Témata
Reklama

3D analýzy a filtrace profilu povrchu

Kvalitativní rozvoj měřicích a zejména vyhodnocovacích metod pro posuzování kvality textury povrchu urychlil praktickou aplikovatelnost dokonalejší prostorové charakteristiky jeho profilu. Komplexnější popis vlastností povrchu je přínosný nejen pro jeho detailnější poznání, ale především rozšířením poznatků o vztahu stavu povrchu k jeho funkčnímu chování.

Trojrozměrné hodnocení textury povrchu (3D) využívá aplikovatelné poznatky z dvojrozměrné analýzy profilu, které rozšiřuje o nové využitelné poznatky charakteristiky profilu plochy. Jedná se o spojení terminologie i popisu jednoho profilu povrchu (profilová metoda) s novými pojmy a matematickým popisem geometrie nerovností povrchu na ploše (plošná metoda).

Reklama
Reklama


Schéma měření a hodnocení profilu povrchu 3D. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Uvedené schéma procesu analýzy profilu povrchu 3D je charakterizováno v doporučení ISO 25178. V uvedené normě jsou definovány 3D parametry textury povrchu, které jsou označovány S pro povrch a V, týkají-li se objemu. Na rozdíl od označení parametrů 2D nezaznamenají podmínky filtrace – tedy P (základní), R (drsnost) nebo W (vlnitost). Pro získání 3D parametrů drsnosti nebo vlnitosti je třeba profil povrchu nejprve filtrovat potřebným filtrem (operátorem) a teprve poté stanovit hodnoty 3D parametrů. Přitom 3D parametry jsou stanoveny pro celou hodnocenou plochu, kdežto 2D parametry jsou průměrné hodnoty vztažené na počet základních délek.

Ale pozor, i když je terminologie standardu ISO 25178 srozumitelná, objevují se zde nové pojmy:

S filtr ‒ odstraní nejmenší elementární nerovnosti povrchu (nebo nejkratší vlnové délky u
lineárního filtru);
L filtr ‒ odstraní největší elementy povrchu (nebo nejdelší vlnové délky u lineárního filtru);
F operátor ‒ potlačí (vyloučí) nominální tvar;
S-L povrch ‒ získá se po filtraci S a L (aplikací filtru L na povrch S-F). Je ekvivalentem drsnosti nebo vlnitosti povrchu;
S-F povrch ‒ získá se po filtraci S a aplikaci operátoru F (tj. po aplikaci operátoru F na
základní povrch). Základní povrch se získá po filtraci S;
Nesting index (ve schématu ozn. S1, S2, F a L) odpovídá cut-off vlnové délky lineárního filtru nebo velikosti (měřítka) strukturního elementu morfologického filtru.

K získání parametrů pro prostorové hodnocení povrchu (3D) se využívá speciální software. Pro praktické využití metodiky hodnocení je velmi důležité nalézt vazbu mezi hodnotami definovaných parametrů a předpokládanou funkcí povrchu.

Techniky filtrace

Filtrace představuje velmi důležitý prvek procesu analýz textury povrchu ovlivňující hodnoty měřených parametrů. Aplikace filtrací v analýzách má řadu důvodů. Např. morfologický filtr se běžně používá ke korekci vlivu snímacího hrotu na nezpracovaná data nebo se filtrací odstraňují odlehlé výstupky při „čištění“ změřených dat optickým snímačem atd. Ovšem hlavním důvodem filtrace je separace krátkovlnných a dlouhovlnných složek profilu povrchu, tzn. oddělení vlnitosti od drsnosti a stanovení odpovídajících charakteristických parametrů.

Základním cílem prvních filtrů RC, tvořených odpory a kondenzátory, bylo zabránit velkým změnám výstupního signálu, aby bylo možné profil povrchu správně indikovat nebo zobrazit. Postupným vývojem se začaly využívat počítače jako vyhodnocovací prostředky profilometrů, s aplikací desek analog/digital. Poté byl normalizován filtr pro úpravu profilu povrchu typu 2RC – jedná se o dvojitý analogový RC filtr s oddělenými články. Nedostatkem tohoto typu filtrů je zkreslení přenosové funkce způsobené zejména fázovým posunem. K řešení problému byla připravena verze fázově korigovaného filtru označená 2RC-PC, ale současně se intenzivně pracovalo na vytvoření nového korektnějšího filtru.

