Пневматические методы профилирования

По назначению прибора и по характеру регистрирующего устройства профилирующие приборы можно разделить на профилометры и профилографы, или комбинированные приборы. К профилометрам относятся приборы, с помощью которых получают непосредственную, прямую оценку степени шероховатости по каким-либо критериям. Профилографы позволяют записывать или регистрировать на специальном устройстве профилограмму исследуемого участка поверхности.

И те и другие, в свою очередь, могут разделяться по конструктивным, особенностям на самые различные системы – в зависимости от принципа действия чувствительного элемента (датчика), а также от принципа записи и обработки получаемых и регистрируемых результатов. Рассмотрим наиболее распространенные профилометры и профилографы, не вдаваясь в подробности их конструкции, так как различные ощупывающие приборы широко освещены в литературе, в частности в книгах И. В. Дунина-Барковского и Б. С. Давыдова.

При определенной температуре давление газа в сосуде может отличаться от давления во внешней среде, если этот сосуд замкнут. Если же сосуд сообщен с внешней средой через небольшое отверстие, то при давлении в сосуде, превышающем давление во внешней среде, газ постепенно вытекает, а если давление внутри сосуда меньше, чем во внешней среде, то, наоборот, газ натекает, причем скорость этого натекания, видимо, прямо пропорциональна размеру отверстия, соединяющего внешнюю среду с сосудом.

Так будет достигнуто динамическое равновесие. Тогда давление внутри сосуда можно легко связать с количеством вытекающего или натекающего газа и найти зависимость между давлением внутри незамкнутого сосуда, в котором существует динамическое равновесие между притоком и оттоком газа, и линейными размерами отверстия.

Выравнивание давлений

Этот принцип был применен для измерений степени шероховатости поверхности по следующей методике. Происходит постепенное выравнивание давлений внутри сосуда и во внешней среде. Если в такой сосуд одновременно с оттоком (или притоком) газа подавать через другое отверстие количество газа, равное вытекающему, то можно постоянно поддерживать определенное давление в сосуде, отличное от давления во внешней среде. Между испытуемой и вспомогательной, обычно плоской, поверхностью, не имеющей неровностей, образуется зазор из-за неровностей на первой поверхности.

Сумма площадей всех зазоров, образованных впадинами на испытуемой поверхности и вспомогательной поверхностью, опирающейся лишь на вершины, будет тем больше, чем грубее испытуемая поверхность. Если между пространством, которое ограничивается вспомогательной поверхностью, и внешней средой будет существовать разность давлений воздуха, то скорость течения его через образовавшиеся зазоры, а следовательно, и изменение давления в ограниченном пространстве будут меняться пропорционально зазорам, т. е. пропорционально степени шероховатости поверхности.

По такому принципу построены приборы, нашедшие применение в практике контролирования шероховатых поверхностей; однако эти приборы не обладают высокой точностью и являются приборами интегрального действия. Метод точных пневматических измерений линейных величин был использован М. Л. Бржезинским для создания макета пневматического профилографа. Исследуемая поверхность, имеющая неровности, соприкасается с иглой, укрепленной на коромысле. При взаимном перемещении игла, связанная с малым плечом коромысла, ощупывает поверхность.

Давление внутри измерительной камеры

На другом плече имеется плоская заслонка, прикрывающая отверстие сопла. Из-за неровностей на поверхности игла при движении образца перемещается вертикально, и соответственно отношению плеч рычага коромысла заслонка перемещается на расстояния, пропорциональные высотам неровностей, так что зазор между краем сопла и заслонкой меняется. Сопло связано трубопроводом с камерой, в которой поддерживается определенное давление нагнетанием воздуха с помощью насоса.

При изменении зазора между заслонкой и соплом будет меняться и разность давлений между внешней средой и замкнутым пространством, в котором давление воспринимается манометром. Изменения зазора пропорциональны высотам неровностей и связаны с изменением давления внутри замкнутого пространства, соединенного трубопроводом с мембраной чувствительного измерительного прибора. Колебания мембраны прямо пропорциональны движениям заслонки и в то же время значительно превышают их.

Давление внутри измерительной камеры зависит только от размера зазора и служит мерой высот неровностей. Такая система пневматического профилографа дает возможность быстро получить в увеличенном масштабе профиль поверхности непосредственно на бумаге. Отличительной особенностью метода по сравнению с обычным, чисто механическим увеличением является то, что для записи профилограммы достаточно очень небольших изменений зазора, причем давления внутри измерительной камеры изменятся значительно.

Движения мембраны с помощью чувствительного рычага передаются на самопишущее устройство, которое перемещает бумагу пропорционально перемещениям самого исследуемого образца. Таким образом, при движении образца, имеющего неровности, перо самописца вычерчивает непосредственно на бумаге кривые, соответствующие профилю поверхности.

Эффективный размер зазора

Для поддержания постоянного давления внутри камеры с помощью насоса постоянно нагнетается воздух в эту камеру в количестве, определяемом высотой столба жидкости.

При избыточном давлении лишнее количество газа выходит через отверстие камеры во внешнее пространство. Кроме того, давление на поверхность механизмом перемещения иглы можно свести к минимуму, так как не требуется затрат энергии на записи, которые выполняются в результате поступления порций газа от насоса. Сопротивление механической системы движению заслонки весьма ничтожно. Конструкция заслонки в том виде, как она дана, имеет некоторые недостатки, связанные с тем, что заслонка движется непараллельно срезу сопла.

В этом случае эффективный размер зазора может изменяться непропорционально высотам неровностей. Действительно, при значительном увеличении зазора он делается клиновидным. На краю сопла и ближе к оси вращения заслонки зазор неодинаков. Влияние этой непропорциональности может быть уменьшено лишь при увеличении длины плеча заслонки и уменьшении площади отверстия сопла, но увеличение длины плеча приводит к большей инерционности механической системы и к большим нагрузкам на иглу, а уменьшение площади отверстия сопла – к снижению чувствительности.

Приведена несколько отличная от предыдущей конструкция заслонки, предложенная автором. Заслонка состоит из двух плоских пружин, связанных жестко друг с другом на концах. Одни концы пружин закреплены неподвижно, а вторые связаны с чувствительным рычагом иглы. При вертикальных перемещениях иглы на величину рычаг сжимает пружины, и в результате их продольного изгиба заслонки расходятся в стороны на величину. На средних участках укреплены две плоские заслонки, которые в свободном состоянии сомкнуты и закрывают отверстия сопла.

Пневматический метод профилирования

Перемещаясь в плоскости, параллельной срезу сопла, в значительно увеличенном масштабе по сравнению с движением иглы, заслонки меняют площадь выходного отверстия сопла. Сопло, имеет прямоугольную или любую другую заданную форму, обеспечивающую прямолинейную зависимость изменения давления в измерительной камере от движения иглы. При такой конструкции заслонки давление самого газа и поток его не влияют на движение заслонки и не создают дополнительных сил, воздействующих на механическую систему передачи движения от иглы.

Кроме того, пневматический метод профилирования может быть применен и для прямых измерений критериев шероховатости поверхности. Только профилирование поверхностей, т. е. получение лишь одной профилограммы, конечно, еще не доказывает преимуществ пневматического профилографа по сравнению с существующими моделями профилометров и комбинированных приборов, так как профилограмму необходимо обработать для получения конкретных числовых характеристик степени шероховатости поверхности.

Можно сделать так, что чувствительность системы не будет зависеть от величины зазора, т. е. от щели, образуемой заслонками. Пневматический метод при работе в условиях динамического режима открывает возможности получения непосредственного значения средних высот неровностей как суммы на определенном фиксированном участке интегрирования. Например, представлена возможная схема пневматического профилометра.

Действительно, если при фиксированной трассе профилирования учесть количество газа, прошедшего через отверстие сопла, прикрываемого движущейся заслонкой, то при определенном и постоянном давлении внутри камеры, контролируемом манометром, количество газа будет прямо пропорционально площади, описываемой иглой при прохождении рельефа поверхности на этом участке.

Оптико-механический метод профилирования

Вместе с тем площадь является основой для расчета среднего арифметического отклонения от базовой линии поверхности. Профилограф, основанный на использовании пневматики, был построен только в виде опытной модели, хотя есть основания считать, что он может быть конструктивно весьма простым прибором, дающим возможность непосредственно получать профилограммы поверхности. Следует заметить, что в отношении устойчивости и простоты конструкции пневматический метол профилирования поверхностей является более удобным и более простым, чем методы, используемые в современных электрических приборах.

Если на пути движения газа от камеры к соплу установить счетчик расхода газа за промежуток времени, пока игла движется по поверхности на длину базы, то показания будут прямо пропорциональны значениям (средним) высот неровностей. Счетчик покажет сумму высот неровностей относительно базовой линии прибора. Эту сумму легко сопоставить с критериями шероховатости поверхности. Схема такого профилометра может быть использована для создания прибора подобного электрическим, выполняющим те же задачи.

Принцип действия этих приборов основан на следующем. Игла, соприкасающаяся с исследуемой поверхностью, перемещается в вертикальном направлении на высоту неровностей, передвигаясь одновременно вдоль поверхности в направлении. Игла непосредственно связана с зеркальцем, закрепленным на подвесе, вращающемся вокруг точки. При перемещении иглы на величину зеркальце поворачивается на угол. На зеркальце падает пучок света из коллиматора.

Часто в качестве чувствительного элемента для обнаружения небольших перемещений иглы применяют оптико-механические устройства. В фокальной плоскости объектива коллиматора может быть получено автоколлимационное изображение диафрагмы.