Повышение требований к качеству выпускаемой продукции влечет за собой необходимость совершенствования средств и методов контроля. Одним из параметров, определяющих качество деталей машин, является шероховатость поверхности – важная эксплуатационная характеристика, от которой зависят коррозионная стойкость, износостойкость, коэффициент трения и ряд других механических характеристик.

На сегодняшний день существуют различные способы измерения шероховатости поверхности, однако предпочтение отдается оптико-физическим методам. Это объясняется тем, что они являются неконтактными, неразрушающими и легче поддаются автоматизации.

Несмотря на многообразие существующих методов измерения шероховатости, чаще всего, они применимы только в лабораторных условиях, где могут быть обеспечены определенные условия для процесса измерений. Тем не менее, часто возникает необходимость измерения шероховатости непосредственно на технологическом оборудовании как после обработки, так и непосредственно во время изготовления детали в реальном масштабе времени.

Сущность применяемых рефлектометрических методов измерения шероховатости поверхности заключается в измерении оптических характеристик отраженного излучения. При отражении излучения от границы раздела двух сред происходит его поляризация, которая зависит с одной стороны, от угла падения, с другой стороны – от оптических свойств граничащих сред.

Изменение поляризационных характеристик отраженного от изучаемой поверхности излучения несет информацию о параметрах поверхности. Отслеживая изменения поляризации отраженного излучения можно судить о шероховатости поверхности.

Можно наглядно изобразить поляризованное излучение, используя поляризационную картину – проекцию вектора напряженности электрического поля на плоскость, перпендикулярную плоскости визирования. В общем случае вектор напряженности электрического поля будет описывать поляризационный эллипс. Поляризационная структура поля плоской волны будет определена, если известны параметры, описываемые вектором Стокса /1/:

Одной из важных поляризационных характеристик является степень поляризации излучения. Она связана с параметрами вектора Стокса следующим соотношением:

.

Рис.1

Картина распространения плоской электромагнитной волны

Для математического описания поляризованной волны удобно использовать вектор Джонса, который полностью описывает состояние поляризации любого светового пучка:

,

Этот способ применим при известном азимуте поляризации излучения. На практике чаще всего встречается ситуация, когда азимут неизвестен. Вследствие этого приходится либо вращать анализатор, либо закручивать излучение. Это приводит к снижению быстродействия, точности измерений и делает невозможным контроль шероховатости в реальном масштабе времени.

В работе /3/ предлагается способ измерения степени поляризации с неизвестной ориентацией вектора напряженности электрического поля с применением трехплощадочного фотоприемника. Применив данный способ можно получить устройство для измерения шероховатости, которое позволит контролировать качество поверхности как непосредственно во время обработки детали, так и после ее окончания.

Рис.2

Эллипс, описываемый вектором напряженности электрического поля

Степень поляризации определяется по формуле:

где a и b – большая и малая полуось эллипса соответственно.

Записав уравнение эллипса для точек А, В и С получим систему из трех уравнений. Решив ее с учетом формулы 1 получим:

Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату напряженности электромагнитного поля, обозначим:

С учетом этого окончательная формула примет вид:

Структурная схема устройства изображена на рис.3. На рисунке обозначены: 1 – источник излучения; 2 – контролируемая поверхность; 3 – три поляризатора, плоскости поляризации которых ориентированы через 45° друг относительно друга; 4 – трехплощадочный фотоприемник; 5 – блок электронной обработки.

Рис.3.

Структурная схема устройства

Блок электронной обработки включает схемы выборки и хранения, аналоговый коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, микропроцессорную систему, интерфейс вывода информации. В качестве последнего может применяться как блок цифровой индикации, так и устройство обратной связи с технологическим оборудованием.

Устройство работает следующим образом. Излучение от источника света отражается от контролируемой поверхности. При этом происходит изменение его степени поляризации, связанное с шероховатостью поверхности. Отраженный свет проходит через три поляризатора, в которых происходит поляризация излучения. Три пучка линейно-поляризованного излучения под углом 0, 45 и 90° подают на трехплощадочный фотоприемник. На нем электромагнитное излучение преобразуется в электрические сигналы. Напряжение с фотоприемников подается на блок электронной обработки, где происходит вычисление степени поляризации. По полученной степени поляризации отраженного излучения судят о шероховатости поверхности.

Автоматизация процессов измерения поляризационных характеристик в реальном масштабе времени позволяет повысить эффективность технологического процесса за счет достижения заданных показателей качества и сокращения времени на обработку.

Литература: