Témata
Reklama

Pokrok v hodnocení textury povrchu

18. 11. 2009

Komplexní vývoj metrologie povrchu zahrnuje přípravu měřicí techniky i metod a prostředků hodnocení textury povrchu. Poté co měřicí systémy a zařízení dosáhly relativně vysoké technické dokonalosti v přesnosti snímání a záznamu profilu, příp. plochy povrchu, se pozornost soustřeďuje na zodpovězení otázky, jak změřená data povrchu vyhodnotit a prakticky využít.

Současný způsob hodnocení textury povrchu parametry neumožňuje ucelenější pohled na funkční způsobilost povrchu. Jde tedy o to vybrat vhodné parametry a postupy hodnocení profilu nebo plochy a uživateli doporučit jejich využití. Z hlediska funkčních vlastností kontrolovaného povrchu bude důležité využití výsledků hodnocení jak pro řízení výrobních procesů, tak i pro sledování  chování povrchu, příp. jeho změn, v průběhu celého jeho praktického využívání.

K efektivnějšímu využití výsledků měření textury povrchu by měly přispět i následující novinky - nový způsob filtrace a analýza dominantní vlnové délky profilu povrchu.

Robustní Gaussův filtr - nový způsob filtrace

Při analýze textury povrchu jsou filtry využívány pro oddělení drsnosti od vlnitosti profilu povrchu. Standardně je používán Gaussův filtr, definovaný v ISO 11562. Jedná se o lineární filtr s vhodnou přenosovou charakteristikou, u kterého lze snadno stanovit procentuální přenos pro jakoukoliv zvolenou vlnovou délku. V řadě případů, jako jsou např. povrchy vyrobené několika různými po sobě následujícími metodami, mají lineární filtry nežádoucí vedlejší efekty. Např. Gaussův filtr může být výrazně ovlivněn úchylkami profilu povrchu (ostrými výstupky nebo prohlubněmi).

Uvedený problém dokumentuje záznam části profilu honovaného povrchu filtrovaného klasickým Gaussovým filtrem na obr. 1. Zelenou barvou je zaznamenán základní profil povrchu, modrou filtrovaný profil a červená čára představuje střední čáru (referenční linii) filtru. Při standardním zpracování dat je filtrovaný profil  získáván odečtením střední čáry filtru od základního profilu. Z obrázku je zřejmé, že v oblasti délky profilu ~ x = 2,4 mm se Gaussova střední čára „propadá" do prohlubně (rýhy). Po odečtení střední čáry se prohlubeň efektivně „zvedne" a prakticky se tak zmenší  hloubka prohlubně. Současně se zvětší souřadnice profilu na obou stranách prohlubně a zvětší se tím maximální výška profilu. Obě popsané změny zkreslují průběh profilu povrchu, a proto jsou nežádoucí.

Vhodnější způsob filtrace nabízí nelineární verze Gaussova filtru, který je „odolný" proti ostrým výstupkům a prohlubním, což znamená, že střední čára filtru není tak silně ovlivňována průběhem profilu povrchu. Nový Gaussův filtr označovaný jako robustní je definován ve standardu ISO TS 16610-31. Robustní filtr je především vhodný pro analýzu povrchů, které charakterizují ostré výstupky a prohlubně, jako jsou povrchy honované a povrchy vyrobené litím nebo spékáním (slinováním). Filtr využívá mechanismus opakování, kterým se účinně upravuje váhová (hodnotící) funkce Gaussova filtru v oblasti odchylek profilu. Výsledkem je, že střední čára filtru je podstatně méně citlivá na profil povrchu tvořený ostrými výstupky a prohlubněmi.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Profil povrchu vložky válce po filtraci 0,8mm Gaussovým filtrem

Přednosti nového filtru dokumentuje obr. 2, který představuje profil stejného povrchu (viz obr. 1) zpracovaný robustním Gaussovým filtrem, se stejnou vlnovou délkou jako v prvním případě. Je zřejmé, že střední čára filtru sleduje daleko přesněji profil povrchu. Projevuje se i menší „zvednutí" prohlubně a souřadnice profilu na obou stranách prohlubně se prakticky neposunuly vzhledem k základnímu profilu. Filtrace robustním Gaussovým filtrem zajistí podstatně příznivější hodnocení parametrů výstupků a prohlubní povrchu.

Z porovnání výsledků analýz základního profilu a drsností povrchu (s různou filtrací) vyplývá, že standardní Gaussův filtr významně mění hloubky prohlubní v porovnání jak se základním profilem, tak i robustním Gaussovým filterm.  Ovlivněny jsou i další amplitudové parametry. Naopak při aplikaci robustního Gaussova filtru výrazné výstupky a prohlubně profilu povrchu nedeformují referenční linii filtru.

