WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Поскольку, при фиксированной интенсивности падающего излучения, интенсивность рассеянного излучения однозначно зависит от коэффициента отражения, полученные результаты свидетельствуют о том, что одномерно шероховатая поверхность не эквивалентна приближенно одномерно шероховатой поверхности по коэффициенту отражения. По этой причине существующая теория рассеяния излучения на одномерно шероховатой поверхности не позволяет удовлетворительно оценить коэффициент отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности и соответственно абсолютное значение интенсивности излучения, отраженного этой поверхностью.

В данной главе выводится соотношение, позволяющее оценить коэффициент отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности в пределах дифракционного телесного угла в направлении зеркального отражения при нормальном падении, а также проверяется согласие коэффициентов отражения приближенно одномерно шероховатых стальных образцов, рассчитанных по полученному соотношению и определенных экспериментальным путем.

В разработанной модели предполагается, что приближенно одномерно шероховатая поверхность, описываемая двумерной функцией f(х,у), состоит из 2N+одномерно шероховатых поверхностей i(х,у), неравномерно распределенных по углам i наклона, определяемым как углы между плоскостью падения (XOZ-плоскость) и нормалями к средним поверхностям fic(x,у) одномерно шероховатых поверхностей i(х,у):

N f(x, y) (x, y) (2) i i N N (x, y) i df(x, y) tg(i )dy (3) x iN здесь i и -i - индексы одномерно шероховатых поверхностей, имеющие углы наклона, одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку, df(x,у) - полный дифференциал f(х,у), i(x) - профиль одномерно шероховатой поверхности с углом наклона i.

Заметим, что i=0 соответствует одномерно шероховатой поверхности, средняя уровень которой лежит в плоскости z=0.

Также полагается, что одномерно шероховатые поверхности являются статистически независимыми и мощность Ризлучения, падающего на приближенно одномерно шероховатую поверхность, равномерно распределяется между ними.

Полагая, что модность излучения, рассеянного вне плоскости падения, сосредоточена в пределах угла, приближенно одномерно шероховатую поверхность можно рассматривать как совокупность / одномерно шероховатых поверхностей.

* a Оценка коэффициента отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности, являющейся совокупностью одномерно шероховатых поверхностей, неравномерно распределенных по углам наклона, описывается соотношением * a g *, (4) где - отношение мощности излучения, рассеянного одномерно шероховатыми поверхностями, неравномерно распределенными по углам наклона, к мощности излучения, рассеянного одномерно шероховатыми поверхностями, равномерно распределенными по углам наклона, g=1,045, - дифракционный угол [град], - коэффициент отражения * одномерно шероховатой поверхности, определяемый отношением средней мощности излучения, рассеянного одномерно шероховатой поверхностью в дифракционный телесный угол в зеркальном направлении к полной мощности излучения, отраженного гладкой поверхностью.

Адекватность модели проверена экспериментально.

Для этого исследовались два плоских приближенно одномерно шероховатых стальных образца, отшлифованных в одном направлении. Статистические характеристики образцов определялись в направлении, перпендикулярном направлению шлифования, с помощью контактного профилометра Form Talysurf с радиусом наконечника иглы 2 мкм.

Функции распределения высот микронеровностей обоих образцов с достаточной степенью точности описывались гауссовыми функциями с величинами, равными 0,5 и 1,3 мкм для образцов №1 и №2 соответственно. Форма автокорреляционных функций микронеровностей была близка к экспоненциальной, и интервалы корреляции по уровняю 1/е для образцов №1 и №2 составляли соответственно 7 и 15,мкм.

Измерения проводились с помощью фотометра, блоксхема которого приведена на рис.1.

Направление микронеровностей (направление шлифования) поверхности образцов было перпендикулярно плоскости падения (XOZ-плоскость). Фотометр также использовался для определения углового распределения мощности P(y) излучения, рассеянного образцами в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (вне плоскости падения), где y - угол рассеяния вне плоскости падения.

Исследуемые образцы 2 диафрагмировались маской 3 с квадратным отверстием со сторонами 2L, равными 1 мм.

Образцы освещались S-поляризованным лазерным излучением с длиной волны X = 0.6328 мкм. Угол падения составлял 4°.

1 - лазер, 2 - образец, 3 — маска, 4 — прямоугольная диафрагма, 5 - линза, 6 — фотоприемник, 7 - аналогоцифровой преобразователь, 8 - компьютер.

Рисунок 1 - Блок-схема фотометра Диаметр лазерного пучка на поверхности образцов составил около 15 мм. Применительно к условиям эксперимента поверхности стальных образцов были очень шероховатыми, поскольку величина [4cos(4°)/]2 была около 100 и 650 для образцов №1 и №2 соответственно.

