Projekt:
CENTRUM VZDĚLÁVÁNÍ PEDAGOGŮ ODBORNÝCH ŠKOL
Kurz: Drsnost povrchů a rychlé děje v objektivu vysokorychlostního kamerového systému
1
Obsah: 1.
Drsnost povrchu a jeho parametry .................................................................................................... 3
2.
Snímání a vyhodnocování vysokorychlostních dějů ........................................................................ 12
Použitá literatura…………………………………………………………………………………………………….………………………….15
2
1. Drsnost povrchu a jeho parametry Drsnost povrchu je geometrická technická veličina, definovaná jako souhrn nerovností s relativně malými vzdálenostmi (roztečemi). Tyto nerovnosti jsou obvykle způsobovány při obrábění břitem řezného nástroje a jeho posuvem, dále při odlévání, tváření apod. Vlnitost a případné úchylky tvaru se do drsnosti povrchu nezahrnují. V současné době se přešlo na novou veličinu - struktura povrchu, která kromě drsnosti povrchu zahrnuje ještě další veličiny: -
drsnost povrchu, tzv. parametry R (Roughness) vlnitost, tzv. parametry W (Waviness) základní profil, tzv. parametry P (Profile).
Parametry struktury povrchu se člení podle následující tabulky: ČSN EN ISO 4287 4287 4287 4287 12085 13565-2 13565-3
druh parametru, jeho název a značka Výškové parametry např. největší výška profilu (Rz, Wz, Pz,) průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu (Ra, Wa, Pa) apod. Délkové parametry např. průměrná šířka prvku profilu (Rsm, Wsm, Psm) Tvarové parametry např. průměrný kvadratický sklon posuzovaného profilu (Rdq, Wdq, Pdq) Křivky a odpovídající parametry např. vzájemný materiálový poměr (Rmr, Wmr, Pmr) Parametry metody motif Pro profil drsnosti povrchu: průměrná hloubka prvků motif drsnosti (R), pro profil vlnitosti: průměrná hloubka prvků motif vlnitosti (W) Parametry křivky lineárního poměru materiálu např. hloubka jádra drsnosti (Rke), materiálový podíl (Mr1e, Mr2e) Parametry pravděpodobnostní křivky materiálu např. sklon přímky v oblasti plošinek, popř. prohlubní (Rpq, Ppq)
Parametrem, který je obvykle u drsnosti povrchu nejčastěji používán, je průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra v rozsahu základní délky lr. Téměř 92% všech strojírenských podniků používá tento parametr. Pro oddělení drsnosti povrchu od jiných geometrických úchylek, například vlnitosti, slouží základní délka Ir, popřípadě cut-off. Hodnoty základní délky závisejí na charakteru obrobené plochy (zda jde o povrch periodický nebo aperiodický) a na jejich parametrech drsnosti. Ty jsou uvedeny v následující tabulce: Hodnoty základní délky Ir Periodický profil Aperiodický povrch Rsm Rz mm mm od 0,01 do 0,04 do 0,1 přes 0,04 do 0,13 přes 0,1 do 0,5 přes 0,13 do 0,4 přes 0,5 do 10 přes 0,4 do 1,3 přes 10 do 50 přes 1,3 do 4 pPřes 50
Aperiodický profil Ra mm do 0,02 přes 0,02 do 0,1 přes 0,1 do 2 přes 2 do 10 přes 10
3
Základní délka Ir mm 0,08 0,25 0,8 2,5 8
Podle ČSN EN ISO 13565-1 se má přednostně používat Ir = 0,8 mm, případně může být vybrána Ir = 2,5 mm. To by však mělo být uvedeno v protokolu o měření. Mezi parametry Ra a parametrem Rz existuje přibližný převodní vztah: - u povrchů, jejichž profil je zpravidla periodický, např. u povrchů soustružených, hoblovaných, frézovaných (jde zpravidla o hrubší povrchy) je poměr hodnoty 1 : 4, - u povrchů, jejichž profil je zpravidla aperiodický, např. u povrchů leštěných, broušených nebo lapovaných (jde zpravidla o velmi jemné povrchy) dosahuje tento poměr hodnoty až 1 : 8, popřípadě 1 : 10. Pro parametr největší výška profilu Rz, který vyjadřuje obvykle hloubku ojedinělých rysek, nelze takový poměr stanovit.
1.1 Měření drsnosti povrchu a vlnitosti Metody měření drsnosti povrchu se dělí na: kvalitativní metody: jsou založené na porovnávání kontrolovaného povrchu, respektive kontrolované drsnosti povrchu s porovnávacím vzorkem drsnosti povrchu. Vzorky drsnosti povrchu různých stupňů drsnosti vytvářejí tzv. sady vzorků, popřípadě vzorkovnici drsnosti povrchu kvantitativní metody: používají se zejména ve strojírenství. Nejběžnějším měřicím přístrojem je dotykový profilometr. Tento elektronický přístroj se skládá z posuvové jednotky se snímačem a z vyhodnocovací jednotky, která je zpravidla spojena se zapisovačem nebo tiskárnou. Snímače jsou vyměnitelné a umožňují měření na různých plochách. Měřený profil se snímá diamantovým hrotem s velmi malým poloměrem zaoblení. Podle způsobu, jak je diamantový hrot v posuvové jednotce veden, rozdělují se metody měření dotykovým profilometrem na: - relativní metody: diamantový hrot je po měřeném povrchu veden opěrnou patkou snímače, která do značné míry eliminuje vliv vlnitosti - absolutní metody: diamantový hrot je po měřeném povrchu veden speciálním přímovodem, takže měřené hodnoty se vztahují k referenční přímce a ve výsledku je zahrnut celkový profil včetně vlnitosti a případné úchylky tvaru Měření vlnitosti - u rovinných ploch na profilometrech vybavených vhodnými posuvovými a příslušnými filtry (cut-off) - u válcových ploch a kruhových profilů na kruhoměrech vybavených potřebnými filtry Co je to drsnost povrchu? Obecná definice: Drsnost je funkce jakosti povrchu (odpor proti smýkání jiného tělesa). Tuto definici lze vyjádřit různými způsoby. Jiný náhled má výrobce odrazových plochreflektorů a výrobce kluzných ložisek. A protože existuje mnoho náhledů na jakost povrchu, existuje i mnoho požadavků a vyhodnocovaných hledisek. Co je to Cut-off (mezní vlnová délka)? Cut-off (lambda s,ls.ls) - označení filtru pro oddělení drsnosti a vlnitosti. Zpravidla se nastavuje velikost 0,8 a podle kvality povrchu může být větší nebo menší. Normami je daná řada doporučených hodnot tabulkou (EN ISO 3274). Filtr může být zásadně několika typů. Starší RC filtr (též označovaný jako analogový), který se využíval výlučně až do nástupu výpočetní techniky (cca r. 1980). Mladší filtr M1 4
(matematický), který přišel s nástupem procesorů do měřidel. Hlavní rozdíl mezi filtry je ve zkreslení profilu drsnosti při filtraci. Každý filtr zkresluje, ale M1 je věrnější. Jaký máme použít cut-off, měřenou délku, atd. (obecně měřící podmínky)? Pro nastavení Cut-off existuje pravidlo dle DIN EN ISO 4288 nebo 3274. Toto pravidlo nevylučuje nastavení podmínek dle vlastních organizačních předpisů. Toto bývá nejčastější příčina nejasností. Jaký máme použít snímač? Každý relativní snímač do určité míry mechanicky filtruje vlnitost. Některý více, druhý méně a další jiným způsobem. Je to velmi důležitá podmínka měření stejně jako geometrie diamantu. Který parametr máme použít? Kterýkoliv parametr drsnosti popisuje jedním číslem trojrozměrný obraz povrchu součásti. Jeden parametr má nízkou vypovídací schopnost. Podle zkušeností konstruktéra, technologa aj. se předepíše určitý sledovaný parametr, který popíše vlastnost povrchu. Měří náš přístroj dobře? Kontrola přístroje je komplikovaná záležitost. Fakt, že přístroj zopakuje hodnotu na etalonu, je poslední nutná podmínka dobrého chodu přístroje, nikoliv postačující. Úplná kalibrace přístroje a ověření správného chodu je záležitostí ověření dalších funkcí. Pro běžnou kvalitní kalibraci je vhodné přístroj zkontrolovat na dvou různých etalonech. Obvykle je poškození diamantu patrné při měření na etalonu. Existují však případy, kdy poškození diamantu je pouze částečné a další "kalibrace"(ve smyslu znovuseřízení či autokalibrace) bývá pouze dalším zanesením chyby do měření. Doporučujeme tuto činnost přenechat na odborný servis. Co ovlivňuje kvalitu měření drsnosti? Čistota povrchu - platí zde pravidlo: čím čistší, tím lepší. V důsledku čistšího povrchu se však naměří vyšší hodnoty drsnosti - tedy "horší" kvality povrchu. Teplota prakticky nemá vliv v rozsahu běžných teplot (15°C - 30°C). Chvění – je vždy spojeno s hlukem. Hluk je v podstatě chvění přenášené vzduchem. Chvěje se neustále vše kolem nás a ve výrobních halách se chvění vyskytuje hojně. Chvění je obvykle pro lidské smysly nezjistitelnou veličinou, ale lze ho objevit testem. Ovlivňuje hodnoty drsnosti směrem nahoru a měření absolutními snímači hraje velmi významnou roli. Závěr: "Špatně" provedené měření se může projevit zkreslenou hodnotou dolů i nahoru. Jak se přepočítají parametry drsnosti? Existuje vzorec? Zásadně platí: Parametry se nepřepočítávají a neexistuje pravidlo pro přepočet parametrů. Jaké jsou nové normy drsnosti? Poslední významné změny jsou zachyceny v normách DIN EN ISO 4288 a 3274. Nejvýznamnější změna je, že všechny parametry jsou definovány na 1 cut-offu. Tím se významně změnily definice některých parametrů. Co to je relativní a absolutní snímač drsnosti? Relativní snímač drsnosti je každý snímač s kluznou patkou (botkou). Patka funguje jako mechanický filtr vlnitosti. Proto další diskuse o vyhodnocování vlnitosti s tímto snímačem nemají smysl. Patka také odstraní většinu chvění. Praktická měření "patkovým" - relativním snímačem jsou velmi rychlá a bezpečná (ve vztahu ke zničení hrotu), a proto jsou velmi rozšířená u levnějších přístrojů. Absolutní snímač pracuje na principu dotyku diamantového hrotu s povrchem bez použití opěrné patky. Proto potřebuje poměrně velmi přesný vodící mechanizmus (přímovod). Kvalita 5
vedení přímovodu je obrazem kvality přístroje. Absolutní snímač zobrazí věrně plochu součásti, ale měření je pomalejší a citlivé na otřesy. Tato metoda se používá vždy v případě diskusí o různých metodách měření drsnosti (vlivů opěrné patky, cutoffu atd.). Co to je kluzná patka, má vliv na měření? Kluzná patka (botka) je ta část snímače, která se dotýká povrchu součásti a při měření po něm klouže. Patka se vyrábí z velmi odolných materiálů. Dříve rubín, nyní většinou tvrdokov. Patka může mít nejrůznější tvar podle aplikace snímače. V každém případě se patka podílí na mechanické filtraci vlnitosti povrchu a její tvar zásadně ovlivňuje parametry drsnosti. Správná volba snímače a jeho uvedení v měřících podmínkách patří k dobrým mravům metrologa. Co jsou měřící podmínky měření drsnosti a co všechno je ovlivňuje? Měřící podmínky jsou všechny podmínky, které ovlivňují výsledky měření. Patří mezi ně: Měřená délka Lt Cut-off Měřící rozsah Měřící rychlost Typ snímače (i tvar diamantu) Typ filtru (RC, M1) Hladiny řezu C1, C2 Faktor snímače (hodnota zesílení snímače) Typ přístroje a typ posuvového přístroje Rychlost posuvu Nastavení filtru Lc/Ls pro filtraci chvění Posunutí nulové čáry u měření nosných podílů Počet měřících bodů profilu Měřené místo (označení, definice) Směr měření (zásadně proti směru největších nerovností) Pokud jsou tyto parametry vyjasněny a odsouhlaseny dvěma různými stranami, tak je jen velmi malá možnost rozdílných výsledků měření. Čím čistit povrch součásti? Nejúčinnější a nejoblíbenější mezi uživateli drsnoměrů je lékařský benzín (cca 400,- Kč/litr). Je dostatečně agresivní proti mastnotě a neobsahuje příměsi. Lze používat i aceton, toluen nebo líh, ale s horším výsledkem. Technický benzín obsahuje malé množství mastnoty a zanechává stopy.
6
7
8
9
10
11
2. Snímání a vyhodnocování vysokorychlostních dějů U rychlých průmyslových zařízení je třeba často provést záznam a analýzu extrémně rychlých dějů. Jedním z možností je využití vysokorychlostních snímacích zařízení tzv. vysokorychlostních kamer. Ty potom zachycují a ukládají digitální snímky do interní zabudované paměti, odkud se dále ukládaní na kartu typu „Compact Flash“, nebo se stahují (např. přes rozhraní Ethernet) do PC. Výhodou těchto zařízení je možnost zpomaleného přehrání, nebo i následná analýza dějů po jednotlivých snímcích, což umožní uživateli podrobně prostudovat snímané děje a rychle odhalit problémy. Vysokorychlostní kamery pracují s rychlostí záznamu od 60 snímků/sec až do 1000 000 snímků/sec, ovšem s proměnnou rozlišitelností. Tedy obecně platí, že čím je vyšší snímací rychlost, tím je nižší pixelová rozlišitelnost. Typické použití vysokorychlostních kamer • letecký a automobilový výzkum (car crash text) • statické testování komponent vystavených silným nárazům • zvýšení rychlosti a efektivnosti robotických linek • posuzování zásadně důležitých bezpečnostních komponent (airbag test) • balistické testy, včetně testů výbušnin • analýza rychlých výrobních procesů (např. utváření třísek při vysokorychlostním obrábění)
Obr. č. 10 Okamžik průletu projektilu žárovkou
Obr. č. 11 Chování třísek při obrábění broušením Základní typy vysokorychlostních kamer • Kompaktní sestava (display je integrovanou částí kamery) • Samostatná kamera (s možností připojení periferních zařízení)
12
2.1 Infračervené kamerové systémy Bezdotykové měření teploty Každé těleso zahřáté na vyšší teplotu, než je teplota okolí, vysílá prostřednictvím záření tepelnou energii. Tato energie je v podstatě elektromagnetické vlnění s určitou vlnovou délkou. Množství energie, vyzářené na určité vlnové délce, závisí na teplotě tělesa a taktéž fyzikálních vlastností jeho povrchu. Z tohoto se potom dá odvodit teplota vyzařujícího tělesa. Pyrometr Lze měřit pouze průměrná teplota určité povrchové plochy tělesa. Infračervený kamerový systém Lze měřit a zobrazit (do tzv. izotermických ploch) teplotu povrchové plochy tělesa. Jsme však omezeni pixelovou rozlišitelností. Podstata a vznik teplotního záření Teplotním zářením označujeme elektromagnetické vlny, které vyzařují látky všech skupenství jako důsledek vnitřního tepelného pohybu. Atomy konají v látce neuspořádaný pohyb a mění stále svoji rychlost. Částice, které se pohybují zrychleně, vyzařují elektromagnetické vlny. Při teplotách do cca 500 ºC je toto záření neviditelné (nazývá se infračerveným a pociťuje se jako tzv. sálání). Při teplotách cca 1000 ºC již tělesa září bílým světlem.