Porovnání výsledků analýz základního profilu a drsnosti povrchu

Parametry

(μm) 

Základní profil

Gaussův filtr

Robustní Gaussův filtr

Pq/Rq

0,990 6

0,869 0

0,971 1

Pp/Rp1max

1,849 7

1,945 8

1,880 7

Pv/Rv1max

6,232 7

4,938 6

6,026 1

Pt/Rt

8,082 4

6,884 4

7,906 8

Zatímco Gaussův filtr, včetně přenosové křivky je normalizován (ISO 11562), v případě nelineárního robustního filtru není situace tak snadná. Různí uživatelé aplikují vlastní robustní filtry, které se vyznačují mírně odlišnou charakteristikou. K normativní specifikaci filtru má přispět standard VDA 2008 připravený pracovníky automobilového průmyslu v Německu, který stanovuje podmínky zavedení robustního Gaussova filtru. Tento filtr bude používán jako „referenční algoritmus" k testování dalších implementací, pro porovnávání s výsledky získanými z navrhovaného robustního filtru při analýzách vzorových souborů dat (také označovaných jako „softgauges").

Taylor Hobson připravil algoritmus robustního Gaussova filtru, který splňuje předpis standardu VDA 2008. Nový filtr je zařazen v nejnovější verzi programu Ultra. V praxi se robustní filtr osvědčil při hodnocení textury povrchu vložek válců a dalších povrchů, které charakterizují vysoké hodnoty parametru šikmosti.

Analýza dominantní vlnové délky

Dominantní vlnová délka je charakteristickým parametrem periodického profilu textury povrchů vyrobených např. soustružením nebo broušením. Výzkum uvedeného parametru hodnocení povrchu, včetně jeho definice, byl prováděn v úzké spolupráci s německým automobilovým průmyslem.

Analýza dominantní vlnové délky se ukázala užitečná při hodnocení těsnicích vlastností ložisek. Jedná se o případy, kdy vlnitost jedné z těsnicích ploch může způsobovat prosakování těsněného média (např. při těsnění hlav válců). To vedlo ke zdokonalování kontroly těsnosti, např. rozšíření standardní analýzy vlnitosti o analýzu dominantní vlnové délky. Takto byl doplněn i program Ultra 4.3, kterým vybavuje profilometry firma Taylor Hobson.

Při studiu profilu textury povrchu lze často pozorovat, že profil je tvořen opakujícími se úseky s různou vlnovou délkou. Problém je, jak tyto jednotlivé vlnové elementy izolovat. Při aplikaci standardních metod filtrace nejsou často jednotlivé vlnové délky odděleny dostatečně zřetelně nebo jsou vlnové složky výrazně filtrem redukovány. To může mít lavinovitý efekt na parametry hodnocení jako je WSm, které se mohou v důsledku lokálního tvaru nebo působení složené (vícenásobné) vlnitosti podstatně měnit.

Příklad na obr. 3 ukazuje dvě části stejného profilu, které byly analyzovány na vlnitost a dominantní vlnovou délku. Výsledkem analýzy dominantní vlnové délky jsou tři profily (základní, WD1 a WD2). Je třeba poznamenat, že jeden nebo oba - WD1 nebo WD2 - mohou být nulové. Profily dokumentují jednoznačnou detekci i separaci dominantních částí profilu. Přitom hodnocení bylo provedeno na skutečném povrchu obrobeném čelní válcovou frézou.

Pro získání profilu vlnitosti je třeba použít vhodný filtr. Na obr. 4 jsou zaznamenány profily získané filtrací Lc = 0,08 mm a Lc = 0,25 mm. Při aplikaci filtru 0,08 mm je potlačena drsnost a zobrazeny jsou obě hlavní vlnové délky na profilu. Naopak filtr 0,25 mm propustil větší vlnovou délku, ale potlačil části profilu s kratší vlnovou délkou. Při dvou profilech vlnitosti na povrchu nejsou tyto od sebe odděleny. Použití filtru s větší vlnovou délkou zajistí zřetelnější zobrazení částí profilu, např. na obrázku v rozmezí délky 10,5 až 11,5 mm, kde profil neprotíná střední čáru, i když je jasná změna jeho tvaru. To je důsledek působení dalších přítomných vlnových délek nerovností profilu, které ovlivňují výsledky. Přestože profil neprotíná střední čáru, ovlivní jeho průběh velikost hodnoty Sm.

Obr. 3. Analýza dominantní vlnové délky frézovaného povrchu - profily základní, WD1 a WD2.
Obr. 4. Profil vlnitosti povrchu po filtraci filtry: Lc = 0,08 mm (horní záznam); Lc = 0,25 mm (dolní záznam).

