Metrologija

Transcription

1 Metrologija 2016 P7: 28.nov. Merjenje kotov; kolokvij P8: 5.dec. Merjenje z uporabo strojnega vida P9: 12.dec. Strojni vid; krožnost, valjnost, ravnost P10:19.dec. Hrapavost površin P11: 2.jan. CMM čet. 5. jan. 10:00 v III/? kolokvij: 6. jan P12: 9.jan. seminarji andrej.lebar@fs.uni-lj.si

2 Metrologija poglavje STROJNI VID v tehnoloških meritvah

3 človeško oko

4

5 Odziv filmskega medija (analognega) na vpadlo svetlobno energijo ni linearen ISO 6:1993 method of determining speed for black-and-white film.

6

7 formati slike in branje slike slika je običajno v enem od uveljavljenih zapisov, ki uporabljajo različne vrste stiskanja podatkov ali pa tudi ne z izgubo: jpg, brez izgube: gif, tif, png barvna slika velikosti: 512 * 512 * 3byte = byte sivinska slika velikosti 512 * 512 * 1byte = byte Kompresija slike slike smo dobili na v spisku spodaj vidimo velikost datoteke lenag.tif => 256kB, kar pomeni = 256kB * 1024 = en.wikipedia.org/wiki/lena_söderberg

8 branje slike in prikaz slike v Matlabu beremo sliko z ukazom imread, pokažemo pa jo lahko z različnimi ukazi: clear all imef = 'lenag.tif'; sl = imread(imef); figure(1); imshow(sl) figure(2); image(sl) figure(3); imagesc(sl)

9 prikaz slike in razmerje stranic figure(4); image(sl); colormap gray figure(5); imagesc(sl); colormap gray figure(6); imagesc(sl); colormap gray; axis equal; axis tight whos sl Name Size Bytes Class Attributes sl 512x uint8

10 image handle in lastnosti get(ih) AlphaData = [1] AlphaDataMapping = none Annotation = [ (1 by 1) hg.annotation array] CData = [ (512 by 512) uint8 array] CDataMapping = scaled DisplayName = XData = [1 512] YData = [1 512] set(ih) AlphaData AlphaDataMapping: [ {none} direct scaled ] CData CDataMapping: [ {direct} scaled ] DisplayName XData YData BeingDeleted = off ButtonDownFcn = Children = [] Clipping = on CreateFcn = DeleteFcn = BusyAction = queue HandleVisibility = on HitTest = on Interruptible = on Parent = [ ] Selected = off SelectionHighlight = on Tag = Type = image UIContextMenu = [] UserData = [] Visible = on array ButtonDownFcn: string -or- function handle -or- cell Children Clipping: [ {on} off ] CreateFcn: string -or- function handle -or- cell array DeleteFcn: string -or- function handle -or- cell array BusyAction: [ {queue} cancel ] HandleVisibility: [ {on} callback off ] HitTest: [ {on} off ] Interruptible: [ {on} off ] Parent Selected: [ on off ] SelectionHighlight: [ {on} off ] Tag UIContextMenu UserData Visible: [ {on} off ]

11 %% sprememba velikosti slike I = imread('crosses.tif'); figure(1); imshow(i); IR = imrotate(i,7); figure(2); imshow(ir) [V,S] = size(i); n = 4; ni = imresize(i,[n*v,n*s]); nir = imrotate(ni,7); IRcorr = imresize(nir,[v,s]); figure(3); imshow(ircorr) sprememba velikosti matrike slike; primer uporabe pri rotaciji slike, zato da preprečimo prekrivanje in lomljenje črt (aliasing)

12 'nearest 'bilinear' 'bicubic' 'box' 'triangle' 'cubic' 'lanczos2' 'lanczos3' funkcija imresize pozna različne metode Nearest-neighbor interpolation; the output pixel is assigned the value of the pixel that the point falls within. No other pixels are considered. Bilinear interpolation; the output pixel value is a weighted average of pixels in the nearest 2-by-2 neighborhood Bicubic interpolation (the default); the output pixel value is a weighted average of pixels in the nearest 4-by-4 neighborhood Box-shaped kernel Triangular kernel (equivalent to 'bilinear') Cubic kernel (equivalent to 'bicubic') Lanczos-2 kernel Lanczos-3 kernel

