mahr3Иногда оптическая система – самый лучший или даже единственный способ измерить поверхность. В этой статье вице-президент по метрологическим системам Mahr Federal Inc. Пат Ньюгент рассказывает о преимуществах оптической системы и помогает определить, будет ли в вашем случае 3D оптическая система целесообразным выбором для измерения шероховатости поверхности.

Кажется, что тема трехмерных оптических измерений поверхности чрезвычайно популярна сегодня. Когда я работаю на выставках-ярмарках, большинство людей, заходящих к нам на стенд, хотят узнать что-то об измерениях шероховатости поверхности и именно о трехмерных  оптических измерениях. Но из множества тех, кто интересуется этим вопросом, очень мало тех, кто действительно хочет или может осуществить измерение своих деталей в формате 3D, с использованием оптических систем или иным образом. Это объясняется тем, что, хотя оптические системы и сделали большой шаг за последние годы, проникнуть в большинство сфер измерения шероховатости поверхности им мешают существующие барьеры.

В то же время быстро растет число компаний, предлагающих системы оптических 3D-измерений поверхности – от маленьких мастерских, где работают два человека с великим идеями, до больших поставщиков, у которых оптические системы являются лишь частью обширной линейки продукции. Также есть целый ряд разных способов проведения оптических измерений, которые работают по разным принципам и с разной эффективностью в зависимости от оптических свойств поверхности. Некоторые пригодны для измерения матовых поверхностей, но их датчики не справляются при работе с сильноотражающими  поверхностями. Другим для успешной работы нужен большой объем отраженного света, но если вы с их помощью просканируете более темную поверхность, то ничего не увидите. Также существуют и финансовые барьеры – высокая стоимость некоторых оптических систем. При этом иногда оптическая система – самый лучший или даже единственный способ измерить поверхность.

Итак, подходит ли для вашей работы оптическая система? В этой статье мы обсудим текущее состояние этой технологии. Мы рассмотрим те сферы, в которых использование оптической системы эффективно, и поясним, почему. Наконец, мы дадим несколько практических советов, которые помогут определить, будет ли в вашем случае 3D оптическая система целесообразным выбором для измерения шероховатости поверхности.

Измерения поверхности – повседневная необходимость

Когда мы измеряем диаметр чего-либо, например, вала, мы получаем число, которое физически представляет собой диаметр детали. Но когда мы измеряем текстуру поверхности путем сканирования по всей площади или определения линейного расстояния измерительным наконечником, результат фильтруется и обрабатывается, для чего используются математические программы. В итоге мы получаем число, которое является не физической характеристикой детали, а математическим представлением данных о поверхности, полученных нами. Измените способ получения или обработки данных, и результат анализа тоже изменится.

Традиционные методы измерения шероховатости поверхности с измерительным наконечником дают нам понять, что очень многие факторы могут сказаться на конечном результате, например, слишком большой радиус, который дает ошибку при фильтрации данных.

Сравнение измерительного наконечника с оптической системой

mahr

Рис. 1. Независимо от используемого метода оптического сканирования самый малый доступный шаг разрешения – это пиксель устройства отображения. В обычных системах порядок разрешения может достигать квадрата со стороной примерно два микрона. В пределах этой области информация о высоте оптически усредняется для получения единого значения для этого квадрата. По этой причине высота пика и глубина профиля могут несколько сглаживаться. Источник: Mahr

Пример корреляции

mahr4

Рис. 2. На рисунке представлены два измеренных профиля по стандарту жесткости Халле – один получен оптической системой при освещении белым светом, второй – с помощью алмазного измерительного наконечника. Боковой интервал отбора образцов при сканировании в белом свете составляет примерно 2,1 мкм, для контактного отслеживания – около 0,5 мкм. Хотя профили кажутся схожими, есть небольшие различия по высоте пика, глубине профиля и отображении уклона – они могут существенно повлиять на математические расчеты или измерение параметров. Источник:  Mahr

Мы стандартизировали многие вещи, чтобы иметь возможность проводить повторные измерения деталей, и обеспечили корреляцию многих инструментов относительно друг друга, в том числе и брендов инструментов. Мы разработали методологию, которая позволяет  генерировать стабильное число, например, Ra или Rz, на которую мы можем опираться при проведении измерений поверхности.

Это не означает, что в любой точке на поверхности высота пика или глубина профиля равны значению Ra или Rz. Но мы можем опираться на методологию для получения среднего числа в производственном процессе, которое характеризует поверхность. Если бы оптические методы были изобретены раньше, и если бы мы использовали их достаточно долго для получения таких же выводов, они бы тоже считались сегодня «золотым стандартом».

mahr2Но мы имеем то, что имеем. После начального этапа приблизительных сравнений  следующим шагом в развитии технологии обработки поверхности стало применение оптических микроскопов, которые давали увеличенное изображение характеристик поверхности. Однако измерения носили чисто визуальный характер и были сравнительными, а не количественными – даже при наличии различных уровней увеличения и различных полей зрения нельзя было получить базовую длину и частоту взятия замеров, которые составляют  центральную концепцию для анализа шероховатости поверхности.

Практические указания

  • Методы оптического сканирования изменяют способ генерации профиля.
  • Нельзя сказать, что оптические методы лучше или хуже – они просто другие, и базовый комплект данных, с которыми приходится работать, тоже другой.
  • Существует множество методов и технологий оптического сканирования, включая интерферометрию в белом свете, конфокальную микроскопию, вариацию фокуса, цифровую проекцию интерференционных полос и пр.

3D-взгляд

Методы оптического сканирования изменили способ создания профилей. Нельзя сказать, что оптические методы лучше или хуже – они просто отличаются, в том числе и по набору данных, с которыми приходится работать.

Существует множество методов и технологий оптического сканирования, включая интерферометрию в белом свете, конфокальную микроскопию, вариацию фокуса, цифровую проекцию интерференционных полос и пр. Первые методы оптического сканирования 2D имитировали движение измерительного наконечника и собирали серию точек  «линейных» данных. Современные 3D-методы собирают данные с небольшой площади. Но независимо от используемого метода самый маленький доступный шаг разрешения – это пиксель устройства отображения. В обычных системах порядок разрешения может достигать квадрата со стороной примерно два микрона. В пределах этой области информация о высоте оптически усредняется для получения единого значения для этого квадрата. По этой причине высота пика и глубина профиля могут несколько сглаживаться (см. рис. 1).

Наоборот, радиус алмазного измерительного наконечника также составляет два микрона (также может быть 5 или 10 микронов в зависимости от особенностей измеряемой поверхности). Но фактическая точка контакта с поверхностью гораздо меньше, чем радиус наконечника. Стандарты измерения шероховатости поверхности прибором по типу наконечника предусматривают достаточно малый радиус наконечника относительно измеряемой поверхности. Если радиус наконечника слишком велик, данные могут подвергаться фильтрации.

Разрешение при измерениях прибором-наконечником обычно  выше, чем  это возможно для обычной оптики. Боковые интервалы между точками измерения также ближе к методам с прибором-наконечником, составляя примерно 0,25-0,5 мкм по сравнению с 1-2,5 мкм для оптики. Усреднение пикселей, создающих разрешение, может оказывать фильтрующее действие, изменяющее результат, полученный при использовании любой технологии измерений

И опять же нельзя сказать, что какой-то способ лучше или хуже, правильный или неправильный. Но разрешение является одним из ключевых различий, влияющих на корреляцию параметров.

На рис. 2 представлены два измеренных профиля по стандарту жесткости Халле – один получен оптической системой при освещении белым светом, второй – с помощью алмазного измерительного наконечника. Боковой интервал отбора образцов при сканировании в белом свете составляет примерно 2,1 мкм, для контактного отслеживания – около 0,5 мкм. Хотя профили кажутся схожими, есть небольшие различия по высоте пика, глубине профиля и отображении уклона – они могут существенно повлиять на математические расчеты или измерение параметров.

Независимо от того, какой способ прослеживания дает более реалистичное представление о поверхности и более точные расчеты характеристик поверхности, проблема в том, что результаты не всегда коррелируют между собой.  Фактически из трех типов параметров поверхности лучше всего достигается корреляция по амплитуде – обычно в пределах 20%, тогда как гибридные и пространственные параметры часто создают проблемы.

В других отраслях, например, компьютерной, где производственные процессы переписываются каждые несколько лет, оптика уже сейчас  может считаться лучшим вариантом. Некоторые системы объединяют белый свет и конфокальную микроскопию и предназначены для измерения оптических, технических и отражающих поверхностей, а также для трехмерного топографического анализа, где требуется высокая плотность информации, например,  печатные платы. Источник: Mahr

В других отраслях, например, компьютерной, где производственные процессы переписываются каждые несколько лет, оптика уже сейчас  может считаться лучшим вариантом. Некоторые системы объединяют белый свет и конфокальную микроскопию и предназначены для измерения оптических, технических и отражающих поверхностей, а также для трехмерного топографического анализа, где требуется высокая плотность информации, например,  печатные платы. Источник: Mahr

Эволюция параметров

Параметры обработки поверхности стали более сложными  в плане оценки функциональности поверхности, особенно с распространением цифровых и компьютеризированных методов. Одно из главных ожиданий, связанных с 3D-системами, – и одно из предположений – то, что они позволят существенно улучшить связь между параметром и желаемой функциональностью поверхности. Поверхности существуют и выполняют какие-либо функции в реальном трехмерном мире. Поэтому возможность их отображения в «натуральной» форме должна улучшить нашу способность оценивать их функциональность, не так ли?

Ну что же, возможно. Но до недавних пор доступные 3D-параметры являлись прямым следствием того, что можно получить и в формате 2D. Например, Ra (средняя высота) трансформировалась в Sa, которая является средней высотой по 3D-зоне. Rz (высота в 10 точках) стала Sz (высота в 10 точках в формате 3D). Есть еще Rq и Sq и так далее.