Излучение, рассеянное образцом 2, проходило через прямоугольную диафрагму 4 и направлялось линзой 5 на фотоприемник 6. Аналоговые сигналы фотоприемника оцифровывались аналого-цифровым преобразователем 7 и обрабатывались с помощью компьютера 8. Диафрагма 4, имеющая угловые размеры =1,4° в плоскости падения и =0,107° вне плоскости падения, перемещалась вместе с линзой 5 и фотоприемником 6 в направлении, перпендикулярном плоскости падения, в интервале углов y от -1,18° до 1,18° с шагом 0,107°. Таким образом измерялось угловое распределение мощности P(yi), где yi - угловое положение прямоугольной диафрагмы вне плоскости падения.

Относительная погрешность измерения мощности изучения не превышала 0,5%.

На рис.2 приведены графики распределений относительной интенсивности (yi) излучения, отраженного образцами №1 и №2, построенных на основе соотношения (5):

P(yi ) /( ) (yi ), (5) q ) P(yi iгде - средняя интенсивность излучения в P(yi ) /() пределах диафрагмы 4 при угле yi, - плоский угол вне плоскости падения, в пределах которого заключено 95% мощности рассеянного излучения [град], q=/.

Рисунок 2 - Распределения относительной интенсивности излучения, рассеянного образцами № 1 (сплошная линия) и № 2 (штриховая линия) вне плоскости падения Для образца №1 угол составлял 1,4°, а для образца №2 - 1.5°.

Как видно из рисунок 2, интенсивность рассеянного излучения быстро спадает с увеличением |yi|, и относительная интенсивность (yi=0) равна 3,09 и 2,77 для образцов №1 и №2 соответственно.

В плоскости падения интенсивность рассеянного излучения спадала плавно с увеличением угла |xi-4°|, причем в диапазоне углов |xi-4°| < 2° изменения интенсивности излучения были очень малы для обоих образцов и находились в пределах погрешности измерений.

Величина мощности Pa оценивалась в пределах дифракционного телесного угла, образованного плоскими углами =/L в плоскости падения и вне плоскости падения, при y=0. Полная мощность Р оценивалась по мощности излучения, отраженного слабошероховатым стальным образцом №3 с =0.01 мкм. При этом вводилась поправка, учитывающая влияние микронеровностей образца №3 на оценку величины Р. Отражающая поверхность образца №была квадратной со сторонами 2L = 1 мм, и измерения мощности отраженного излучения проводились без диафрагмы 4 при неподвижных линзе 5 и фотоприемнике 6. По результатам измерений коэффициенты отражения образцов № * a и №2 составили соответственно 3,15x10-4 и 1,36x10-4, что удовлетворительно согласуется с теоретическими значениями 2,65х10-4 и 0,94х10-4, приведенными ранее.

С учетом экспериментально определенных и автокорреляционной функции шероховатой поверхности, значения, составили 1,59х10-3 для образца №1 и 6,7х10- * для образца №2. Эти значения в 5 раз превышают коэффициенты отражения приближенно одномерно шероховатых стальных образцов, определенные экспериментально.

Получено соотношение, позволяющее оценить коэффициент отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности, представляемой совокупностью одномерно шероховатых поверхностей, распределенных неравномерно по углам наклона. Коэффициенты отражения стальных образцов, рассчитанные по полученному соотношению, отличались от экспериментальных значений не более чем на 30%. Это указывает на лучшее соответствие модели приближенно одномерной поверхности и поведения реальной поверхности. Классическая модель одномерной модели дает нам отличие в 500%. Показана возможность определения, входящих в полученное соотношение, по данным профилометрических измерений приближенно одномерно шероховатой поверхности, выполненных поперек и вдоль направления микронеровностей.

Третья глава посвящена аспектам разработки прибора контроля шероховатости.

Произведен анализ требований к параметрам процесса контроля шероховатости различных технологических процессов. В результате выработан оптимальный с точки зрения отношения затрат/эффективности, список ограничений параметров:

1. диапазон измерения Ra: от 0,01 до 0,50 мкм;

2. приведенная погрешность: не более 10%;

3. продолжительность однократного измерения: менее 1 сек;

4. расстояние до контролируемой поверхности: менее 40 мм;

5. радиус кривизны контролируемой поверхности: менее мм;

6. диаметр зоны контроля на поверхности изделия: менее мм;

7. габаритные размеры измерительного блока: 60х50х30 мм;

8. масса измерительного блока: не более 0,2 кг.

Для управления прибором был сформирован и описан пользовательский интерфейс. Выработаны диаграммы состояний прибора во время контроля шероховатости и в процессе калибровки прибора, позволяющие вводить, удалять и корректировать калибровочные данные пользователем.

Произведен оптико-конструкционный расчет и расчеты составных частей прибора. Разработана конструкторская документация измерительной головки, схемы электрические принципиальные вычислительного блока, оптической головки и клавиатуры. В системе PCAD спроектированы печатные платы функциональных узлов прибора. Результаты, полученные в предыдущих этапах исследования, реализованы в измерителе, функциональная схема которого приведена на рис.3.

2 7 П 1 3 4 Рисунок 3 - Функциональная схема измерителя 1 - индикатор, 2 - модулятор, 3 - микроконтроллер, 4 - ЭППЗУ, 5 - ВИП, 6 - АЦП, 7 – источник излучения, 8 - измерительный фотоприемник, 9 – источник питания, 10 - оптическая головка, 11 - опорный фотоприемник, 12 - компаратор, 13 - источник опорного напряжения, 14 - клавиатура, П – контролируемая поверхность.

Произведен оптико-конструкционный расчет и расчеты составных частей прибора. Разработана конструкторская документация измерительной головки, схемы электрические принципиальные вычислительного блока, оптической головки и клавиатуры. В системе PCAD спроектированы печатные платы функциональных узлов прибора.

« Вкл» « Изм » Четвертая глава посвящена определению эксплуатационных показателей прибора в заводских условиях непосредственно в ходе различных технологических процессов.

Эксперимент проводился на Дмитровском Заводе Алюминиевой Консервной Ленты (“ДОЗАКЛ”) АО “Русский Алюминий”. Проводились измерения параметра Ra шероховатости стальных валов диаметром 240 мм. Устройство калибровалось на профилометре Hommel Tester T500 для разных стадий шлифования вала. Значение Ra поверхности вала изменялось за время процесса шлифования от 0,4 до 0,08 мкм. Значение Ra измеренное оптическим прибором сравнивалось со значением Ra определнным с помощью профилометра. Результаты измерения приведены на рис.4.

Ra измеренное профилометром Hommel Tester T500, мкм Рисунок 4 - Значение Ra измеренное контактным профилометром и оптическим устройством a R измеренное прибором, мкм Результат анализа полученных данных показывает, что отклонение между значениями Ra измеренными этими устройствами составляет не более 10%.

Второй эксперимент производился на образцах ОАО “Ангстрем”. В условиях реального производства бесконтактных радиочастотных идентификаторов анализировалась взаимосвязь шероховатости кремниевой пластины с глубиной нарушенного слоя, сформированного в процессе ее утонения.

Для контрастности результатов, утонение пластин производилось двумя абразивами: для грубого шлифования и для тонкого шлифования. Операция контроля производилась на кремниевых пластинах КЭФ 4,5-100 диаметром 150мм.

Производилась оценка параметра Ra на контролируемых поверхностях. Для определения глубины нарушенного слоя, формировался косой шлиф с последующим травлением.

Результаты приведены в таблице 1, а характерные размеры нарушенного слоя приведены на рис.5.

шлифование суперабразив Плоскость шлифования 12мкм 3мкм Область сформированных активных структур Рисунок 5 - Характерные размеры нарушенного слоя Таблица 1 - Результаты измерения шероховатости и глубины нарушенного слоя Глубина нарушенного слоя, Вид шлифования Ra, мкм мкм обычное 9.5±2.1 0.суперабразив 2.5±0.3 0.Полученные данные указывают на зависимость шероховатости поверхности от глубины нарушенного слоя и подтверждают возможность контроля глубины нарушенного слоя данным методом.

Прибор успешно прошел процесс сертификации.

Получен сертификат Госстандарта об утверждении типа средств измерений (сертификат №7944).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Произведен анализ возможностей различных методов контроля шероховатости поверхностей, позволивший установить что для реализации контроля в условиях автоматизированных процессов наиболее перспективным является использование бесконтактных методов оптического контроля.

2. Обоснованно, что существующая теория рассеяния излучения на одномерно шероховатых поверхностях не может быть использована для определения коэффициентов отражения приближенно одномерных шероховатых поверхностей.

3. Результаты теоретических исследований позволили обосновать и разработать новую физико-математическую модель шероховатых поверхностей как совокупность одномерно шероховатых поверхностей, позволяющую получить аналитическую зависимость для оценки коэффициентов отражения приближенно одномерной шероховатой поверхности в пределах дифракционного телесного угла в направлении зеркального отражения.

4. Проведенные экспериментальные исследования образцов приближенно одномерной шероховатости подтвердили адекватность и возможность использования предложенной физико-математической модели, и полученными на ее основе соотношений, для определения параметров шероховатости приближенно одномерных шероховатых поверхностей.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»