13 %% imresize - natančneje n = 9; A = magic(n); m = 4; B = imresize(a,[m*n,m*n],'nearest'); C = imresize(a,[m*n,m*n],'bilinear'); D = imresize(a,[m*n,m*n],'bicubic'); E = imresize(a,[m*n,m*n],'lanczos3'); figure(1); clf subplot(1,5,1); imagesc(a); title('original') subplot(1,5,2); imagesc(b); title('nearest'); subplot(1,5,3); imagesc(c); title('bilinear'); subplot(1,5,4); imagesc(d); title('bicubic'); subplot(1,5,5); imagesc(e); title('lanczos3');

14 pretvorba v dvobitno (binarno) sliko; pogosto moramo pred analizo pretvoriti sliko sl v črno-belo sliko v Matlabu to naredimo s funkcijo im2bw(sl, meja) prav določanje pravilne meje je ključnega pomena enojna meja T: pixel 1, če je sl(i,j) > T pixel 0, če je sl(i,j) <= T dvojna meja T1 in T2: pixel 1, če je T1 <= sl(i,j) > T2 pixel 0, sicer

15 %% pretvorba v binarno sliko sl = imread('lenag.tif'); meja = graythresh(sl); sl2a = im2bw(sl,meja); sito = find(sl>255*0.6 & sl<255*1); sl2b = zeros(size(sl)); sl2b(sito) = ones(size(sito)); figure(1); clf subplot(1,3,1); imshow(sl); title('original') subplot(1,3,2); imshow(sl2a); title('ena meja') subplot(1,3,3); imshow(sl2b); title('dve meji')

16

17 metrologija poglavje MERJENJE HRAPAVOSTI

18 površine Če v pogovoru govorimo o merjenju izdelkov, imamo ponavadi v mislih ugotavljanje ali so mere izdelka v skladu z merami, kot so širina, dolžina ali premer, to so parametri makrogeometrije predmeta. Seveda je makrogeometrija predmeta predpogoj, da bomo mehanski sklop lahko sestavili in da bo sklop deloval, vendar pa njegovo polno funkcionalnost določa še mikrogeometrija oz. še širše integriteta površine. relevantnost področja mehanizem nastanka površine merilne metode in naprave parametri hrapavosti merjenje hrapavosti -> izobraževanje -> metrologija -> predavanja -> meritve hrapavosti

19 relavantnost področja pravilo palca: če želimo povečati življensko dobo izdelka za faktor dva, moramo integriteto površine izboljšati za faktor deset [Shaw, Metal Cutting Principles] Integriteta površine zmogljivost, življenska doba in zanesljivost [Michael Field, Metcut research, 1973] topografija površine materialne lastnosti površine: - neločljivo povezane z izbiro materiala - spremembe zaradi obdelave materiala Mnenje, da je dobro, da je površina čimbolj gladka, je zmotno, včasih celo nevarno, pa še z večanjem stroškov izdelave je povezano. [po Whitehouse, 2000]

20 integriteta površine napaka nominalna površina prerez značilnosti materialnih lastnosti plastična deformacija zaostale napetosti mikro in makro razpoke trdota površinske plasti fazne spremembe rekristalizacija korozija med zrni krhkost zaradi izpostavitve vodiku značilnosti topografije napake tekstura oblika valovitost hrapavost profil oblika valovitost hrapavost

21 ZAKAJ SO POVRŠINE NEKAJ POSEBNEGA? a [JOHN A. VENABLES, Introduction to Surface and Thin Film Processes] Vezavna energija atoma v primeru preprostega kubičnega kristala. V tem modelu ima atom znotraj materiala 6 vezi z energijo f. Sublimacijska energija na enoto volumna v kristalu je (6 f /2)(1/a 3 ) (polovička je zato, da ne bi šteli vezi po dvakrat). Atomi, ki so na ravnih odsekih površine, imajo eno vez manj, pribitek energije glede na atome v materialu je f / 2a 2 ; atomi ki so na skoku imajo še dodatno pribitek f / 2a 2 glede na atome na "terasi". e snov = 6 f / 2a 3 e površ = (6-5)f / 2a 2 e skok = (5-4)f / 2a e koleno = (4-3)f / 2

