INSTYTUT METROLOGII I INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
LABORATORIUM
PODSTAW POMIARÓW
WSPÓARZDNOŚCIOWYCH
Ćwiczenie nr 1
Ocena mikrogeometrii powierzchni
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z techniką pomiaru chropowatości powierzchni
metodami profilową i wizualną oraz zrozumienie zasad oceny chropowatości powierzchni.
Zadaniem studentów jest wykonanie pomiarów struktury geometrycznej powierzchni,
a następnie przeprowadzenie analizy uzyskanych wyników. Ponadto, należy przeprowadzić
ocenę jednorodności powierzchni i zgodności jej mikrogeometrii z wymaganiami.
2. Wstęp
Właściwości struktury geometrycznej powierzchni mają kluczowy wpływ na współpracę
elementów, ich właściwości związane z tarciem, odprowadzaniem ciepła, wyglądem itd.
yródłem tej mikrogeometrii jest najczęściej obróbka technologiczna. Przykładowo
nierówności na powierzchni obrabianej ze zdjęciem materiału są efektem oddziaływania
przemieszczającego się ostrza narzędzia skrawającego. Przy toczeniu lub szlifowaniu mogą
to być okresowe zmiany uzależnione od prędkości posuwu i ruchu obrotowego a przy obróbce
ściernej mikronierówności będą zależne od wielkości i struktury ścierniwa. Inne przyczyny
powstawania struktury geometrycznej powierzchni to zużywanie się pod wpływem
współpracy elementów czy zmiany właściwości powierzchni w czasie (korozja, pojawianie
się tlenków). Wiedza o charakterze mikrogeometrii ma zatem bardzo istotne znaczenie
w budowie i eksploatacji maszyn.
3. UrzÄ…dzenie pomiarowe
Znanych jest wiele technik rejestracji współrzęnych potrzebnych do pomiaru mikrogeometrii.
Podstawową z nich jest metoda profilowa, w której rejestrowane są współrzędne
dla pojedynczego przekroju powierzchni. Rejestracja ta przeprowadzana jest za pomocÄ…
przemieszcającej się po powierzchni końcówki urządzenia pomiarowego. Końcówka
zakoÅ„czona jest stożkowym ostrzem o niewielkimpromieniu zaokrÄ…glenia (zazwyczaj 2 µm
lub 5 µm). W osi Z współrzÄ™dne wyznaczane sÄ… zwykle przez przeliczenie wychylenia
kątowego dzwigni, na kórej znajduje się końcówka z ostrzem skanującym,
na przemieszczenie liniowe tego ostrza. W osi X współrzędną określa się przez pomiar
położenia mechanizmu posuwu.
Najczęściej stosowany w profilometrach stykowych jest przetwornik indukcyjny, którego
uproszczony schemat przedstawia rys. 1. Przemieszczenie ostrza końcówki 1 powoduje
wychylenie dzwigni 2 i zmianę szczeliny w dwuczęściowym rdzeniu cewki 3-3 . Zmiana
położenia rdzenia wywołuje zmianę indukcyjności cewek. Cewki najczęściej włączone są
w układ zmiennoprądowego mostka transformatorowego, co powoduje, że napięcie
wyjściowe mostka zmienia się wraz ze wychyleniem ostrza pomiarowego. Napięcie
wyjściowe jest prostowane w prostowniku fazoczułym i rejestrowane (w starszych
urządzeniach analogowych) lub przetwarzane na wartość cyfrową.
4
Z
7 X
3
5
2 3
1
6
Rys. 1 Uproszczony schemat profilometru z przetwornikiem indukcyjnym
Posuw w osi X mierzony jest przy założeniu stałej prędkości przemieszczenia liniowego
końcówki za pomocą mechanizmu napędowego 7. Chwilowe współrzędne X wyznaczane są
przez przeliczenie czasu próbkowania.
4. Przetwarzanie sygnału
Przetwarzanie sygnału odbywa się tak, jak przedstawiono na rys. 2. Wychylenie końcówki
i dzwigni mechanicznej powoduje zmianę sygnału napięciowego w przetworniku
elektrycznym. Zmiana napięcia jest dyskretyzowana w przetworniku analogowo-cyfrowym.
rejestracja danych
przetworniki
wychylenia i przetwarzanie
zespół
dyskretyzacja
przemieszczenia elektryczne
mechaniczny
analiza sygnału
filtracja reprezentacja
przeliczanie
parametry protokół
graficzna
wzmocnienia
Rys. 2 Przetwarzanie sygnału i uzyskanie wyników
Kolejnym etapem jest przeliczenie wartości napięcia na jednostkę długości, na podstawie
danych uzyskanych podczas wzorcowania urządenia. Następnie, dane surowe są poddawane
filtracji cyfrowej w celu usunięcia składowych o niskich (falistość, odchyłki kształtu)
i wysokich (szum) częstotliwościach. Na podstawie uzyskanego w ten sposób profilu
chropowatości wyznaczane są parametry liczbowe opisujące mikrogeometrię. Ponadto, profil
stanowiÄ…cy odwzorowanie topografii powierzchni jest wizualizowany na wykresie.
5. Analiza danych pomiarowych
Strukturą geometryczną powierzchni nazywa się zbiór wszystkich nierówności powierzchni,
spośród których wyróżniono trzy podstawowe grupy: dużej skali odchyłki kształtu, średniej
skali - falistości i małej skali - chropowatości. Do wyodrębniania poszczególnych z nich
stosuje siÄ™ filtracjÄ™ cyfrowÄ…. Powszechnie stosowane algorytmy filtracji, w tym przede
wszystkim liniowy filtr Gaussa [3], zostały znormalizowane, a ich opis można znalezć w serii
norm ISO 16610. Dzięki standaryzacji możliwe jest jednoznaczne odniesienie wyników
pomiarowych do wymagań stawianych przez konstruktora czy technologa.
Jak już wspomniano, wstępne odfiltrowanie składowych o niskich częstotliwościach może
być również realizowane mechanicznie za pomocą ślizgacza.
Ze względu na dużą zmienność falistości i chropowatości ich opis wymaga zastosowania
parametrów statystycznych. Parametry te, aby mogły być porównywalne, muszą być
wyznaczane dla odcinków o ustalonej, znormalizowanej długości, tzw. odcinków
elementarnych [1].
Na rys. 3 a przedstawiono wynik pomiaru powierzchni szlifowanej w ujęciu 3D w postaci
mapy jej topografii. Na wykresie na rys. 3 b pokazano, wyodrębniony z tej powierzchni,
profil pierwotny (linia niebieska) z zaznaczoną linią reprezentującą falistość (linia czerwona).
Z
a) b)
X
Rys. 3. a) Próbka szlifowana - reprezentacja trójwymiarowa współrzędnych, b) profil
pierwotny z wyodrębnioną składową falistości
a. Wybrane parametry
Opracowano wiele różnych parametrów opisu struktury geometrycznej powierzchni [1].
Różnorodność ta wynika z konieczności doboru parametru, który najlepiej opisuje właściwość
powierzchni istotną z punktu widzenia funkcji, jaką pełni element mierzony. Jednymi
z najczęściej stosowanych parametrów służących do oceny zaobserwowanych profili
chropowatości są Ra, Rq, Rz, RSm. Ich wartości wyznaczane są względem linii średniej
profilu pierwotnego, tj. profilu powstałego przez odjęcie od profilu zaobserwowanego
krzywej, odpowiadającej nominalnemu, określonemu w dokumentacji technicznej, kształtowi
powierzchni. Parametr Ra jest to średnia arytmetyczna wartości bezwzględnych rzędnych
| |
profilu Z(x) na długości odcinka elementarnego lr: .
Z kolei parametr Rq jest to średnia kwadratowa rzędnych profilu zdefiniowana przez
.
Rz odpowiada największej wysokości profilu, definiowanej jako suma najwyższego
wzniesienia profilu Zp i głębokości najniższego wgłębienia profilu Zv na długości odcinka
elementarnego lr
RSm średni odstęp miejscowych wzniesień profilu wewnątrz odcinka elementarnego lr:
" , przy czym Xsi to i-ty element profilu. Jednocześnie, parametr ten wymaga
ustalenia kroku dyskretyzacji pionowej i poziomej. Zaleca się aby wartość kroku
dyskretyzacji pionowej była 10% Rz, a poziomej 1% odcinka elementarnego lr.
Wartości każdego spośród wspomnianych parametrów, zgodnie z [1], powinny być
uśredniane dla pięciu odcinków elementarnych.
b. Dobór odcinka elementarnego
Dobór odcinka elementarnego przeprowadza się tak, by z profilu pierwotnego wyodrębnić
składowe związane z chropowatością. Ponadto, długość odcinka elementarnego lr jest równa
granicznym długościom odcięcia c filtrów liniowych i odpornych (por. seria ISO 16610).
Przez graniczną długość odcięcia filtru rozumie się długość fali sinusoidalnej, której 50%
amplitudy jest przenoszone przez filtr. Wybór zbyt długiego odcinka spowoduje, że z profilu
chropowatości nie zostaną wyeliminowane składowe długookresowe (falistość i odchyłki
kształtu), a zbyt krótki odcinek spowoduje nadmierne stłumienie przez filtr amplitudy
związanej z chropowatością powierzchni. Pomocna w doborze odcinka jest tabela
rekomendowanych odcinków normy PN-EN ISO 4288:2011 (Tab. 1).
Tabela 1. Rekomendowane odcinki elementarne [2]
Profile nieokresowe Profile okresowe Odcinek Odcinek
elementarny pomiarowy
Wyznaczane parametry lr ln
Ra, Rq Rz RSm Ra, Rq, Rz, RSm [mm] [mm]
[µm] [µm] [µm] [µm]
(0,006) < Ra d" 0,02 (0,025) < Rz d" 0,1 0,013 < RSm d" 0,04 0,013 < RSm d" 0,04 0,08 0,4
0,02 < Ra d" 0,l 0,1 < Rz d" 0,5 0,04 < RSm d" 0,13 0,04 < RSm d" 0,13 0,25 1,25
0,1 < Ra d" 2 0,5 < Rz d" 10 0,13 < RSm d" 0,4 0,13 < RSm d" 0,4 0,8 4
2 < Ra d" 10 10 < Rz d" 50 0,4 < RSm d" 1,3 0,4 < RSm d" 1,3 2,5 12,5
10 < Ra d" 80 50 < Rz d" 200 1,3 < RSm d" 4 1,3 < RSm d" 4 8 40
Wybór długości odcinka elementarnego przeprowadza się po wstępnym oszacowaniu
wartości odpowiednich parametrów, np. metodą wizualną przez porównanie z wzorcem
chropowatości. Wstępny wybór długości odcinka lr może być też przeprowadzony na
podstawie informacji o zakładanej w dokumentacji lub spodziewanej w związku
z zastosowaną technologią wartości parametru Ra, Rz lub RSm.
Po przeprowadzeniu pomiaru należy odnieść wynik do danych z Tabeli 1 i, o ile to konieczne,
zmienić długość odcinka elementarnego i powtórzyć pomiar.
6. Wykonanie ćwiczenia
W ćwiczeniu student otrzymuje dwie próbki. Wykonuje wizualnie porównanie z wzorcem.
Mierzy wybrane parametry przyrządem stykowym. Dobiera właściwy odcinek elementarny.
Przeprowadza kwalifikację poprawności wykonania na postawie dokumentacji. Rejestruje
wyniki w postaci współrzędnych, wykonuje wykres we właściwej skali i nanosi na niego
poglądowo informacje o odcinku i wartości parametru Pz (suma najwyższego wzniesienia i
największej głębokości bez zastosowania filtracji porównaj definicje Rz w pkt. 5 a niniejszej
instrukcji).
Literatura
[1] PN-EN ISO 4287:1999/A1:2010 Specyfikacje geometrii wyrobów -- Struktura
geometryczna powierzchni: metoda profilowa -- Terminy, definicje i parametry struktury
geometrycznej powierzchni
[2] Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS) -- Struktura geometryczna powierzchni: Metoda
profilowa -- Zasady i procedury oceny struktury geometrycznej powierzchni
[3] ISO 16610-21:2011 Geometrical product specifications (GPS) Filtration Part 21:
Linear profile filters: Gaussian filters.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Ins?deles05 ins tab20 tell mechropowatosctl wr740n ins plSeiki Multi [INS] L568 85 1The Glass?vil A?tective InsINS LAB PEWN 3 12 13ins27 Excel Add Ins7a Oznaczanie chropowatoscipopup ins imageNero 7 5 7 0 & Plug InsCwiczenie 4 CHROPOWATOSCinsles05 ins tab30 tell meles05 ins tab20 show mePomiar chropowatości powierzchniwięcej podobnych podstron