vyhodnocovaný bod povrchu tělesa
atmosféra
ε + ρ + τ =1
Φ1-teplotní tok charakteristický pro vyhodnocovaný bod
ε - emisivita ρ - reflexivita τ - transmisivita
Φ2-teplotní tok odražený z vyhodnocovaného bodu
Obr. č. 12 Povrch tělesa reprezentován povrchovou teplotou Bezdotykové měření teploty – infračervené pyrometry Umožňují měření teploty v aplikacích, kdy je vyloučeno použití běžných měřidel teploty. Je to především v případech, kdy se měřené objekty pohybují, resp. když se vyžaduje bezdotykové měření (korozní, zdraví nebezpečné prostředí), měření na větší vzdálenosti, apod. Rozsah teplot běžných infračervených pyrometrů -30°C až 900°C (resp. 1400°C) 0°C (odezva 0.3 -1s), pro speciální případy 400° až 3000 °C. Optická část infračerveného pyrometru zachycuje a usměrňuje záření měřeného objektu v infračervené části spektra. Ohnisková vzdálenost optiky běžných infračervených pyrometrů je cca od 0.5 – 1.5 m.
13
Bezdotykové měření teploty – Infračervené kamerové systémy (IKS) Umožňují zobrazit teplotní pole na povrchu měřeného objektu. Teplotní pole se snímá speciální kamerou s detektorem infračerveného záření, které se zobrazuje na speciální obrazovce, či monitoru. Základní typy IKS (dle typu detektoru infračerveného záření) – Kvantové detektory jsou vyráběny z InSb (antimon india), při dopadu infračerveného záření zvýší svoji elektrickou vodivost, je proto nutné zajistit jejich chlazení, nejčastěji tekutým dusíkem. – Pyroelektrické detektory jsou vyráběny z TGS (triglycin sulfát), nebo LiTaO3 (litium tantalát). Při dopadu infračerveného záření se detektor ohřeje a vznikne v něm elektrický náboj. Nevyžadují chlazení. IKS jsou základními prostředky pro infračervenou diagnostiku. Na základě znalosti rozložení teplotního pole diagnostikovaného objektu lze kontrolovat funkce zařízení, jejichž činnost je spojena a vývinem, nebo absorpcí tepla.
Obr. č. 13 Snímek obrábění - vrtání v oblasti viditelného spektra a pořízený infračerveným kamerovým systémem
14
Použitá literatura: [1] KREIDL, Marcel; ŠMÍD, Radislav. Technická diagnostika: senzory - metody - analýza signálu. 1. vydání. Praha 10 : BEN - technická literatura, 2006. 408 s. ISBN 80-7300-158-6. [2] SMETANA, Ctirad, et al. Hluk a vibrace: Měření a hodnocení. 1. vydání. Praha 1 : Sdělovací technika, 1998. 188 s. ISBN 80-901936-2-5. [3] STODOLA, Jiří. Vibrace a jejich využití v technické diagnostice strojů. Brno: VA Brno, 2003. 43 s. ISBN 80-85960-64-8. [4] PEJŠA, Ladislav, et al. Technická diagnostika. první. Praha: Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, 1995. 195 s. ISBN 80-213-0249-6. [5] VDOLEČEK, František. Spolehlivost a technická diagnostika. Brno: FSI VUT, 2002. 49 s. [6] FLIR SYSTEM Co. ThermaCAMTM SC2000 – Operators manual. 1st ed. Sweeden: 2002. 82p. Flir Publ. No. 1557 478 – Rev. A [7] FLIR SYSTEM Co. ThermaCAMTM Researcher 2001- Operating manual. 1st ed. Sweeden: 2001. 132p. Flir Publ. No. 1557 – 488 version A [8] ONLINE KATALOG OMEGA Infrateploměry. [on-line]. 1. vyd. Karviná. Omegaeng. Duben
2000.
[cit.
10.
března
2003].
Dostupné
na
World
15
Wide
Web
Vydal: Střední průmyslová škola a Obchodní akademie Uherský Brod www.spsoa-ub.cz Uherský Brod, červen 2012 Vytvořeno v rámci projektu Centrum vzdělávání pedagogů odborných škol, reg. č. CZ.1.07/1.3.09/03.0017 Podpořeno Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky prostřednictvím Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost
16