Podobně jako byly jednotlivé profily při hodnocení 2D definovány podle filtrů (ISO 11562:1996), bylo třeba jednotlivé povrchy pro 3D hodnocení definovat podle nových filtrů. Proto byla v návaznosti na standard ISO 25178 (Textura povrchu: Plocha) připravena norma ISO/TS 16610, která zahrnuje veškeré současné prostředky filtrace využívané při zpracování profilu v režimu 2D hodnocení, ale i stávající a zejména nové filtry vhodné pro úpravu povrchu v prostorovém hodnocení 3D. Nový standard definuje filtry typu Gauss, spline, robustní, morfologické, wavelet, cascading atd. Na některé z nich je z hlediska využití při analýze textury povrchu dále upozorněno.

Norma Gaussova filtru definuje převodovou funkci pro nízkopropustný filtr vytvářející vlnitost (střední čáru) profilu. Odečtením této střední linie od základního profilu se získá drsnost profilu povrchu.

Gaussův filtr ‒ přenosová charakteristika filtru drsnosti (modrá) a filtru vlnitosti (červená) pro několik různých hodnot cut-off. Křivky se protínají v 50% přenosu.

Při dané hodnotě cut-off filtr přenáší (zmenšuje) 50 % amplitudy vlnové délky. Přenosová charakteristika představuje plynulou progresivní funkci. Volba cut-off je výrazně závislá na aplikaci povrchu, aby správně oddělila vlnové délky textury. Gaussovy filtry jsou dlouhodobě využívány v průmyslu i výzkumu, přestože jejich funkce není zcela korektní kolem izolovaných výstupků povrchu, stupňů apod. Proto byly připraveny robustní filtry.

Střední linie (rovina) robustního Gaussova filtru sleduje přesně trend profilu bez narušení izolovanými vrcholy. Tento regresivní filtr je definován jako iterační algoritmus, který určuje místní váhu (významnost) na základě vzdálenosti mezi profily základním a vlnitosti. Robustní Gaussův filtr je přednostně používán pro stratifikované povrchy a prezentaci tvarů, drážek nebo pórů.

Filtrovaný povrch – Gaussův filtr (vlevo) s narušením místní nespojitostí; robustní Gaussův filtr (vpravo) poruchu odstranil.

Kubický spline filtr zajistí plynulé spojení řadou bodů geometrickou křivkou. Splines se užívají ke kreslení zakřivených souvislých tvarů v programech CAD nebo k interpolaci datových bodů. Při aplikaci kubického spline filtru není křivka proložena datovými body, ale vloženými body. Pružné propojení datových a vložených bodů charakterizuje konstanta pružnosti. Nastavení této konstanty v rozmezí 0 až 1 umožní řízení funkce filtru.

V normě je definován i robustní spline filtr, a to opět pro profil i pro plochu. Obě provedení spline filtrů jsou funkčně velmi podobná s Gaussovým filtrem.

Spline filtr ‒ vložené body (zelené) jsou pružně spojeny s původními body. Proložená spline křivka (modrá) reprezentuje filtrovaný profil vlnitosti.

Wavelets filtry jsou založeny na analýze lokálních harmonických s využitím krátkodobých signálů. Při analýze textury povrchu jsou využívány především pro rozklad profilů a povrchů do různých velikostních skupin, což umožní identifikaci konkrétního měřítka úchylek i odstranění rušivých velikostních elementů a následnou rekonstrukci „očištěného“ signálu. I tyto filtry jsou definovány jak pro profily, tak i pro plochy.

Profil povrchu obsahuje dvě superponované periodické struktury. Po filtraci Discrete Wavelets Filter s použitím Meyer wavelet jsou odděleny dva signály připravené pro další analýzy.

Morfologické filtry respektují působení dvou morfologických procesů – dilatace (prodloužení, roztažení) a eroze (opotřebení, obrušování) ‒, které ovlivňují velikost strukturních částic povrchu. Různou kombinací obou procesů se mění charakteristika povrchu a morfologický filtr vytváří horní nebo dolní obálku povrchu. Morfologické filtry jsou používány pro vyrovnávání povrchu vzhledem k obálce.

Fourierova transformace je využívána k progresivní filtraci profilů povrchu a získání Fourierova spektra. Tradiční filtr obvykle využívá rychlou Fourierovu transformaci (FFT) s uplatněním váhové funkce spektra. Fourierova transformace je aplikována buď lokálně, nebo se stanovenou prahovou hodnotou pro odstranění specifických spektrálních vrcholů nebo směrovostí. Filtry FFT jsou uživateli nabízeny v modulu Fourier & Wavelets Analysis a v programu MountainsMap Premium.

Filtrace FFT: Povrch je narušen odchýlenými pásy rovinnosti způsobenými úchylkami přímosti osy stolku Y.

Praktické rozšiřovaní prostorového měření a hodnocení textury povrchu (3D) je teprve na začátku. Dosud zpracované standardy, metodiky a doporučení vytvářejí pouze základní rámec pro uplatnění a využití této nové oblasti metrologie kvality povrchu. Plnohodnotné využití v praxi bude ještě nepochybně vyžadovat velké koordinované úsilí výzkumu, výrobců (i měřicí techniky) a uživatelů v různých oblastech uplatnění. Je zřejmé, že další vývoj přinese nejen nové poznatky v metrologii povrchu, ale především rozšíření a ověřování způsobů kontroly textury povrchu v praxi s cílem zajistit přípravu vhodně cíleného povrchu s definovanými vlastnostmi.

Ing. Zdeněk Novák, zpracováno z materiálů firmy Digital Surf

novakzdene@seznam.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 150509
Datum: 06. 05. 2015
Rubrika: Výroba / Metrologie
Autor:
Firmy
Související články
Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Na cestě k nulové chybě upínání

I ta nejmenší cizí tělíska (prach, třísky apod.) mezi dutinou vřetena a stopkou nástroje mohou zapříčinit nepřesnost upnutí vrtáku nebo frézy, což má za následek výrobu zmetků nebo poškození nástroje a tím přerušení výroby. Toto mohou odstranit měřicí systémy se senzory.

Související články
Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Je zaškrabávání nezastupitelná metoda?

V minulém vydání jsme uvedli 1. díl pohledu do minulosti i současnosti řemeslné výroby obráběcích strojů. Nyní vám přinášíme pokračování tohoto článku o unikátní metodě – technologii zaškrabávání.

Kompozitní galvanické povlaky

Stále se zvyšující požadavky na vlastnosti povrchů urychlily vývoj slitinových povlaků kombinovaných s povlaky kompozitními, čímž se vzájemně kombinují a rozšiřují výhody a možnosti nových povlaků.

Sedm celoživotních návyků

Ve věku, kdy se většina lidí spokojeně těší do důchodu, podnikatel z americké Indiany, Don Wood, založil firmu, která se ukázala být jeho největším celoživotním úspěchem. Růst firmy s názvem 80/20 je záviděníhodný a vznikl díky perfektním organizačním dovednostem a energii vložené zakladatelem firmy. Jeho recept na úspěch přesto není přísně střeženým tajemstvím.

Automatický systém aktivního řízení lunet pro ustavení klikových hřídelí při opr

Systém řeší specifické problémy charakteristické pro třískové opracování klikových hřídelí pro pístové motory určené především pro lodní průmysl. Nepřesné uložení klikových hřídelí při opracování se projevuje tzv. dýcháním velikosti v řádu mikronů. Dýchání hřídelí při otáčivém pohybu během opracování je způsobeno pružností hřídele, její hmotností a tím, že osa otáčení nesouhlasí přesně s osou hřídele a má přímý vliv na celkovou přesnost zalomené hřídele. Hodnoty dýchání příslušné k jednotlivým zdvihům se obecně mění v závislosti na úhlu natočení hřídele. Je-li však hřídel přesně ustavena, potom při jejím otáčení nenastává žádné dýchání. Původní technologie je řešena ručním nastavením podpěrných sil oscilačních lunet bez jakékoliv automatizace.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

MSV představí svět budoucnosti

Mezinárodní strojírenský veletrh vstupuje do svého již 61. ročníku. Během let se z něj stal nejrenomovanější oborový veletrh. Je tedy jasné, že řídit jej tak, aby renomé neztratil, není nic snadného a vyžaduje to člověka nejen schopného, ale i zkušeného. Současný ředitel, Ing. Michalis Busios, bezesporu splňuje obojí. Dokladem je skutečnost, že pro veletrh úspěšně pracuje již od roku 2008.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit