Исследование и разработка оптического метода бесконтактного контроля шероховатости поверхностей

• Автор: Ким, Константин Юрьевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВОПОЛАГАЮЩИХ ПРИНЦИПОВ ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
1.1. Анализ известных методов оптического дистанционного измерения высотных параметров шероховатости и построенных на их основе устройств контроля
1. Метод зеркальной составляющей
2. Метод диффузной составляющей
3. Интерферометр ический метод
1.2. Сопоставительный анализ технических характеристик современных оптических измерителей высотных параметров шероховатости
1.3. Выводы
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОТРАЖЕННОГО ОТ ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. Анализ процесса отражения приближенно одномерно шероховатых поверхностей
2.2. Оценка коэффициента отражения одномерно шероховатых поверхностей
2.3. Расчетная модель коэффициента отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности
2.4. Проверка адекватности модели. Рекомендации по совершенствованию оптической' схемы измерителя шероховатости
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРИБОРА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ Щ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ХОДЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
3.1. Разработка конструкционно-технологических ограничений на прибор
3.2. Формирование структуры прибора
3.3. Разработка конструкции прибора

3.4. Разработка алгоритмов и программных средств для микропроцессорной системы управления процедурой измерения параметра Ra шероховатой поверхности
1. Режимы работы прибора
2. Алгоритм оценки высоты микронеровностей
3. Алгоритм измерения коэффициента отражения
3.5. Оптико-конструкционный расчет
3.6. Узел фотоприемников
3.7. Клавиатура
3.8. Расчет параметров модулятора
3.9. Разработка печатной платы
ЗЛО. Выводы
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИБОРА
4.1. Апробация прибора в заводских условиях
4.2. Эксплуатационные технические характеристики прибора
4.3. Методика поверки оптического измерителя шероховатости “СПИКА-8”
4.4. Конкурентные преимущества
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходный код избранных элементов программы управления
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Схемы электрические принципиальные
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Чертежи печатных плат
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Чертежи измерителя
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Формы программы испытаний оптического измерителя шероховатости "СПИКА-8"
ПРИЛОЖЕНИЕ б. Акты использования и сертификации
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация выполнена при научной консультации профессора кафедры Систем Автоматизированного Управления и Контроля (САУиК) МИЭТ, к.т.н. Никулина В.Б., профессора каф. Микроэлектроники (МЭ) д.т.н. Грушевского А.М. и доцента ИВТ РАН K.T.H. Менделеева В .Я.
Разработка современных высокотехнологичных изделий, материалов и режимов их обработки, дающих новое качество перспективным изделиям ведущих отраслей промышленности, в том числе микроэлектроники, нуждается в эффективных методах и приборах контроля основных показателей качества изделий непосредственно в процессе их изготовления в заводских условиях. Появление новых высоких технологий, связанных с производством изделий, не допускающих контакта с измерительным датчиком, требует использования бесконтактных дистанционных измерителей. Именно эти положения и определяют актуальность данной диссертации.
К числу наиболее объективных характеристик изделий, ориентированных на определяющие высокотехнологические показатели, следует отнести статистические характеристики шероховатости поверхности.
Шероховатость поверхности - совокупность повторяющихся неровностей малой величины (микронеровностей). Примерное отношение высоты неровностей к их шагу менее 50 [1,2].
Шероховатость поверхности определяет герметичность, коррозионную стойкость, характеристики тренюги износа, теплопередающие, гидродинамические, радиационные, магнитоэлектрические и оптические свойства поверхности, а также дает возможность косвенно судить о состоянии материала и изделия в целом.
Наиболее востребованный диапазон высотных параметров шероховатости поверхности изделий, определяемый современными условиями развития высоких технологий, составляет 0.01-0.30 мкм по параметру Ra. Именно этот диапазон определяет перспективы мирового рынка измерителей шероховатости на ближайшие десятилетия.
Основные тенденции научных исследований и инженерных разработок методов и средств контроля шероховатости поверхности включают атомно-силовую микроскопию, контактную профипометрию, оптические методы микроинтерферометрии и реф-лектометрии.

Исследуемые образцы 2 диафрагмировались маской 3 с квадратным отверстием со сторонами 2Ь, равными. 1 мм. Образцы освещались. Б-поляризоваиным лазерным излучением с длиной волны X = 0.6328 мкм. Угол падения составлял 4°.
Диаметр лазерного пучка на поверхности образцов был около 15 мм. Применительно к условиям эксперимента поверхности стальных образцов были очень шероховатыми, поскольку величина [47гКчсо8(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 6 оцифровывались аналого-цифровым преобразователем 7 и обрабатывались с помощью компьютера 8. Диафрагма 4, имеющая угловые размеры Да=1.4° в плоскости падения и ДР=0.107° вне плоскости падения, перемещалась вместе с линзой.5 и фотоприемником 6 в направлении, перпендикулярном плоскости падения, в интервале углов 0у от -1.18° до 1.18° с шагом 0.107°. Таким-образом измерялось угловое распределение мощности Р(0у;), где 0У, - угловое положение прямоугольной диафрагмы вне плоскости падения. Относительная погрешность измерения мощности излучения не превышала 0.5%.
На рис. 13 приведены графишь распределений относительной интенсивности ЧфОу,) излучения, отраженного образцами №1 и №2, построенных на основе соотношения
где Р{9у1) !(А(ХАр) - средняя интенсивность излучения в пределах диафрагмы
при угле 0 р - плоский угол вне плоскости падения, в пределах которого заключено 95% мощности рассеянного излучения, ц=р/Др. Для образца №1 угол р составлял 1.4°, а для образца №2 - 1.5°. Как видно из рис. 13, интенсивность рассеянного излучения быстро спадает с увеличением |0У]|, и относительная интенсивность 'Р(0У,=0) равна 3.09 и 2.77 для образцов №1 и №2 соответственно.
Р{в},)!{АаА/3)