С 2010 года Международная организация по стандартизации (ISO) опубликовала новые Технические требования к геометрической продукции (ISO 25178), основанные на пространственном методе анализа текстуры поверхности. Стандарт определяет некоторые 3D-параметры текстуры поверхности, а также ряд 3D-параметров, коррелирующих с 2D-параметрами, включая соответствующие операторы. В стандарте также описываются применимые измерительные технологии, методы калибровки, стандарты калибровки и требуемое калибровочное оборудование.

Было проведено дополнительное исследование по количественному определению и характеристикам 3D-поверхности, а также разработке математических алгоритмов для включения трехмерных поверхностных данных. Но это не так легко, как может показаться. Например, в различных параметрах Rz (их несколько) «пик» определяется относительно средней линии. В двухмерном формате все достаточно просто, но когда добавляется третье измерение, это означает, что линия становится плоскостью, простирающейся в бесконечное число направлений, а с математической точки зрения – что отличить пик от субпика (или камня на склоне холма!) становится чрезвычайно трудно.

Объем данных, которые нужно получить и обработать для оптических измерений, пугает. При боковом интервале 0,25 мкм обычное 2D-сканирование с радиусом 5,6 мм даст 22400 точек данных. Для получения квадратного участка 5,6 х 5,6 мм с такой же плотностью данных 3D оптическая система должна сгенерировать 501 760 000 точек. Это потребует 500-мегапиксельной камеры, уже не говоря о компьютере, способном обрабатывать такие массивы данных в короткие сроки. Даже при боковом интервале между точками 0,5 мкм отслеживание в двухмерном формате дает 11400 точек данных, тогда как квадратный участок с такой плотностью  данных  потребует 125 440 000 точек, что нецелесообразно при нынешнем уровне технологий.

По этой причине большинство оптических систем используется для меньшего поля зрения или с большим боковым интервалом. Технология продолжает развиваться, и в недалеком будущем более высокое разрешение станет возможным. Но могут пройти многие годы до того, как эти достижения станут доступными обычному пользователю метрологических систем для оценки поверхности.

Соображения по поводу применения

Так что же это означает? Значит ли это, что  3D оптические системы для измерения текстуры поверхности  пока  не подходят? Необязательно. Все зависит от области применения. Если это область, которая предусматривает использование оптических систем, проблемы, скорее всего, не возникнет. Однако для деталей с длинной историей контактных измерений недостаток корреляции может представлять проблему. Даже в случаях, когда исследования проводятся для проверки параметров процесса с оптическими системами и установки корреляции, любое изменение в процессе, например, переход на другой шлифовальный круг с иным составом может изменить уравнение процесса.

В таких отраслях, как автомобилестроение, где детали производятся в различных точках, и где длительное время использовались характеристики поверхности, получаемые от измерительных наконечников, переход на оптику на этой стадии не даст особенно много преимуществ. И даже если технология обеспечит эквивалентную плотность данных, использование традиционного 2D-наконечника для измерения отдельных частей может по-прежнему оставаться самым экономически оправданным способом. В других отраслях, например, компьютерной, где производственные процессы переписываются каждые несколько лет, оптика уже может считаться лучшим вариантом. Есть также сферы, где мы создаем сложные 3D-поверхности, которые должны функционировать в формате 3D.  Здесь действительно нужен метод 3D-измерений и реальные 3D-параметры, чтобы оценить, как поверхность будет функционировать.

Но самый большой барьер перед оптическими системами 3D-измерений – это их стоимость:  такие системы на порядок дороже, чем традиционные измерительные наконечники. Например, самая недорогая  оптическая система будет стоить около 60 000 долларов США.  Система с наконечником – около 2500 долларов США.

Таким образом, люди, которые не могут или не хотят касаться детали, вероятно, при возможности перейдут на оптические системы. В оптической промышленности, например, контактные методы просто не работают: измерения следует проводить оптическим путем. Медицинские импланты – это такие компоненты, где малейшая царапина приводит к отбраковке детали. В определенных областях ядерных исследований  риск загрязнения от малейшего прикосновения настолько велик, что кроме оптики других вариантов просто нет. И кто знает, что готовит  нам будущее – в областях применения и в технологиях?

Подходит ли вам оптика?

Учитывая стоимость оптических систем, количество поставщиков и разницу в технологиях, в это направление нельзя ворваться с ходу. Здесь слишком много переменных и неизвестных. Если вы хотите попробовать оптическую систему, вам следует чрезвычайно внимательно отнестись к выбору подходящего варианта для вашей сферы применения.

Во-первых, изучите доступные системы. Затем поработайте с производителями этих систем. Вышлите им свои детали – пусть они проведут нужные измерения на своем оборудовании. Даже если на глаз детали выглядят абсолютно так же, измерения с помощью оптической системы могут отличаться. Две оптические системы с разными технологиями могут по-разному  «увидеть» поверхность. Они могут иметь разное разрешение или по-разному учитывать отраженный свет.

Если результаты вас устраивают и цена подходит, вы тоже можете взглянуть на вещи по-другому с помощью оптической системы измерений.

Источник: перевод статьи
Looking at the Third Dimension in Surface Measurement,
Mahr.com

Автор:
Пат Ньюгент (PAT NUGENT),
вице-президент по
метрологическим системам
Mahr Federal Inc.



Понравилась статья? Поделитесь: