Normalizace struktury povrchu, současný stav a trendy vývoje

Transkript

1 Normalizace struktury povrchu, současný stav a trendy vývoje Doc. Ing. Miroslav Tykal, CSc. Příspěvek obsahuje stručnou rekapitulaci normalizovaných způsobů hodnocení a měření struktury povrchu založených na profilu získaném řezem nerovností (D) a modernějším způsobem (3D), založeným na hodnocení a měření nerovností na ploše. plikace metody 3D vyžaduje speciální techniky získávání informace pro vyčíslení hodnot definovaných parametrů. Nejobvyklejší je normalizovaný způsob snímání nerovností dotykovým způsobem hrotem snímače. Pro plošné hodnocení jsou obvykle aplikovány bezdotykové optické metody měření povrchu, které umožňují dokonaleji povrch popsat, definovat nové parametry a zejména nalézat souvislostí mezi číselnými hodnotami těchto parametrů a podmínkami vzniku a funkčními vlastnostmi povrchu. 1 Úvod Stopy po obrábění (každá metoda obrábění zanechává na povrchu charakteristické stopy) vytvářející na povrchu nerovnosti jsou prostorově uspořádány (3 D) a jejich hodnocení je poměrně obtížné. Dosud se rutinně používá k jejich hodnocení zjednodušená (normalizovaná) metoda využívající profil nerovností vzniklý v rovině řezu ( D). Třírozměrné hodnocení struktury povrchu (3 D) vyžaduje aplikovat použitelné poznatky z dvourozměrného hodnocení struktury povrchu ( D) a zavést další potřebné informace pro úplný popis. Jedná se o aplikaci pojmů a odvozených matematických vztahů pro popis geometrických vlastností nerovností na povrchu vyjádřené prostřednictvím profilu (čarou - profilová metoda) a zavedení nových pojmů a matematických vztahů pro popis geometrických vlastností nerovností na povrchu vyjádřené prostřednictvím ploch (plochou plošná metoda). Protože obrobený povrch obsahuje soubor nerovností tvořících strukturu povrchu, lišících se zejména svými roztečemi a majících rozdílný vliv na funkci povrchu, je nezbytné při jejich analýze provést jejich separaci. Separace složek struktury povrchu se provádí jejich filtrováním. Filtraci lze provést geometricky nebo filtrováním provedeným elektrickými vlnovými filtry. Reálné filtry (realizované analogově nebo výpočetně) mají svoje inherentní vlastnosti dané vlastním principem a možnostmi realizace. To způsobuje zkreslení zpracovávaného signálu. Platnými normativními dokumenty jsou jednotlivé složky definovány právě na základě filtrace. Vzhledem k vlastnostem filtrů je kriticky nutné splnit stanovené podmínky jejich aplikace. Základní vlastností profilové metody (D) je, že zdrojem informace o struktuře povrchu je profil. Libovolná technologická metoda, použitá při realizaci povrchu technických ploch zanechává nerovnosti, které mají zásadní význam při funkci těchto ploch. Nerovnosti na povrchu představují prostorový útvar, který by bylo velmi obtížné posuzovat. Problém posuzování nerovností (struktury povrchu) se řeší redukcí do roviny řezu rovinou kolmou k povrchu. V rovině řezu se získá profil, který je základním zdrojem informace pro posuzování struktury povrchu. Dosud se rutinně používá k jejich hodnocení zjednodušená (normalizovaná) metoda využívající profil nerovností vzniklý v rovině řezu ( D). V etapě rozvoje strojírenské výroby bylo nezbytně nutné zavést způsob hodnocení struktury. To bylo prováděno nejprve subjektivním způsobem určením tří stupňů nerovností pro něž byl zaveden pojem drsnost. Značení na výkresu bylo pomocí speciálních značek. Posuzování bylo prováděno pomocí porovnávacích povrchů. Pro objektivní posuzování nerovností bylo nutno vytvořit metodiku hodnocení, definovat parametry, zkonstruovat a zavést měřicí techniku a stanovit systém označování pro výrobní dokumentaci (dílenský výkres). Metodika objektivního posuzování a hodnocení nejdůležitější složky struktury povrchu - drsnosti povrchu - má delší historii. Základem tohoto hodnocení je profil nerovností. Nejdříve byl využíván sinusový model nerovností, kdy parametrem pro hodnocení byla veličina H sk (analogie efektivní hodnoty střídavého

2 proudu). V další etapě vývoje byl přednostně zaveden parametr R a (analogie střední hodnoty střídavého proudu) spolu s některými dalšími parametry. Profil nerovností je získáván dotykovou metodou pomocí snímacího hrotu. Byla aplikována také subjektivní metoda posuzování zrakem a hmatem pomocí porovnávacích vzorků, které byly označeny objektivně měřenými hodnotami drsnosti povrchu. Kontrola struktury povrchu je obecně velmi složitá a správnost výsledků kontroly je závislá na splnění řady předpokladů. Provádění kontroly mimo rámec definovaný v normách GPS může poskytnout pouze informativní výsledky Stávající systém hodnocení struktury povrchu (profilová metoda D) Nerovnosti povrchu vytvářející jeho strukturu zásadním způsobem ovlivňují budoucí funkci povrchu. Struktura povrchu je členěna na složky podle rozteče příslušných nerovností. Jedná se o složku s nejmenší roztečí tvořící drsnost povrchu, složku nazvanou vlnitost povrchu a složku s největší roztečí nerovností určenou základním profilem. V souvislosti s novým pojetím geometrické specifikace výrobků (GPS) byl vytvořen dokonalejší systém posuzování a hodnocení struktury povrchu. Systém je ošetřen sadou norem, které jsou v jednotlivých odstavcích uvedeny. Základní vlastností normalizované metody (D) je, že zdrojem informace o struktuře povrchu je profil. Název Profil povrchu Snímaný profil Referenční profil Úplný profil Základní profil Zbytkový profil Profil drsnosti Profil vlnitosti PROFILY (podle normy ČSN EN ISO 374) Definice Průsečnice skutečného povrchu a dané roviny Geometrické místo středů snímacího hrotu stanovených parametrů Dráha, po které se snímač podél vedení pohybuje v rovině řezu Číslicová forma snímaného profilu vzhledem k referenčnímu profilu Úplný profil po aplikaci krátkovlnného filtru λs; základní profil reprezentuje základnu pro číslicové zpracování profilu pomocí filtrů profilu a pro výpočet parametrů profilu. Základní profil je základem pro hodnocení parametrů základního profilu. Základní profil získaný snímáním ideálně hladkého a rovného povrchu (optická rovina). Zbytkový profil je složen z úchylek vedení, vnějších a vnitřních poruch a z úchylek vzniklých při přenosu profilu Profil odvozený ze základního profilu potlačením dlouhovlnných složek použitím filtru profilu λc; profil drsnosti je základem pro hodnocení parametrů profilu drsnosti Profil odvozený postupnou aplikací filtru profilu λf a filtru profilu λc na základní profil; profil vlnitosti je základem pro hodnocení parametrů profilu vlnitosti STŘEDNÍ ČÁRY (od kterých jsou podle normy ČSN EN ISO 487 odměřovány souřadnice profilu) Jmenovitý tvar (získaný specifikovaným typem metody nejmenších čtverců není částí základního profilu) je odstraněn před získáním základního profilu Čára nejmenších čtverců přiléhající jmenovitému tvaru základního Střední čára základního profilu profilu Střední čára profilu vlnitosti Čára odpovídající dlouhovlnné složce profilu potlačené filtrem profilu λf Střední čára drsnosti Čára odpovídající dlouhovlnné složce profilu potlačené filtrem profilu λc Norma ČSN EN ISO 487 definuje na profilu následující geometrické parametry: P - parametr - parametr vypočítaný ze základního profilu. R - parametr - parametr vypočítaný z profilu drsnosti. W - parametr - parametr vypočítaný z profilu vlnitosti.

3 Norma ČSN EN ISO PRMETRY STRUKTURY POVRCHU (podle norem GPS) Název parametru 487 Výškové parametry Značka Definováno na l ln Největší výška výstupku profilu Pp,Rp,Wp x Největší hloubka prohlubně profilu Pv,Rv,Wv x Největší výška profilu Pz,Rz,Wz x Průměrná výška prvků profilu Pc,Rc,Wc x Celková výška profilu Pt,Rt,Wt x Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Pa,Ra,Wa x Průměrná kvadratická úchylka posuzovaného profilu Pq,Rq,Wq x Šikmost posuzovaného profilu (skewness) Psk,Rsk,Wsk x Špičatost posuzovaného profilu (kurtosis) Pku,Rku,Wku x 487 Délkové parametry Průměrná šířka prvků profilu PSm,RSm,WSm x 487 Tvarové parametry Průměrný kvadratický sklon posuzovaného profilu Pdq,Rdq,Wdq x 487 Křivky a odpovídající parametry Materiálový poměr profilu (nosný podíl) Pmr(c), Rmr(c),Wmr(c) x Rozdíl výšky úseku profilu Pdc,Rdc,Wdc x Vzájemný materiálový poměr Pmr,Rmr,Wmr x Empirické rozdělení výšek profilu x 1085 Parametry metody motif pro profil drsnosti Průměrná hloubka prvků motif drsnosti R x Největší hloubka profilu nerovnosti Rx x Průměrná rozteč prvků motif drsnosti R x 1085 Parametry metody motif pro profil vlnitosti Průměrná hloubka prvků motif vlnitosti W x Největší hloubka vlnitosti Wx x Průměrná rozteč prvků motif vlnitosti W x Celková hloubka vlnitosti Wte x Parametry křivky lineárního poměru materiálu filtrace podle Hloubka jádra drsnosti Rk x Materiálový podíl Mr1 x Materiálový podíl Mr x Redukovaná výška výstupků Rpk x Redukovaná hloubka prohlubní Rvk x Parametry křivky lineárního poměru materiálu filtrace podle Hloubka jádra drsnosti Rke x 1085 Materiálový podíl Mr1e x Materiálový podíl Mre x Redukovaná výška výstupků Rpke x Redukovaná výška prohlubní Rvke x Parametry pravděpodobnostní křivky materiálu filtrace podle Sklon regresní přímky vedené oblastí plošinek Ppq,Rpq x Sklon regresní přímky vedené oblastí prohlubní Pvq,Rvq x základní profil Relativní materiálový poměr v místě průsečíku oblastí Pmq,Rmq x Při vlastním hodnocení sejmutého profilu formou číselných hodnot parametrů struktury povrchu se uplatňují základny tvořené použitým typem filtru, který slouží k oddělení frekvenčních složek nerovností profilu. (Jedná se o složky signálu různých vlnových délek, příslušející základnímu profilu, profilu vlnitosti povrchu a drsnosti povrchu.)

4 Měřicí prostředky Realizaci metody zabezpečuje dotykový (hrotový) přístroj - (profilometr), který se skládá z mechanické a elektronické části. Mechanický signál, generovaný snímacím hrotem sledujícím nerovnosti povrchu měřené plochy, je v indukčnostním převodníku polohy transformován na signál elektrický, který je dále zpracováván a interpretován jako číselná hodnota zvoleného parametru struktury povrchu, případně jako grafický záznam profilu nerovností povrchu. Snímání profilu měřeného povrchu může být provedeno jako: - snímání absolutní (přednostně; viz ČSN EN ISO 487, 488) kdy měřicí základnou je velmi přesná přímá nebo tvarová dráha snímače, - snímání relativní - kdy měřicí základnou je dráha generovaná opěrnou (kluznou) patkou klouzající po měřeném povrchu. Pohyb dotykového hrotu podél měřeného povrchu musí být velmi přesný co do přímosti i co do rovnoměrnosti. (Generovaný elektrický signál není jen funkcí snímaných nerovností ale také parametrů pohybu.) Jeho rychlost musí být volena s ohledem na dynamické vlastnosti snímacího systému tak, aby při měření hrot nezanechával stopu na měřeném povrchu a aby nerovnosti povrchu věrně sledoval. Snímací systém svými vlastnostmi ovlivňuje získaný profil. Významný vliv má také poloměr zaoblení kluzné patky snímače (při relativním snímání) a celkové geometrické uspořádání systému snímače.pro zabezpečení správnosti a srovnatelnosti výsledků měření drsnosti povrchu jsou některé hodnoty většiny ovlivňujících parametrů normalizovány (viz tabulku). Mechanický signál, generovaný příčným (vertikálním) pohybem hrotu snímače, představuje sejmutý profil nerovností povrchu vzhledem k základně dané způsobem snímání (absolutní, relativní). Tento signál se mění na signál elektrický, který je v příslušných elektronických obvodech dále zpracováván. JMENOVITÉ HODNOTY CHRKTERISTIK PROFILOMETRU (podle normy ČSN EN ISO 374) Geometrie hrotu snímače Statická měřicí síla Mezní vlnová délka filtru profilu (cut-off) Ideálním tvarem snímacího hrotu je kužel s kulovou špičkou: - Poloměr zaoblení špičky: r tip = µm, 5 µm, 10 µm; - Vrcholový úhel kužele: 60, 90, (přednostně 60 ) Jmenovitá hodnota statické měřicí síly ve střední poloze snímacího hrotu: 0,00075 N; Jmenovitá rychlost změny měřicí síly: 0 N.m -1 (Charakteristiky filtru podrobně popsány v ČSN EN ISO 1156) Jmenovité hodnoty mezních vlnových délek filtru profilu (cut-off) se vybírají z řady: mm; 0,08 mm; 0,5 mm; 0,8 mm;,5 mm; 8 mm; mm Filtry profilu Protože obrobený povrch obsahuje soubor nerovností tvořících strukturu povrchu, lišících se zejména svými roztečemi a majících rozdílný vliv na funkci povrchu, je nezbytné při jejich analýze provést jejich separaci. Separace složek struktury povrchu se provádí jejich filtrováním. Filtraci lze provést geometricky nebo filtrováním získaného elektrického vlnovými filtry. Reálné filtry (realizované analogově nebo výpočetně) mají svoje inherentní vlastnosti dané vlastním principem a možnostmi realizace. To způsobuje zkreslení zpracovávaného signálu. Platnými normativními dokumenty jsou jednotlivé složky definovány právě na základě filtrace. Vzhledem k vlastnostem filtrů je kriticky nezbytné splnit stanovené podmínky jejich aplikace.základním prvkem prostředků na měření parametrů struktury povrchu (hrotových přístrojů) je filtr profilu, jehož charakteristiky bezprostředně ovlivňují číselné hodnoty výsledků měření. Dosud byl normalizován filtr profilu typu RC. (Jedná se o dvojitý analogový RC filtr s oddělenými články, se sklonem charakteristiky 1 db/oct., s fázovým posunem 60 na hodnotě cut-off a s přenosem 0,707 na hodnotě cut-off nebo o číslicovou implementaci téže charakteristiky.) Nedostatkem tohoto typu filtru je velké zkreslení způsobené zejména fázovým posunem. Nedostatky lze odstranit použitím fázově korigovaného filtru (viz tabulku).

5 Název Filtr profilu λs filtr profilu λc filtr profilu λf filtr profilu Fázově korigovaný filtr FILTRY PROFILU (podle normy ČSN EN ISI 1156) Definice Filtr rozdělující profily na dlouhovlnné a krátkovlnné složky Filtr určující rozhraní mezi drsností a kratšími složkami vln přítomnými na povrchu Filtr určující rozhraní mezi složkami drsnosti a vlnitosti Filtr určující rozhraní mezi vlnitostí a delšími složkami vln přítomnými na povrchu Filtr profilu, který nezpůsobuje fázový posuv vedoucí k asymetrickému zkreslení profilu Váhová funkce normou zavedeného fázově korigovaného filtru má rovnici Gaussovy funkce hustoty. Přenosová charakteristika filtru (viz obrázek) pro dlouhovlnné složky profilu (střední čára) odpovídá Fourierově transformaci váhové funkce. Přenosová charakteristika krátkovlnných složek profilu je doplňkem přenosové charakteristiky dlouhovlnných složek profilu. (Krátkovlnné složky profilu jsou tedy rozdílem mezi profilem povrchu a dlouhovlnnými složkami profilu.) Pro fázově korigované filtry nejsou udány žádné hodnoty tolerance přenosu. Místo tolerancí se uvádí grafické znázornění úchylek realizovaného filtru od Gaussova filtru v percentuálních hodnotách, v rozsahu vlnových délek od 0,01 λco do 100 λco. Normalizovaný fázově korigovaný má na hodnotě mezní vlnové délky (cut-off) 50 % přenos.filtr musí být, z důvodů získání srovnatelných výsledků, kompatibilní s existujícím RC filtrem dosud definovaným v národních a mezinárodních normách. Podmínky měření struktury povrchu Objektivní měření hodnot parametrů struktury povrchu vyžaduje respektování podmínek, předepsaných příslušnými normami. Jedná se o vztah normalizovaných hodnot poloměru zaoblení špičky snímacího hrotu r tip a poměru mezních vlnových délek (cut-off) drsnosti λc/λs (tab. 1, ČSN EN ISO 374) a tabulky základních délek drsnosti pro měření jednotlivých parametrů a křivek neperiodických a periodických profilů (tab. 1,,3, ČSN EN ISO 488). VZTH MEZI MEZNÍ VLNOVOU DÉLKOU (cut-off) DRSNOSTI λc, POLOMĚREM ZOBLENÍ ŠPIČKY SNÍMCÍHO HROTU r tip POMĚREM MEZNÍCH VLNOVÝCH DÉLEK (cut-off) DRSNOSTI λc/λs λc (mm) λs (µm) λc/λs r tip (µm) Největší hodnota Největší rozteč bodů profilu (µm) 0,08,5 30 0,5 0,5, ,5 0,8, ) 0,5, ) 1, ) 5 1) Pro povrchy s hodnotami Ra > 0,5 µm nebo Rz > 3 µm se může použít r tip = 5 µm bez znatelných rozdílů ve výsledku měření. ) Pro hodnoty mezní vlnové délky (cut-off) λs =,5 µm a 8 µm je téměř jisté, že útlum charakteristiky daný mechanickou filtrací snímacím hrotem s doporučeným poloměrem zaoblení špičky bude ležet mimo definované pásmo přenosu. však malé změny poloměru zaoblení nebo tvaru hrotu budou mít zanedbatelný vliv na hodnoty parametrů vypočítaných z měřeného profilu. Považuje-li se za nezbytné použít pro některou aplikaci jiný poměr hodnot cut-off musí být tento poměr udán 3 Nově vytvářený systém plošného hodnocení struktury povrchu Třírozměrné hodnocení struktury povrchu (3 D) vyžaduje aplikovat použitelné poznatky z dvourozměrného hodnocení struktury povrchu ( D) a zavést další potřebné informace pro úplný popis. Jedná se o aplikaci pojmů a odvozených matematických vztahů pro popis geometrických vlastností nerovností na povrchu vyjádřené prostřednictvím profilu (čarou - profilová metoda) a zavedení nových pojmů a matematických vztahů pro popis geometrických vlastností nerovností na povrchu vyjádřené prostřednictvím ploch (plochou plošná metoda).

6 Základní vlastností plošné metody (3D) je, že zdrojem informace o struktuře povrchu je plocha. Existuje určitý složitý vztah mezi hodnotami parametrů struktury povrchu a rozměrovou přesností ploch (rozměrovou tolerancí), který závisí na funkci navrhované plochy. Účelná a hospodárná volba hodnot parametrů struktury povrchu by měla být provedena podle významu jednotlivých výrobních oborů. Pro některé účely se pořizují trojdimenzionální záznamy povrchu snímáním profilů, vzájemně posunutých ve směru kolmém na směr snímání (přibližná metoda). Pro plný prostorový popis nerovností povrchu lze aplikovat topografickou metodu využívající spojitý záznam v jednotlivých, diskrétně posunutých rovinách řezu. Při praktické aplikaci topografické metody se využívá zařízení umožňující diskrétně posouvat měřený povrch v příčném směru o velmi malé délky (řádově µm). Celý geometrický útvar se zobrazí v šikmém pohledu. Tím je vytvořena prostorová představa povrchu. Plošné hodnocení (3D) se realizuje specifickými parametry. Vyžaduje to využití speciálního software. Pro praktické využívání metodiky je nejdůležitější nalézt vazbu číselných hodnot definovaných parametrů s předpokládanou funkcí povrchu. Jiný způsob aplikuje vytvoření prostorového dojmu rozlišováním rozdílné výškové úrovně nerovností ve vertikálním směru (v ose z) rozdílným označováním bodů (podobně jako vrstevnice). Podobně jako jednotlivé profily při D hodnocení jsou definovány pomocí filtrů podle ČSN EN ISO 1156:1999 [3], tak jsou i jednotlivé povrchy při 3D hodnocení definovány pomocí filtrů: Filtr povrchu aplikuje filtraci na povrch. S-filtr je filtr povrchu definující průsečík mezi základním povrchem a složkami menší velikosti na skutečném povrchu. C-filtr je filtr povrchu definující průsečík mezi základním povrchem a složkami větší velikosti na skutečném povrchu. F-filtr je filtr povrchu, odstraňující tvar ze základního povrchu. Obecné termíny struktury povrchu Podobně jako při D hodnocení obrobeného povrchu (profilová metoda) jsou i pro 3D hodnocení definovány jednotlivé druhy povrchu: Skutečný povrch obrobku je soubor prvků fyzicky existujících a oddělujících celý obrobek od okolního prostředí. Souřadnicový systém je systém, ve kterém jsou definovány parametry struktury povrchu. Vyčleněný povrch (zjištěný povrch) je číslicová reprezentace skutečného povrchu. Základní povrch je vyčleněný povrch po aplikaci krátkovlnného filtru S-filtru.

7 Neomezený povrch je povrch odvozený ze základního povrchu potlačením kratších složek použitím S-filtru a tvaru použitím F-filtru. Omezený povrch je povrch odvozený z neomezeného povrchu potlačením delších složek použitím C-filtru. Topografický povrch je neomezený nebo omezený povrch. Referenční rovina je přidružená rovina, definovaným způsobem přiléhající k topografickému povrchu, k níž jsou vztaženy parametry struktury povrchu. Definiční plocha je velikost plochy použité k definování parametrů charakterizujících posuzovaný povrch. Hodnotící okno je velikost plochy použité k posouzení hodnocené plochy. Hodnotící okno tvoří celý počet definičních ploch a může být navázáno nebo nemusí být navázáno na definiční plochy. (Výběr místa snímání povrchu: Struktura povrchu není zjišťována (měřena) na celé ploše, ale jen na části (viz Hodnotící okno); podobně jaku u profilové metody se nesnímá celá možná plocha, ale jen část, která svojí velikostí umožňuje získat informaci o charakteru nerovností. Přitom se uvažuje, že počáteční poloha snímání není kritická.) Termíny a definice geometrických parametrů pro hodnocení 3D S-parametr je parametr používající data z definiční plochy. V-parametr je parametr objemu materiálu nebo prázdného objemu používající data z křivky plošného poměru materiálu Parametr pole je S-parametr nebo V-parametr vypočítaný pomocí hodnot všech pořadnic v definiční ploše. Parametr prvku je S-parametr nebo V-parametr vypočítaný z dříve identifikovaných topografických prvků v definiční ploše. Hodnota pořadnice Z(x,y) je výška posuzovaného topografického povrchu v libovolné poloze x,y. Vektor místního sklonu Z Z, x y je sklon posuzovaného topografického povrchu v poloze x,y. utokorelační funkce CF(tx,ty) je funkce, která popisuje korelaci mezi povrchem a stejným povrchem posunutým o (tx,ty).

8 CF ( tx, ty) = Z ( x, y) Z( x tx, y ty) Z ( x, y) Z( x, y) dxdy dxdy Fourierova transformace FT(p,q) je funkce, transformující topografický povrch do frekvenčního prostoru. ( p, q) = Z( x y) FT, e ipx+ iqy dxdy Úhlové výkonové spektrum PS(s) je funkce udávající v definiční ploše výkon v daném směru vzhledem k ose y. PS T = () s FT ( r. sin() s, r.cos() s ) 0 dr Termíny geometrických prvků Výstupek je bod na povrchu vyšší než všechny ostatní body v jeho okolí. Vrchol je oblast okolo výstupku v níž všechny nejstrmější trajektorie končí na výstupku. Koryto je hraniční čára mezi sousedními vrcholy. Prohlubeň je bod na povrchu nižší než všechny ostatní body v jeho okolí. Údolí je oblast okolo prohlubně v níž všechny nejvíce klesající trajektorie končí v prohlubni. Hřbet je hraniční čára mezi sousedními údolími. Sedlový bod je bod na povrchu, ve kterém se koryto a hřbet křižují. Topografický prvek je plošný, lineární nebo bodový prvek na topografickém povrchu. Plošný prvek je vrchol nebo údolí. Lineární prvek je koryto nebo hřbet. Bodový prvek je výstupek, prohlubeň nebo sedlový bod.

9 Vrstevnice je čára na povrchu, sestávající z bodů stejné výšky Definice parametrů pole Výškové (amplitudové) parametry Kvadratický průměr posuzovaného topografického povrchu Sq je kvadratický průměr hodnot pořadnic Z(x,y) v definiční ploše 1 Sq = Z, ( x y) dxdy kde = definiční plocha Šikmost posuzovaného topografického povrchu Ssk je podíl kubického středu hodnot pořadnic Z(x,y) a třetí mocniny Sq v definiční ploše Ssk = Z Sq, 3 ( x y) dxdy Špičatost posuzovaného topografického povrchu Sku je podíl kvartického středu hodnot pořadnic Z(x,y) a čtvrté mocniny Sq v definiční ploše. Sku = Z Sq, 4 ( x y) dxdy Největší výška výstupku Sp je největší hodnota výšky výstupku v definiční ploše. Největší výška prohlubně Sv je největší hodnota výšky prohlubně v definiční ploše. Největší výška topografického povrchu Sz je součet největší hodnoty výšky výstupku a největší hodnoty výšky prohlubně v definiční ploše ritmetický průměr posuzovaného topografického povrchu Sa je aritmetický průměr hodnot pořadnic Z(x,y) v definiční ploše

10 Délkové parametry Hustota vrcholů Sds je počet výstupků na jednotku plochy. Sds = počet výstupků Parametr Sds vyžaduje výškové omezení. Standardní hodnota výškového omezení je 5% hodnoty Sz. Nejrychlejší rozpad délky autokorelační funkce Sal je vodorovná vzdálenost CF(tx,ty) mající nejrychlejší rozpad na hodnotu 0,. MIN Sal + tx ty R {, 0,} = tx ty kde R = ( tx ty) : CF( tx, ty), Činitel podélnosti struktury Str je poměr vodorovné vzdálenosti CF(tx,ty) která má nejrychlejší rozpad na hodnotu 0, k vodorovné vzdálenosti CF(tx,ty) která má nejpomalejší rozpad na hodnotu 0,. MIN tx, ty R Str = MX tx, ty R tx + ty tx + ty kde R = {( tx, ty) : CF( tx, ty) 0,} Tvarové (hybridní) parametry ritmetický průměr zakřivení výstupku Ssc je aritmetický průměr hlavních zakřivení výstupků v definiční ploše ( x, y) Z ( x y) n 1 1 Z, Ssc = + n k = 1 x y pro k-tý vrchol

11 Kvadratický průměr sklonu posuzovaného topografického povrchu Sdq je kvadratický průměr sklonu povrchu v definiční ploše. Sdq = ( x, y) Z ( x y) 1 Z, + x y dxdy kde = definiční plocha Poměr rozvinutých mezistranových ploch Sdr je poměr inkrementu mezistranové plochy topografického povrchu v definiční ploše přes definiční plochu. ( ) 1 Z x, y Z ( x, y) Sdr = dxdy x y kde = definiční plocha Křivky a odpovídající parametry Plošný materiálový poměr topografického povrchu Smr(c) je poměr plochy materiálu na dané úrovni c nad referenční rovinou k definiční ploše. Inverzní plošný materiálový poměr topografického povrchu Smr% (p%) je úroveň c nad referenční rovinou, na které vyhovuje daný plošný materiálový poměr p%. Křivka plošného materiálového poměru topografického povrchu je křivka reprezentující plošný materiálový poměr topografického povrchu jako funkci úrovně. Parametry křivky lineárního plošného materiálového poměru Sk, Spk, Svk, SMr1, SMr jsou parametry definované podle ISO :1996 využívající křivku plošného materiálového poměru mplitudová křivka plošných výšek je vzorová funkce hustoty pravděpodobnosti pořadnic Z(x,y) v definiční ploše. Prázdný objem Vv(p%) je objem prázdných míst na jednotku plochy při daném materiálovém poměru vypočítaný z křivky plošného materiálového poměru.

12 Vv K 100% p% ( p% ) = Smr% ( p% ) Smr% ( p) 100% dp Prázdný objem jádra topografického povrchu Vvc je rozdíl v prázdném objemu mezi 10 % a 80 % materiálového poměru. Vvc = Vv (0 %) Vv (80 %) Prázdný objem prohlubně topografického povrchu Vvv je prázdný objem na 80 % materiálového poměru. Vvv = Vv (80 %) Objem materiálu Vm (p %) je objem materiálu na jednotku plochy na daném materiálovém poměru vypočítaném z plošné křivky materiálového poměru. Vm 0% K 100% p ( p% ) = Smr% ( p) Smr% ( p% ) % dp kde K je konstanta k převodu mililitrů specifikovaného objemu na jednotku plochy. Objem materiálu topografického povrchu Vmp je objem materiálu na 10 %. Objem materiálu jádra topografického povrchu Vmc je rozdíl v objemu materiálu mezi 10 % a 80 % materiálového poměru. Vmc = Vm (80 %) Vm (10 %) Histogram sklonů je histogram vypočítaný z topografického povrchu znázorňující relativní frekvence vůči nejstrmějšímu sklonu α(x,y) a směr nejstrmějšího sklonu β(x,y). z y z x ( x, y) 1 α ( x, y) = tan & β ( x, y) = tan 1 z z + y x ( x, y)

13 Ostatní parametry Směr struktury topografického povrchu Std je úhel největší hodnoty úhlového spektra vzhledem k ose y. Std = s které maximalizuje PS(s) Výška povrchu z deseti bodů S5z je aritmetický průměr hodnot výšek pěti výstupků s velkou souhrnnou výškou výstupku sečtený s aritmetickým průměrem hodnot výšek pěti prohlubní s velkou souhrnnou výškou prohlubně v definiční ploše. Klasifikace přístrojů pro měření struktury povrchu Třídy přístrojů pro měření plošné struktury povrchu Přístroj třídy 1 Přístroj třídy 1 s měřicím rozsahem vhodným pouze pro měření struktury povrchu na rovných plochách nebo povrchů, které mají malé změny tvaru. Obvykle je jejich vertikální rozsah menší než 1 milimetr. Přístroj třídy Bezkontaktní (optický) přístroj používá posuvové jednotky v ose X a v ose Y a bezdotykovou (optickou) snímací hlavu pro hodnocení vertikální amplitudy (Z). Přístroj třídy 3 Bezkontaktní (optický) přístroj je obvykle tvořen mikroskopem k získání obrazu plochy, jehož analýzou se získá informace o vertikálních amplitudách (Z). Rozměr měřené plochy závisí na zvětšení mikroskopu. Obvykle zde není uplatněn posuv v ose X a v ose Y. Veličiny X, Y, Z jsou vzájemně propojeny s optikou. Klasifikace metod pro měření plošné struktury povrchu Profilová metoda je skenovací technika měření povrchu, která vytváří dvojrozměrný (D) graf nebo profil nerovností jako měřící data, která mohou být reprezentována matematicky jako výšková funkce z(x). Pro porovnání, plošná profilová metoda a plošná průměrovací metoda jsou využívány pro kvantifikaci struktury povrchu na vybrané ploše, místo na jednoduchém profilu. Plošná profilová (topografická) metoda je metoda měření povrchu, která vytváří topografický obraz povrchu, který může být reprezentován matematicky jako výšková funkce z(x,y) dvou nezávislých proměnných (x,y). Příklady, kdy byly přístroje speciálně vyvinuty pro plošné topografické měření zahrnují dotykovou hrotovou metodu, interferometrii s fázovým posuvem, Plošná profilová metoda může být rozdělena do dvou tříd, obrazová metoda a skenovací metoda

14 Obrazová metoda je technika měření povrchu, kdy záření emitované a odražené od všech bodů na osvětleném povrchu je simultánně zobrazováno kamerou nebo maticí detektoru. Tedy, topografická data od všech bodů na povrchu jsou akumulována téměř simultánně. Příkladem obrazové metody je fázi měřící interferenční mikroskopie a vertikálně skenující interferenční mikroskopie. Skenovací metoda je technika měření povrchu, kdy skenovací snímací hlava rozpoznává výškové změny na povrchu. Když snímací hlava skenuje rastr na povrchu, je profil generován prostřednictvím souboru posloupných měření. Snímací technika může být optická, elektrická nebo mechanická. Plošná průměrovací metoda je technika měření povrchu, která měří reprezentativní oblast povrchu a vytváří kvantitativní výsledek, který závisí na průměrných vlastnostech plošné struktury povrchu. Když je metoda s rozmyslem použita ve spojení s kalibrovaným porovnávacím vzorkem drsnosti nebo kalibrovaným kontrolním vzorkem, může být plošná průměrovací metoda použita jako komparační metoda pro rozlišení struktury povrchu součástí vyrobených podobnými metodami nebo k provedení opakujících se měření struktury povrchu. Příkladem plošně průměrovacích metod jsou: - metoda úplného rozptylu světla; - úhlově rozloženého rozptylu světla; - kapacitance rovnoběžných desek. Klasifikační schéma Přístroje pro měření struktury (viz obrázek) mohou být rozděleny do tří základních tříd: - profilové metody; - plošné profilové metody; - plošné průměrovací metody. Profilové metody vytvářejí topografický profil z(x). Plošné profilové metody vytvářejí topografický obraz z(x,y). Obvykle je funkce z(x,y) rozvinuta vzájemným srovnáním souboru rovnoběžných profilů. Výšková funkce z(x,y) tradičně reprezentuje úchylky špička-špička mezi měřenou topografií a středním povrchem. Topografická data mohou být použita pro výpočet změn parametrů struktury povrchu. Měřené hodnoty těchto a jiných parametrů však závisí na detailech techniky použité k měření. Přístroje pro plošnou profilovou metodu mohou být použity k měření parametrů povrchu s podmínkou, že prostorová rozlišitelnost a krok vzorkování v každém směru (nebo alternativně plocha vzorkování) jsou pro každé měření udány. Navíc je důležité určit, zda přístroj zjišťuje výškové rozdíly mezi profily rastru rozmístěné ve směru osy Y a je-li tomu tak, zda se běžně tyto rozdíly odfiltrovávají.

15 Klasifikace metod měření struktury povrchu Snímání profilu Snímání plochy Průměrování na ploše Zobrazení Skenování Měření z(x,y) Rastr z(x) Snímací hrot Interferenční profilování Kapacitance proužkového pole Snímání optického ohniska Normarskiho diferenciální snímání profilu Interferenční mikroskopie Snímací hrot Snímání optického ohniska Stereoskopická ektronová řádkovací mikroskopie Konfokální optická mikroskopie Normarskiho diferenciální snímání profilu Tunelová řádkovací mikroskopie Mikroskopie atomických sil Úplný integrovaný rozptyl Úhlově rozložený rozptyl Kapacitance rovnoběžných desek 4 Závěr V rámci mezinárodní organizace ISO, v pracovní skupině WG 16 technické komise TC 13 GPS jsou rozvíjeny a řešeny otázky zdokonalování současně normalizovaného systému D; pozornost je věnována zejména otázkám filtrace. Intenzivně jsou rozvíjeny otázky systému 3D a zejména otázky návaznosti profilové a plošné metody a otázky získávání informace z hodnocené plochy. Nové poznatky jsou určeny k využívání národními normalizačními a metrologickými institucemi, výrobci měřicí techniky, průmyslovými institucemi v oblasti strojírenské výroby a v neposlední řadě výzkumnými ústavy a vysokými školami. Řešení problematiky plošného hodnocení struktury povrchu (3D) zahrnuje následující části: ISO XXXXX-X sestává z následujících částí pod všeobecným názvem Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Plošná : Část 1: Termíny, definice a parametry struktury povrchu Část : Specifikace operátorů Část 3: Pravidla porovnávání Část 4: Operátory ověřování Část 5: Jmenovité charakteristiky dotykových (hrotových) přístrojů Část 6: Kalibrace a měřicí etalony dotykových (hrotových) přístrojů Část 7: Klasifikace metod měření struktury povrchu

16 Část 8: Jmenovité charakteristiky optických přístrojů (plán) Část 9: Kalibrace a měřicí etalony optických přístrojů (plán) NORMY G P S PRO HODNOCENÍ, MĚŘENÍ OZNČOVÁNÍ STRUKTURY POVRCHU PRO KLIBRCI PROFILOMETRÚ ČSN EN ISO 374:1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Jmenovité charakteristiky dotykových (hrotových) přístrojů ČSN EN ISO 487:1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Pojmy, definice a parametry struktury povrchu ČSN EN ISO 488:1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Pravidla a postupy pro posuzování struktury povrchu ČSN EN ISO 1156:1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Metrologické charakteristiky fázově korigovaných filtrů ČSN EN ISO 1085:1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Parametry metody motif ČSN EN ISO :1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda; Povrchy mající stratifikované funkční vlastnosti - Část 1: Filtrace a všeobecné podmínky měření ČSN EN ISO :1997, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda; Povrchy mající stratifikované funkční vlastnosti - Část : Výškové charakteristiky využívající křivku lineárního poměru materiálu ČSN EN ISO :000, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda; Povrchy mající stratifikované funkční vlastnosti - Část 3: Výškové charakteristiky využívající pravděpodobnostní křivku materiálu ČSN EN ISO 1179:000, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Kalibrace dotykových (hrotových) přístrojů ČSN EN ISO :00, Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda: Měřicí etalony Část 1: Hmotné míry ČSN EN ISO 5436-:00 Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda: Měřicí etalony Část : Softwarové měřicí etalony ISO 130:003, Technické výkresy Způsoby označování struktury povrchu Doc. Ing. Miroslav Tykal, CSc. Hoblíkova 3, Brno tel: mobil: tykal.m@volny.cz