Корреляционно-спектральный метод измерения параметров микрорельефа прецизионных поверхностей промышленных изделий

В качестве составной части технологического процесса изготовления деталей с прецизионными поверхностями предложен метод измерения параметров микрорельефа поверхности деталей машин оптико-электронными и компьютерными средствами. Метод основан на компьютерной обработке изображений исследуемых микрорельефов в виде совокупности реализаций стационарного случайного процесса. Количество реализаций случайного процесса принято равным числу линий анализируемого изображения микрорельефа. Изображение микрорельефа рассмотрено как матрица случайных чисел, для которой вычислены математические ожидания, дисперсии, стандартные отклонения, корреляционные моменты и нормализованный коэффициент автокорреляции для столбцов матрицы. Для апробации предложенного метода использован оптико-электронный комплекс, состоящий из инструментального микроскопа с видеокамерой и компьютера для цифровой обработки полученных изображений микрорельефа эталонных образцов с различной шероховатостью. Шероховатость Ra поверхности оценена стандартными методами на профилометре и варьировалась в диапазоне 0,025–0,130 мкм. Для корреляционно-спектральной обработки изображений создано программное обеспечение на языке C++ с применением инструментов OpenCV. По результатам исследований установлено, что характер корреляционных функций во многом определяется параметрами исследуемых микрорельефов. Для идентификации исследуемых микрорельефов определены аналитические зависимости шероховатости Ra от среднего значения переменной составляющей автокорреляционной функции и от её спектральной плотности. Установлено, что для измерения Ra микрорельефа оптико-электронными средствами наиболее перспективным является использование спектральной плотности автокорреляционной функции, рассчитанной по полутоновому изображению микрорельефа. Приведены результаты определения параметров микрорельефа поверхностей дорожек качения внутренних колец приборных подшипников. Полученные результаты актуальны для бесконтактных измерений шероховатости промышленных изделий в различных отраслях машиностроения.

1. Федоров В. П., Суслов А. Г., Нагоркин М. Н. Инженерные методы технологического обеспечения регламентированных параметров шероховатости функциональных поверхностей деталей машин в процессе механической обработки // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2019. № 4(94). С. 40–48. https://doi.org/10.30987/article_5c90a59824edf6.80759568

2. Суслов А. Г., Федоров В. П., Нагоркин М. Н., Пыриков И. Л. Комплексный подход к экспериментальным исследованиям технологических систем металлообработки по обеспечению параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2018. № 10. С. 3–13. https://doi.org/10.30987/article_5bb4b1f9abbc54.46761484

3. Виноградова Г. Н., Захаров В. В. Основы микроскопии, часть 2. СПб: Университет ИТМО, 2020. 248 с.

4. Азарова В. В., Цветкова Т. В. Анализ шероховатости прецизионных оптических поверхностей с использованием метода интерференционной микроскопии // Известия вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57. № 6. С. 83–86. https://elibrary.ru/seeplh

5. Laurens Liesenborghs, Marijke Peetermans, Jorien Claes, Tiago Rafael Veloso, Christophe Vandenbriele. Journal of Infectious Diseases, 2016, vol. 213(7), рр. 1148–1156. https://doi.org/10.1093/infdis/jiv773

6. Kelly Rae Chi. Nature, 2009, vol. 462(7273), рр. 675–678. https://doi.org/10.1038/462675a

7. Абрамов А. Д., Никонов А. И. Измерение параметров микрорельефа на основе корреляционного метода обработки изображений исследуемых поверхностей // Измерительная техника. 2018. № 11. С. 36–39. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2018-11-36-39

8. Вентцель Е. С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. 10-е изд. стер. М.: КНОРУС, 2006. C. 339–346.

9. Гэри Брадски, Адриан Келер. Изучаем OpenCV3. М.: ДМК-Пресс, 2017. 826 с.

10. Шарапов А. А., Баранов Г. В. Сравнительный анализ методик оценки количественных характеристик шероховатости наноразмерных структур // Труды МФТИ. 2018. Т. 10. № 2. С. 72–79. https://elibrary.ru/uuqbkw

11. Толстихина А. Л. Атомно-силовая микроскопия кристаллов и плёнок со сложной морфологией поверхности: дисс. докт. физ.-мат. наук (Институт кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН, Москва, 2013).

12. Овсянников В. Е., Терещенко В. Ю. Корреляционный анализ профиля поверхности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 10. С. 74–76. https://elibrary.ru/rvsiyb

13. Мусалимов В. М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: СПбГУ ИТМО 2006. 191 с.

14. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход М.: Наука, 1975. 344 с.

15. Коломиец Л. В., Поникарова Н. Ю. Метод наименьших квадратов. Самара: Изд-во Самарского университета, 2017. 32 с.