Následující tabulka uvádí rozpětí hodnot Sm získaných analýzami dominantní vlnové délky a standardní vlnitosti (provedené dvěma různými filtry). Analýza byla provedena nejprve na celé délce profilu (tj. 15 mm) a poté na úsecích prvních a posledních 12 mm. Samozřejmě se kratší úseky výrazně překrývají. Výsledky jednoznačně dokumentují větší spolehlivost parametru Sm získaného z analýzy dominantní vlnové délky.

Analýza dominantní vlnové délky a standardní vlnitosti

 

WD1Sm

WD2Sm

WSm (mm)

WSm (mm)

 

(mm)

(mm)

Lc = 0,08 mm

Lc = 0,25 mm

Celá délka profilu

0,624

0,130

0,421

0,867

Úsek prvních 12mm

0,624

0,130

0,374

0,883

Úsek posledních 12mm    

0,618

0,130

0,390

0,734

Rozpětí

0,006

0,000

0,047

0,149

Rozpětí v % stř. hodn.

1

0

12

18

Při analýze profilu povrchu na dominantní vlnovou délku lze předpokládat, že buď bude vyhodnocena jediná (WD1L), příp. dvě dominantní vlnové délky (WD1L a WD2L), nebo že dominantní vlnovou délku nelze vůbec stanovit. To bude v případech, kdy kontrolovaný povrch je buď perfektně hladký nebo jsou stopy po dokončovacích operacích náhodně orientovány i rozmístěny.

Společnost Taylor Hobson v poslední verzi programu Ultra, kterým standardně vybavuje vyráběné profilometry, nabízí využití nových možností robustního Gaussova filtru i analýzy dominantní vlnové délky pro hodnocení profilu povrchu.

Ing. Zdeněk Novák

znovak@upcmail.cz

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 91109
Datum: 18. 11. 2009
Rubrika: Inovace / Měření
Autor:
Firmy
Související články
Vývoj průmyslové tomografie

Tomografie jako zobrazovací metoda vznikla brzy po zavedení rentgenografie do praxe, a to jak (převážně) lékařské, tak průmyslové. Smyslem vytvoření tomografického záznamu – tomogramu – bylo zachytit řez zobrazovaného objektu, nejčastěji ukrytého ve hmotě, která jej obklopuje tak, aby na tomto řezu byl zřetelný obrys jeho tvaru. Řada takovýchto řezů pak umožnila učinit si představu o skutečném tvaru a umístění objektu.

Experimentální zařízení pro měření dynamického chování radiálního vodního čerpadla

Součástí nabídkového řízení velkých vodních čerpadel je i přejímací test zmenšeného modelu čerpadla, na němž jsou zákazníkovi předvedeny jeho hydraulické charakteristiky a současně jsou testovány reakční síly v čerpadle. Tyto údaje jsou velmi důležité pro finální dimenzování stavby vodního díla.

Kontrola rotačních součástek v sériové výrobě

Hřídelové a kotoučové součástky patří k nejrozšířenějším ve strojírenství. S nástupem elektromobility jejich podíl zřejmě ještě poroste. Sériová výroba běžně pracuje v sekundovém taktu, a stejně tak rychlá musí být nově i kontrolní technika. Stoprocentní kontrola se již stává samozřejmostí.

Související články
Indukční průtokoměry MIM: další vývoj

S indukčním průtokoměrem model MIM jsme vás seznámili již v minulosti. Jedná se o jedinečný přístroj ve své kategorii. Jak se lidově říká, tento přístroj nabízí „za málo peněz hodně muziky“.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Automatické rovnání součástek

Při výrobě zejména rotačních součástek s větším poměrem L/D dochází běžně k jejich prohnutí, a to bez ohledu na to, jestli mají hřídelový, nebo trubkový tvar. Pokud vznikne prohnutí při poslední operaci, je jedinou možností nápravy rovnání. To se ale často zařazuje i před konečné broušení.

Průtokoměr s oválnými koly

Potřeba měřit viskózní látky v průmyslu je velká. Společnost Kobold Messring pro tyto aplikace vyvinula průtokoměr s oválnými koly, model DON.

Převratná novinka pro povrchy

Novinku pro měření vlastností a jakosti povrchu nazvanou TALYScan 280 představila Společnost Taylor Hobson. Jedná se o bezkontaktní, optický přístroj navržený pro rychlou a přesnou 3D kontrolu povrhu v dílenském prostředí.

Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Délkové snímače pro automatickou kontrolu

Linková montáž mění výrazně charakter kontroly. Do linek jsou integrovány automatické kontrolní stanice pro 100 % kontrolu s taktem v řádu sekund a s přesností běžnou donedávna jen u laboratorní měřicí techniky.

Plováčkové průtokoměry na olej

Výrobou přístrojů pro polní instrumentaci se dlouhodobě a úspěšně zabývá celosvětově působící společnost Kobold Messring. Do jejího hlavního programu patří průtokoměry, teploměry, hladinoměry a tlakoměry.

Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

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