можем убрать гармоники из амплитудного спектра и тут же посмотреть изменение профиля после фильтрации по сравнению с первоначальным. Для удобства созданы кнопка для исключения отклонения формы и кнопка для возврата профиля в первоначальное, неотфильтрованное состояние.

• Модуль сравнения профилей с эталоном с помощью непараметрических критериев (рис. 5). Пользователь выбирает образец, микрогеометрия которого после испытаний была признана лучшей из возможных для данного функционального свойства, и непараметрические критерии для данного образца

принимаются в качестве эталона. Для каждого эталонного графика строится допустимая зона его отклонений, величина которой задается пользователем в зависимости от уровня требований к выпускаемой продукции. При контроле серийной продукции с ее поверхности снимаются профили, строятся непараметрические критерии в том же масштабе, что и критерии эталонного образца, и путем их наложения устанавливается факт совпадения с допуском или факт выхода за его пределы у контролируемой поверхности.

Значение допуска можно задавать программно (в процентах), а также выбирать формулу, по которой будет рассчитан допуск. Также есть возможность показывать только нужные для сравнения графики. Например, можно открыть 10 профилей и сравнивать по очереди каждый из них с эталоном. Благодаря такому способу можно избежать нагромождения графиков. Возможно сравнение до 14 профилей одновременно.

Данный программный продукт был применен для оценки микрогеометрии поверхностей, полученных с профилографа-профило-

а) н

0,35

-0,6 -0,4

0,4 гё а

б) W 1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,00

0,4 гё а

Рис. 5. Сравнение профиля с эталоном по функции плотности распределения и функции распределения тангенсов углов наклона: а — плотность распределения тангенсов углов наклона профиля; б — функция распределения тангенсов углов наклона профиля: 1 — эталон с полем допуска; 2 — контролируемая поверхность

0

ИпЛООБШТКА

a) Н 0,35

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2

0,6 tg а

б) H 0,34

-0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 tg а

Рис. 6. Изменение микрорельефа поверхностей в процессе их трения-скольжения по критерию графического изображения плотности распределения тангенсов углов наклона профиля: а — плотность распределения тангенсов; б — увеличенная верхняя часть плотности распределения тангенсов;

1 — первый цикл; 2 — второй цикл; 3 — третий цикл; 4 — четвертый цикл; 5 — пятый цикл; 6 — шестой цикл; Н — част-тость; tg а — тангенсы углов наклона профиля

метра Hommel Tester T8000 фирмы Hommel werke (в формате ASCII) и информационно-вычислительного комплекса «Профиль» (в формате Excel). Была проверена гипотеза о циклическом характере изменения микрорельефа поверхностей трения-скольжения. Испытаниям подвергались фрезерованные образцы, изготовленные из стали 20, длительность одного цикла — 1 мин. Результаты этого исследования приведены на рис. 6.

В итоге применение данного программного продукта позволило сделать выводы о непрерывной изменяемости микрогеометрии трущихся поверхностей и об определенной закономерности этого изменения. Изменение плотности распределения тангенсов углов наклона профиля по вертикали (вверх-вниз и обратно) означает циклическое изменение микрорельефа, в данном случае — переход от островершинного к платообразному и обратно. Это подтвердило гипотезу о циклическом характере микрогеометрии поверхностей в процессе их трения-скольжения [7] и факт несостоятельности так называемой равновесной, то есть неизменной, микрогеометрии трущихся поверхностей после их приработки.

Преимущества программы:

• аналогов программы для автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей по непараметрическим критериям не известно;

• исходные данные могут быть в двух форматах: ASCII и файлы Excel.

Ограничение программы — невозможен контроль микрогеометрии по графическим изображениям профилей и микротопографий поверхностей.

Созданное программное обеспечение позволяет реально оптимизировать микрогеоме-

трии функциональных поверхностей изделий с минимальными затратами времени независимо от существующих стандартов. В дальнейшем планируется создание базы данных о взаимосвязи непараметрических критериев с видами и режимами обработки поверхностей и переход к нормированию микрогеометрии не по критериям ее оценки, а по функциональным свойствам поверхности. Применение данного программного продукта на предприятии позволит повысить качество за счет оптимизации микрогеометрии их функциональных поверхностей.

Литература

1. Валетов В. А. Возможные критерии оценки шероховатости обработанных поверхностей // Труды Ленингр. кораблестроит. ин-та. 1976. Вып. 108. С. 135-140.

2. Валетов В. А., Иванов А. Ю. Непараметрический подход к оценке качества изделий // Металлообработка. 2010. № 6. С. 55-59.

3. Валетов В. А. Целесообразность изменения стандарта на шероховатость поверхностей деталей // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. № 6. СПб.: СЗПИ, 1997. С. 118-121.

4. Валетов В. А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении: Уч. пос. Л.: ЛИТМО, 1989. 100 с.

5. Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев // Реестр программ для ЭВМ 18.05.2011. Регистр. № 2011613843.

6. Using FFTW in C# // Sloan Digital Sky Survey: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sdss. jhu.edu/~tamas/bytes/fftwcsharp.html.

7. Валетов В. А. Изменение микрогеометрии поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей в процессе их работы // Трение и износ. 1983. Т. 4, № 6. С. 1104-1107.