ИЗМЕРИТЕЛЬ ШЕРОХОВАТОСТИ
ROUGHNESS METRE

Изобретение относится к области измерения неровностей поверхностей, в частности к устройствам для измерения шероховатости различных поверхностей.
Известен измеритель шероховатости цилиндрической поверхности изделий [1], в котором исследуемое изделие вращают относительно его оси симметрии с заданной окружной скоростью, а наконечник измерительного преобразователя, совершая возвратно-поступательное перемещение, снимает показания шероховатости поверхности.
Недостатком этого измерителя является то, что он контактный, используется для определения шероховатости только цилиндрических деталей, требует обязательного их вращения с определенной скоростью на специальном оборудовании, требует снятия детали с изделия.
Известно устройство определения шероховатости валов и цилиндров [2], в котором на нагретую контролируемую поверхность накладывают измерительный сегмент из другого материала, не имеющий такую же чистоту поверхности. Сегмент соединен с термопарами и измерительным прибором. От нагретого вала тепловой поток передается сегменту через зазор между ними, нагревая этот сегмент. Если чистота (шероховатость) контролируемой поверхности соответствует чистоте поверхности сегмента, то нагрев последнего происходит за определенное время, если не соответствует, то время нагрева будет иным.
Недостатком этого устройства является низкая точность определения шероховатости, необходимость нагрева контролируемой детали и остановка технологического процесса.
Наиболее близким техническим решением является устройство измерения шероховатости поверхности оптическим методом [3], в котором на контролируемую поверхность изделия проецируется узкий пучок света от источника через щель. На поверхности образуется освещенная полоса, представляющая собой след пересечения профиля плоскостью светового потока. Лучи, отраженные от выступов и впадин профиля, смещаются на окулярной сетке относительно друг друга. Величина смещения зависит от высоты неровностей. Совмещая линии, нанесенные на сетке окуляра-микрометра, с выступами и впадинами профиля контролируемой поверхности, определяется шероховатость поверхности.
Двойной микроскоп [3], ИМС-11, являющийся этим устройством, состоит из осветительного тубуса и микроскопа, закрепленных в корпусе. Измерение проводят окулярным микрометром.
Недостатком микроскопа ИМС-11 является то, что с его помощью можно определять шероховатость поверхности небольших, по размеру, деталей и, естественно, с разборкой изделия. Кроме того, сам двойной микроскоп имеет довольно сложную и массивную конструкцию и неудобен для применения в полевых условиях.
Задачей изобретения является разработка устройства определения шероховатости поверхности, которое должно быть компактным и позволяло бы определять шероховатость в любых условиях, в том числе и полевых, с разборкой или без разборки изделия.
Технический результат изобретения достигается тем, что в измерителе шероховатости, содержащем излучатель света и фотоприемник отраженного сигнала, в качестве излучателя света применен лазер, при этом измеритель дополнительно содержит устройства расфокусировки падающего на проверяемую поверхность детали луча и фокусировки отраженного этой поверхностью потока: в качестве фотоприемника отраженного потока применен фотодиод; усилитель сигнала от фотодиода; компаратор, сравнивающий поступающее на него напряжение с усилителя с линейно изменяющимся напряжением генератора и формирующий импульс напряжения; схема «И», кодирующая поступающий на нее с компаратора импульс в пачку коротких импульсов генератора образцовой частоты; двоичный счетчик импульсов, подсчитывающий число импульсов в пачке; дешифратор импульсов; устройство памяти эталонных кодов, где заранее записываются значения сигналов от известных эталонов шероховатости; цифровое устройство сравнения, осуществляющее сравнение полученного с контролируемой поверхности детали сигнала с эталонными сигналами; устройство индикации, где высвечивается величина шероховатости контролируемой поверхности детали, причем сформированный в фотодиоде сигнал поступает в усилитель, с выхода усилителя - на вход компаратора, а с выхода компаратора - на схему «И», затем на вход двоичного счетчика импульсов, далее - на вход дешифратора, с выхода дешифратора - на вход цифрового устройства сравнения, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов, а с выхода устройства сравнения - на вход устройства индикации.
На поверхность контролируемой детали падает расфокусированный поток излучения от любого источника, например от лазера, любого диапазона и любой интенсивности, в частности малой. Контролируемая поверхность поглощает часть энергии падающего потока, а оставшуюся часть отражает, которая фокусируется и попадает в фотоэлектрический приемник, в частности фотодиод, сравнивается с эталонной величиной отраженного потока, заранее полученного с эталонных образцов шероховатости для используемого источника облучения поверхности контролируемой детали. В фотодиоде отраженный поток превращается в сигнал в виде электрического напряжения или тока. В зависимости от шероховатости поверхности будет изменяться и интенсивность отраженного потока, а следовательно, и величина сигнала, образуемого в фотодиоде: чем выше класс чистоты, т.е. меньше шероховатость поверхности, тем больше, по величине, будет отраженный поток и выше величина сигнала, образуемого фотодиодом.
При сравнении сигнала с фотодиода с эталонными сигналами какой-то эталонный сигнал будет равен (или наиболее близок) полученному сигналу. Это и будет соответствовать определенной шероховатости.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются:
- наличие расфокусирующей и фокусирующей систем;
- фотоприемник, например фотодиод;
- блок обработки сигналов от фотоприемника;
- связи между элементами.
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: возможность создания компактного устройства, которое можно использовать в любых условиях, в том числе и полевых, как с разборкой изделия, так и без разборки (в рабочем положении).
На фиг.1 приведены схема определения шероховатости поверхности и структурная схема измерителя шероховатости, на фиг.2 - формирование сигналов в элементах блока обработки отраженного от контролируемой поверхности светового потока
В предлагаемом устройстве (фиг.1) используется источник излучения, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линза 2, исследуемая поверхность детали 8, фокусирующее устройство, например линза 3, приемник отраженного сигнала, например фотодиод 4.
Так как шероховатость поверхности определяется размерами выступов и впадин, имеющих неодинаковую величину, поэтому осуществляется расфокусировка падающего на контролируемую поверхность луча, чтобы усреднить отраженную часть этого луча с какой-то площади поверхности. Каждый выступ на поверхности детали и каждая впадина будут отражать падающий луч индивидуально. Однако, если взять определенную площадь контролируемой поверхности (площадь пятна падающего луча), то ее отражательная способность будет определять отражательную способность всей исследуемой поверхности. В данном случае делают выборку из всей совокупности, где вся контролируемая поверхность есть исследуемая совокупность выступов и впадин, а площадь падающего на поверхность луча - выборка из этой совокупности. Поэтому падающий луч не фокусируется, а расфокусируется. И, наоборот, чтобы собрать фотоприемником как можно больше энергии отраженного от контролируемой поверхности потока, отраженный луч фокусируется на фотоприемнике, например фотодиоде, в котором, под действием этого луча, появляется сигнал в виде электрического напряжения или тока. Чем выше класс чистоты (меньше шероховатость) поверхности, тем больше по величине будет отраженный поток и возникающий в фотоприемнике сигнал.
Полученный от отраженного луча в фотоприемнике сигнал сравнивается с эталонными сигналами, полученными заранее от поверхностей с известной шероховатостью, и с которым из них совпадет по величине, такую шероховатость и будет иметь проверяемая поверхность.
Измеритель шероховатости (фиг.1) содержит световой излучатель, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линзу 2, фокусирующее устройство, например линзу 3, фотоприемник 4, например фотодиод, фотоусилитель 5, компаратор 6, схему «И» 7, контролируемую поверхность детали 8, генератор линейно изменяющегося напряжения 9, генератор импульсов образцовой частоты 10, двоичный счетчик импульсов 11, дешифратор 12, устройство памяти эталонных кодов 14, устройство сравнения 13 (цифровое), устройство индикации 15.
Измеритель шероховатости работает следующим образом.
Излучатель 1, в частности лазер, образует падающий луч и направляет его на расфокусирующее устройство 2, например линзу (если лазерный луч расфокусирован, то устройства 2 не требуется). Затем лазерный (или любой другой) луч падает на контролируемую поверхность детали 8 под любым углом, обеспечивающим отражение части падающего излучения. С площади падающего на поверхность луча происходит отражение части энергии этого луча (форма сечения отраженного луча повторяет форму пятна падающего на поверхность луча, будь то эллипсовидная или любая другая).
Энергия отраженного потока может быть очень малой, источник излучения 1 может представлять из себя световой источник с очень слабой энергией, с рассеиванием в пространстве. Поэтому на пути отраженного потока устанавливается фокусирующее устройство 3, обеспечивающее сбор рассеянной в отраженном луче энергии в фокусе, где располагается фотоприемник 4, например фотодиод. Однако и в этом случае величина образующегося под действием энергии этого отраженного и сфокусированного светового потока электрического напряжения (или тока) может оказаться небольшой, поэтому после фотоприемника в измерителе шероховатости установлен усилитель 5 этого напряжения (или тока), обеспечивающий работу всех последующих за ним элементов устройства.
x
x
1
x
2
3
В предлагаемом измерителе шероховатости используется принцип действия времяимпульсного преобразования, основанного на преобразовании значения измеряемого напряжения U с выхода усилителя 5 во временной интервал, с последующим кодированием этого интервала методом последовательного счета в пачку импульсов. Значение напряжения U посредством сравнения его компаратором 6 с линейно изменяющимся напряжением U генератора 9 (см. фиг.2, наклонная прямая; горизонтальная прямая - это U) преобразуется в импульс напряжения U длительностью Δt, который поступает на схему «И» 7, где кодируется в пачку коротких импульсов генератора 10 импульсов образцовой частоты U. Подсчет числа импульсов «n» в пачке осуществляется в двоичном счетчике импульсов 11, куда со схемы «И» 7 поступает сигнал U4
1
где С - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения U(t), т.е. U в генераторе линейно изменяющегося напряжения 9;
0
0
3
Т, f - период и частота выходного напряжения U генератора импульсов образцовой частоты 10.
x
x
Из уравнения видно, что число импульсов «n» пропорционально напряжению U с усилителя 5. Выбирая коэффициент пропорциональности  (m - целое число), можно получить показания значений напряжения U в требуемых единицах измерения (В, мВ и т.д.). Затем в дешифраторе 12 этот сигнал дешифрируется и поступает в устройство сравнения (цифровое) 13, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов (заранее сняты с эталонов шероховатости). Сравнивая эти сигналы, и когда сигнал с дешифратора 12 сравняется (или будет близок) к одному из эталонных сигналов с устройства памяти эталонных кодов, то с выхода устройства сравнения 13 на устройство индикации 15 подается сигнал в виде номера класса чистоты (шероховатости), например «5» - высвечивается на индикаторе.
Использование заявляемого изобретения позволяет расширить номенклатуру проверяемых деталей (можно проверять поверхность деталей любого размера), улучшает условия работы и повышает производительность труда, дает возможность создания малогабаритного и легкого измерителя шероховатости, который можно было бы использовать в любых условиях, в том числе и в полевых, с разборкой и без разборки изделий (в рабочем положении).
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №11104356, кл. G01В 5/28, опубл. 29.09.1982 г.
2. Авторское свидетельство СССР №1608419, кл. G01В 5/28, опубл. 29.11.1988 г.
3. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения. - М.: Машиностроение, 1980. - С.180-183.