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

STROJNI VIDv tehnoloških meritvah

poglavje

Metrologija

človeško oko

Odziv filmskega medija (analognega) na

vpadlo svetlobno energijo ni linearen

ISO 6:1993 method of determining speed for black-and-white film.

http://www.mdpi.com/1424-8220/11/9/8412/htm http://image-sensors-world.blogspot.si/2015_08_01_archive.html

formati slike in branje

slikeslika 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 = 786432 byte

sivinska slika velikosti 512 * 512 * 1byte = 262144 byte

slike smo dobili na

http://links.uwaterloo.ca/Repository.html

v spisku spodaj vidimo velikost datoteke lenaG.tif => 256kB, kar pomeni = 256kB * 1024 = 262144B

Kompresija slike

en.wikipedia.org/wiki/Lena_Söderberg

branje slike in prikaz

slikev 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)

figure(4); image(sl); colormap gray

prikaz slike in razmerje stranic

figure(5); imagesc(sl); colormap gray

figure(6); imagesc(sl); colormap

gray; axis equal; axis tight

whos sl

Name Size Bytes Class Attributes

sl 512x512 262144 uint8

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]

BeingDeleted = off

ButtonDownFcn =

Children = []

Clipping = on

CreateFcn =

DeleteFcn =

BusyAction = queue

HandleVisibility = on

HitTest = on

Interruptible = on

Parent = [351.006]

Selected = off

SelectionHighlight = on

Tag =

Type = image

UIContextMenu = []

UserData = []

Visible = on

set(ih)

AlphaData

AlphaDataMapping: [ {none} | direct | scaled ]

CData

CDataMapping: [ {direct} | scaled ]

DisplayName

XData

YData

ButtonDownFcn: string -or- function handle -or- cell

array

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 ]

image handle in lastnosti

sprememba velikosti

matrike slike; primer uporabe pri rotaciji

slike, zato da preprečimo

prekrivanje in lomljenje črt

(aliasing)

%% 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)

'nearest‘ Nearest-neighbor interpolation; the output pixel is

assigned the value of the pixel that the point falls

within. No other pixels are considered.

'bilinear' Bilinear interpolation; the output pixel value is a

weighted average of pixels in the nearest 2-by-2

neighborhood

'bicubic' Bicubic interpolation (the default); the output pixel value

is a weighted average of pixels in the nearest 4-by-4

neighborhood

'box' Box-shaped kernel

'triangle' Triangular kernel (equivalent to 'bilinear')

'cubic' Cubic kernel (equivalent to 'bicubic')

'lanczos2' Lanczos-2 kernel

'lanczos3' Lanczos-3 kernel

funkcija imresize pozna različne

„metode“

%% 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');

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) > T2pixel 0, sicer

%% 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')

MERJENJE HRAPAVOSTIpoglavje

metrologija

površine

• relevantnost področja

• mehanizem nastanka površine

• merilne metode in naprave

• parametri hrapavosti

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 mikro-geometrija oz. še širše – integriteta površine.

merjenje hrapavosti

http://lab.fs.uni-lj.si/lat/uploads/metrologija/hrapavost.pdf

www.fs.uni-lj.si/lat/ -> izobraževanje -> metrologija -> predavanja -> meritve hrapavosti

pravilo palca: če želimo povečati življensko dobo izdelka za faktordva, moramo integriteto površine izboljšati za faktor deset

[Shaw, Metal Cutting Principles]

relavantnost področja

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 površinačimbolj gladka, je zmotno, včasih celonevarno, pa še z večanjem stroškovizdelave je povezano.

[po Whitehouse, 2000]

integriteta površine

značilnosti topografijenapaketeksturaoblikavalovitosthrapavost

značilnosti materialnih lastnostiplastična deformacijazaostale napetostimikro in makro razpoke trdota površinske plastifazne sprememberekristalizacijakorozija med zrnikrhkost zaradi izpostavitve vodiku

profil

oblika

valovitost

hrapavost

napaka prerez

nominalna

površina

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 vkristalu je (6 f /2)(1/a3) (polovička je zato, da ne bi šteli vezi po dvakrat). Atomi, ki so na ravnih odsekihpovršine, imajo eno vez manj, pribitek energije glede na atome v materialu je f / 2a2 ; atomi ki so na skokuimajo še dodatno pribitek f / 2a2 glede na atome na "terasi".esnov = 6 f / 2a3

epovrš = (6-5)f / 2a2

eskok = (5-4)f / 2aekoleno = (4-3)f / 2

ZAKAJ SO POVRŠINE NEKAJ POSEBNEGA?

[JOHN A. VENABLES, Introduction to Surface and Thin Film Processes]a

vpliv topografije površine na funkcionalnost izdelkov

Hrapavost in tekstura ključno vplivatana:

1. delovanje naprave2. kvaliteto izdelka3. prileganje sestavnih delov4. zamenljivost komponent5. mazljivost6. obrabo7. korozijo8. utrujanje9. hrup10. trenje11. videz

površina z vidika proizvodnje površina z vidika funkcionalnosti

dvojni vidik merjenja hrapavosti površin

meritev površine

funkcionalnost površine

obdelava izdelka

orodje

proces vidna obraba,estetski izgled

trenje,obraba

površine

funkcionalnost

kakovost konstrukcije

absolutna vrednost parametra hrapavosti

proces izdelave

kakovost skladnosti

spreminjanje parametra hrapavosti

nadzor procesa napoved funkcionalnosti

[povzeto po: Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

mehanizmi nastanka topografije - AVC I

50 mm

abr. zrno

odvzeti vol.

mehanizmi nastanka topografije - AVC II

REZULTATI SIMULACIJE

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 vibrationdamping of extended length tool holders, University of Warwick, (1995)

koncept nastanka površine na osnovi enotskega dogodka

David J. Whitehouse, Surface Characterization and Roughness Measurement in Engineering, in Topics in Applied Physics Photomechanics Editor: P. K. Rastogi

enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna

profilpovršine

primer: proces brušenja struženo

enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna

profilpovršine

površina nastane kot konvolucija oblike enotskega dogodka s porazdelitvijo dogodkov po površini

brušeno

brušenje +honanje

vibracijsko valjanje

vibracijsko valjanje

Zobnik mikrofluidnega senzorja izelan iz safirjas 355 nm 15 ns laserjem. [Lambda Physik USA, Inc.]

Pomen hrapavosti se v domeni mikro-obdelave 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]

pri mikro-izdelkih se pomen hrapavosti povečuje

Taktilne normale za primerjanje hrapavosti

merilne metode in naprave

svetloba odkrije podrobnosti tipično opazovanje površineen.wikipedia.org/wiki/Sailing_stones

SA: zrcalni kot (specular angle)

PA: VRH (peak angle) = kot pri katerem opazimo maksimalni odbiti svetlobni tok

hrapava površina

merilne metode in naprave

koračni motor

prenosredukcija obratov zaradi natančnejšega pozicioniranja

procesiranjeosvetlitev

kamera

vzorec

shematično prikazan svetlobni rezSchmaltzev merilnik

Pot žarkov v merilniku

Slika, zajeta s kamero

merjenje profila površine s svetlobnim rezom

merjenje profila površine s profilometrom

Tomlinsonov merilnik hrapavosti

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.

merjenje profila površine s profilometrom: delovanje

tipalo (2):

piramidastožec

tipična izvedba ima radij 2 mm in kot 60o

tipalo lahko naredimo bolj konično, vendar bo zato bolj podvrženo obrabi in še interakciji z merjencem!

izvedbe profilometrov

izvorzaslon detektor konzolni

pretvornik

pot sredine radija tipala

vzmet

pretvornik / transducer

tipalo dušilka

merjena površina

izvedbe profilometrov

čeveljc tipalo pivot

hrapavost II.

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

notranja ali zunanja referenca

[Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

"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.

profilometer z interferometričnim pretvornikom

[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]

LASER

voziček

ročica tipala

referenca

brezkontaktno merjenje hrapavosti

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

napaka

doline

vzorec

Srednja vrednost

hrapavosti Ra

valovna

dolžina

amplituda

valov

srednja

linija

vrhovirazmik

hrapavost - mikrogeometrija

POPIS POVRŠINE

valovitost - makrogeometrija

poškodbe - razpoke, raze, globeli zaradi udarcev

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.

popis površine

Kot hrapavost (a) označujemo: naključno nastopajoče odstopke od idealne površine, ki jih lahko vsaj približno prikažemo kot zelo kratke valove.

hrapavost, valovitost in oblika

Valovitost (b) so pretežno periodično ponavljajoči odstopki z večjo valovno dolžino.

Oblika (c) je nominalna površina oz odstopki od te površine na makro nivoju.

Najpomembnejše veličine za določanje

hrapavosti so:

RZ srednja globina hrapavosti,

Rmax največja globina hrapavosti,

Ra(CLA,AA) aritmetična srednja hrapavost,

Rq(RMS) kvadratična srednja hrapavost in

Rp globina zaglajevanja.

Obstajajo še druge veličine, ki so samo deloma

standardizirane, npr. globina profila Pti,

nosilnost profila tpi in druge.

parametri hrapavosti površine

Aritmetična srednja vrednost hrapavosti je srednja vrednost absolutnih vrednosti oddaljenosti profila od srednje linije znotraj celotne merilne dolžine merjenja lm. Računamo jo po enačbi:

parameter Ra hrapavosti površine

n

i

ia zn

R1

1

Povprečno globino hrapavosti Rz dobimo kot aritmetično srednjo vrednost petih posamičnih globin hrapavosti na izbrani dolžini merjenja lm. 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:

Definicija povprečne globine hrapavosti RZ

5

54321 ZZZZZRZ

parametra Rz in Rmax (DIN 4768) hrapavosti površine

Parametri hrapavosti, ki so dobljeni s povprečenjem točk v profilu ne izražajo vedno funcionalnosti, ki jo želimo popisati

parameter Rp - globina zaglajevanja

Globina hrapavosti R3t je navpična razdalja med tretjo najvišjo in tretjo najnižjo točko profila hrapavosti znotraj posameznega merilnega odseka le

Računamo jo po enačbi:

parameter R3z hrapavosti površine

5

1

335

1

i

tz RR

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 le

Računamo jo po enačbi:

parameter Sm hrapavosti površine

n

i

mim Sn

S1

1

O uporabnosti površine govori nosilnost profila;

dobra naj bi imela kolikor mogoče veliko

materiala v bližini temenske črte.

diagram nosilnosti: Abbottova krivulja

parametri hrapavosti površine

struženo jeklo; profil hrapavosti polirana keramika; profil hrapavosti

polirana keramika; krivulja nosilnostistruženo jeklo; krivulja nosilnosti

atributi oblike profila

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.

kontrola in meritve hrapavosti

Simbol za predpis lastnosti površine na načrtih po ISO 1302

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

filtriranje profilov

meri tudi asferične oblike + hrapavost na teh merjencih

merjenje hrapavost na okroglih merjencih

• High measuring range up to 260 mm

• High measuring speed and dynamics (up to

10 mm/s for)

• Tilting of the instrument possible (+ / - 45°)

merjenje hrapavost na okroglih merjencih

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

prednost merilnika brez zunanje reference

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

Mahr Federal: Portable Surface Roughness Tester: Pocket

Surf: EMD-1500-311+CAL $1996

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

Mitutoyo Surftest Extreme

3D parametri

VREDNOTENJE POVRŠINE S PROFILOMETRIJO V TREH DIMENZIJAH

OMOGOČA ANALIZO V VEČ SMEREH.

nekateri standardi, ki obravnavajo pravilno merjenje hrapavosti

računanje parametrov hrapavosti

Ra:

0.199462974998

Ra1:

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

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 ...