22 vpliv topografije površine na funkcionalnost izdelkov Hrapavost in tekstura ključno vplivata na: 1. delovanje naprave 2. kvaliteto izdelka 3. prileganje sestavnih delov 4. zamenljivost komponent 5. mazljivost 6. obrabo 7. korozijo 8. utrujanje 9. hrup 10. trenje 11. videz

23 dvojni vidik merjenja hrapavosti površin površina z vidika proizvodnje orodje površina z vidika funkcionalnosti trenje,obraba obdelava izdelka meritev površine funkcionalnost površine proces nadzor procesa proces izdelave napoved funkcionalnosti funkcionalnost vidna obraba, estetski izgled kakovost skladnosti spreminjanje parametra hrapavosti površine kakovost konstrukcije absolutna vrednost parametra hrapavosti [povzeto po: Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

24 mehanizmi nastanka topografije - AVC I 50 mm abr. zrno odvzeti vol.

25 mehanizmi nastanka topografije - AVC II REZULTATI SIMULACIJE

26 Potočnik P., Grabec I.: Nonlinear model predictive control of a cutting process; Neurocomputing (2002). mehanizmi nastanka topografije - struženje Ayoub Shirvani, An investigation into the design for vibration damping of extended length tool holders, University of Warwick, (1995)

27 koncept nastanka površine na osnovi enotskega dogodka struženo brušeno primer: proces brušenja enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna profil površine brušenje + honanje vibracijsko valjanje vibracijsko valjanje enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna profil površine površina nastane kot konvolucija oblike enotskega dogodka s porazdelitvijo dogodkov po površini David J. Whitehouse, Surface Characterization and Roughness Measurement in Engineering, in Topics in Applied Physics Photomechanics Editor: P. K. Rastogi

28 pri mikro-izdelkih se pomen hrapavosti povečuje Zobnik mikrofluidnega senzorja izelan iz safirja s 355 nm 15 ns laserjem. [Lambda Physik USA, Inc.] Pomen hrapavosti se v domeni mikroobdelave še povečuje. Hrapavost, ki jo poznamo iz grobe obdelave pri konvencionalnih tehnologijah je v razredu značilnih dimenzij mikroizdelka. primer: grobo odrezana površina 10 mm jekla z laserjem ima lahko hrapavost tudi do 100 mm. Femto-sekundni laser Ti-safir: pulz 120 fs a) v zraku, b) v vakuumu in c) primerjava z Nd:YAG laserjem l=1,06 mm; dožina pulza 100 ns, P=50mW, 2kHz. [Sandia National Laboratory]

29 merilne metode in naprave Taktilne normale za primerjanje hrapavosti en.wikipedia.org/wiki/sailing_stones svetloba odkrije podrobnosti tipično opazovanje površine

30 merilne metode in naprave SA: zrcalni kot (specular angle) PA: VRH (peak angle) = kot pri katerem opazimo maksimalni odbiti svetlobni tok osvetlitev procesiranje kamera hrapava površina vzorec koračni motor prenos redukcija obratov zaradi natančnejšega pozicioniranja

31 merjenje profila površine s svetlobnim rezom Pot žarkov v merilniku Schmaltzev merilnik shematično prikazan svetlobni rez Slika, zajeta s kamero

32 merjenje profila površine s profilometrom Tomlinsonov merilnik hrapavosti

33 merjenje profila površine s profilometrom: delovanje Princip delovanja kontaktnega merilnika hrapavosti: ročica (1) drži tipalo (2), ki drsi vzdolž smeri (3) nad površino merjenca (5). Tipalo se giblje v smeri (4) skladno s površino po kateri potuje. Vertikalni položaj tipala predstavlja profil hrapavosti (6), kot je narisano z zeleno črto. tipalo (2): tipalo lahko naredimo bolj konično, vendar bo zato bolj podvrženo obrabi in še interakciji z merjencem! stožec piramida tipična izvedba ima radij 2 mm in kot 60 o

34 pot sredine radija tipala izvedbe profilometrov izvor zaslon detektor konzolni pretvornik tipalo vzmet dušilka pretvornik / transducer merjena površina

35 izvedbe profilometrov čeveljc tipalo pivot

36 hrapavost II. [T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

37 notranja ali zunanja referenca [T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7] [Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

38 profilometer z interferometričnim pretvornikom LASER referenca voziček ročica tipala "Form Talysurf" je zaradi pristopa kombiniranega z interferometrom imel bistveno večji obseg in sicer 2 mm pri ločljivosti 5 nm. Zato ni več tako zelo pomembno ali je vzorec postavljen zelo vodoravno. [X Jiang, P.J Scott, D.J Whitehouse and L Blunt, Paradigm shifts in surface metrology. Part I. Historical philosophy, Proc. R. Soc. A (2007) 463]

39 brezkontaktno merjenje hrapavosti a) pnevmatsko merjenje hrapavosti b) merjenje hrapavosti z vrtinčnimi tokovi

40

41 popis površine napaka Kadar popisujemo obliko površine, največkrat obravnavamo njeno hrapavost in valovitost. Na površinah opazimo tudi poškodbe. Za poškodbe ne obstajajo standardne tolerance in jih je treba opisati posebej. Za hrapavost in valovitost obstajajo predpisani postopki merjenja, ki so popisani s številnimi standardi. amplituda valov Srednja vrednost hrapavosti Ra vrhovi razmik valovna dolžina doline vzorec srednja linija POPIS POVRŠINE hrapavost - mikrogeometrija valovitost - makrogeometrija poškodbe - razpoke, raze, globeli zaradi udarcev

42 hrapavost, valovitost in oblika Kot hrapavost (a) označujemo: naključno nastopajoče odstopke od idealne površine, ki jih lahko vsaj približno prikažemo kot zelo kratke valove. Valovitost (b) so pretežno periodično ponavljajoči odstopki z večjo valovno dolžino. Oblika (c) je nominalna površina oz odstopki od te površine na makro nivoju.

43 parametri hrapavosti površine Najpomembnejše veličine za določanje hrapavosti so: R Z srednja globina hrapavosti, R max največja globina hrapavosti, R a (CLA,AA) aritmetična srednja hrapavost, R q (RMS) kvadratična srednja hrapavost in globina zaglajevanja. R p Obstajajo še druge veličine, ki so samo deloma standardizirane, npr. globina profila P ti, nosilnost profila t pi in druge.

44 parameter Ra hrapavosti površine Aritmetična srednja vrednost hrapavosti je srednja vrednost absolutnih vrednosti oddaljenosti profila od srednje linije znotraj celotne merilne dolžine merjenja l m. Računamo jo po enačbi: R 1 n a z i n i 1

45 parametra Rz in Rmax (DIN 4768) hrapavosti površine Povprečno globino hrapavosti R z dobimo kot aritmetično srednjo vrednost petih posamičnih globin hrapavosti na izbrani dolžini merjenja l m. Njena prednost je v tem, da v manjši meri upošteva povsem izjemno veliko vrednost Z, ki nastopa morda samo na enem mestu. Računamo jo po enačbi: R Z Z 1 Z 2 3 Z 4 Z5 Z 5 Definicija povprečne globine hrapavosti R Z

46 parameter Rp - globina zaglajevanja Parametri hrapavosti, ki so dobljeni s povprečenjem točk v profilu ne izražajo vedno funcionalnosti, ki jo želimo popisati

47 parameter R 3z hrapavosti površine Globina hrapavosti R 3t je navpična razdalja med tretjo najvišjo in tretjo najnižjo točko profila hrapavosti znotraj posameznega merilnega odseka l e Računamo jo po enačbi: 5 1 R 3 z R3 t 5 i 1

48 parameter S m hrapavosti površine Srednja razdalja med brazdami je aritmetična srednja vrednost odsekov srednje linije, ki zajemajo eno izboklino in eno (sosednjo) vdolbino profila, in sicer na posameznem merilnem odseku l e Računamo jo po enačbi: S 1 n m S mi n i 1

49 parametri hrapavosti površine O uporabnosti površine govori nosilnost profila; dobra naj bi imela kolikor mogoče veliko materiala v bližini temenske črte. diagram nosilnosti: Abbottova krivulja

50 struženo jeklo; profil hrapavosti polirana keramika; profil hrapavosti struženo jeklo; krivulja nosilnosti polirana keramika; krivulja nosilnosti

51 atributi oblike profila

52 kontrola in meritve hrapavosti Ustreznost površine glede na zgornjo mejno vrednost ocenimo po naslednjih kriterijih: - prva izmerjena vrednost ne presega 70% označene vrednosti, - po treh merjenjih se ne pojavi prekoračitev mejne vrednosti, - po šestih merjenjih se pojavi samo ena prekoračitev mejne vrednosti, - po dvanajstih merjenjih se pojavita največ dve prekoračitvi. V posebnih primerih je potrebno izvesti večje število meritev po podrobnejših statističnih postopkih.

53 Simbol za predpis lastnosti površine na načrtih po ISO 1302

54 filtriranje profilov Dejanski profil je vsota valovitosti in hrapavosti; pri meritvah ju ločimo s filtriranjem: mehanično - izvedba tipala, ki npr. ne zazna zelo majhnih valov, zato registrira samo valovitost; elektronsko - filtriranje signala z veliko ali samo majhno frekvenco. utežna funkcija profil srednja linija

55 High measuring range up to 260 mm High measuring speed and dynamics (up to 10 mm/s for) merjenje hrapavost na okroglih merjencih meri tudi asferične oblike + hrapavost na teh merjencih

56 merjenje hrapavost na okroglih merjencih

57 priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

58 prednost merilnika brez zunanje reference [T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

59 priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca Mahr Federal: Portable Surface Roughness Tester: Pocket Surf: EMD CAL $1996

60 priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

61 Mitutoyo Surftest Extreme

62 VREDNOTENJE POVRŠINE S PROFILOMETRIJO V TREH DIMENZIJAH OMOGOČA ANALIZO V VEČ SMEREH. 3D parametri

63 nekateri standardi, ki obravnavajo pravilno merjenje hrapavosti

64 računanje parametrov hrapavosti x 10 4 Ra:

65 x 10 4

66 vprašanja: Kakšna je razlika med teksturo površine in integriteto? Integriteta površine se nanaša na vse značilnosti površine, tako materialne, kot tudi topografijo površine, ki vključuje tako hrapavost, kot tudi prevladujoči vzorec na površini; tekstura na drugi strani vključuje le prej omenjene geometrijske značilnosti. Opiši hrapavost, valovitost in vzorec! Hrapavost je povsem ali pa deloma naključna variacija profila površine, značilno je, da ima veliko frekvenco in majhno amplitudo. Valovitost ima daljšo periodo in često tudi večjo amplitudo. Prevladujoči vzorec na površini (tekstura) ima večinoma eno ali več odlikovanih smeri. Meritev mora potekati pravokotno glede na odlikovano smer. Če je vzorec z naključno usmeritvijo je potrebno opraviti več meritev v različnih smereh. Katere metode se uporabljajo za merjenje hrapavosti površin? Taktilne metode, profilometrija in optične metode. Najpogosteje se uporablja jo profilometrične metode, pri katerih naprava opravi gib tipala po površini. Gibanje tipala v vertikalni smeri se po pretvorbi izkoristi za izračun hrapavosti. Opiši vlogo dolžine Lc (cutoff) Je dolžina na kateri dovolimo, da profilometer opravi gib preko merilne dolžine. Kako je mogoče, da imata dve površini enako vrednost Rq ali Ra? Problem srednjih vrednosti je v tem, da zanemarijo specifične značilnosti, ki jih odražajo višji statistični momenti. Kako dobimo krivuljo nosilnosti površine? "izmerimo" dolžino, ki jo zapolnjuje material merjenca na določeni globini. Deleže teh dolžin vnesemo v graf...