Перемещение интерференционных полос

Алмазную, агатовую или стальную иглу в своей оправе крепят с помощью резьбового соединения на плоском пружинном подвесе. На нижней части подвеса под иглой расположено плоское зеркальце, приходящееся против объектива микроинтерферометра. Подвес укрепляют с помощью моста на неподвижной части столика микроскопа. Накладка, имеющая плоскую верхнюю поверхность, служит для помещения исследуемого объекта.

Эта накладка расположена на подвижной части столика микроскопа. При перемещении подвижной части столика с помощью микрометрического винта и соединенного с ним шкива накладка с образцом проходит над иглой и сообщает ей вертикальные движения соответственно характеру микронеровностей образца. Очевидно, что точно те же движения сообщаются и зеркальцу, которые можно зарегистрировать по изменению интерференционной картины, т. е. по перемещению интерференционных полос, наблюдаемых в микроскоп.

Движение от привода кассеты к столику передается с помощью шкива малого диаметра, находящегося на оси ходового винта, и шкива большого диаметра, укрепляемого на рукоятке микрометрической подачи столика микроскопа. Для получения резкой интерференционной картины перед кассетой установлена вертикальная неподвижная щель шириной 1,5 мм и цилиндрическая линза, проектирующая изображение зрачка выхода системы в плоскость эмульсионного слоя на фотопленке. Для осуществления движения кассеты и столика в заданном масштабе применен механический привод, обеспечивающий плавное перемещение деталей и отсутствие вибраций.

Для регистрации изменений интерференционной картины при движении образца служит устройство с перемещающейся кассетой, устанавливаемой вместо фотокамеры. Кассета перемещается на 100 мм, размер кадра 24ХП0 мм.

Микроинтерферометр Линника типа МИИ-4

Это дает возможность производить съемку на отрезок стандартной пленки. Путем установки шкивов различного диаметра отношение скоростей движения столика и кассеты может быть выбрано равным 1 :80, 1 : 50 или 1 : 20 в зависимости от характера изучаемой поверхности.

Источником движения служит синхронный мотор, питаемый от сети переменного тока 127 в. Общий вид микроинтерферометра Линника типа МИИ-4 с монтированным на нем профилирующим приспособлением. Для получения интерференционной профилограммы поверхности какого-либо образца его устанавливают на столик так, чтобы было возможно привести иглу в соприкосновение с исследуемой поверхностью. Затем фокусировкой микроскопа получают в поле зрения интерференционную картину и устанавливают полосы горизонтально.

При этом следует проверить, не выходят ли они из поля при перемещении столика на всю трассу профилирования. В противном случае нужно уменьшить ширину полос или устранить перекос накладки по отношению к направляющим столика. После этого переключают изображение на фотоприставку, открывают шторку кассеты и включают мотор. Механическая система привода рассчитана так, что продолжительность профилирования составляет около 6 мин.

С помощью этого приспособления были исследованы различные поверхности. Особый интерес представляло получение интерферограммы для поверхностей с путаным направлением штрихов обработки. Известно, например, что получить разборчивую интерференционную картину от шлифованной поверхности стекла на микроинтерферометре не представляется возможным. Применение профилирующего приспособления устраняет препятствия, и интерферограмма, получаемая таким способом, разборчива и свободно поддается расшифровке.

Представлена интерферограмма, полученная при профилировании поверхности точения.

Электромеханический метод профилирования

Ощупывание поверхности проводилось алмазной иглой радиусом закругления около 10 мкм, а трасса профилирования составляла 2 мм. Такую интерферограмму легко обработать и получить значения. Расхождение значений, вычисленных по этой интерферограмме и полученных при непосредственном отсчете по шкале профилометра типа ПЧ-2, градуированного для данного предела измерения по образцу с регулярным профилем, составили не более 5%.

Для контроля и исследования характера искажений микропрофиля при профилировании иглой были получены интерферограммы поверхности с регулярным профилем и фотографии интерференционных полос того же участка поверхности, полученные непосредственно на микроинтерферометре типа МИИ-4. Видно соответствие обеих интерферограмм друг другу, а также степень искажений, вносимых при профилировании иглой.

Таким образом, разработанное приспособление к микроинтерферометру дает возможность в абсолютной мере регистрировать перемещения иглы, исследовать вопрос о характере эффективного микропрофиля, на который фактически реагируют профилирующие приборы, и вопрос о том, каким значениям параметров, отвечают их показания в зависимости от радиуса закругления иглы, давления на поверхность и ее материала, а также в зависимости от материала образца.

В профилометрах и профилографах различной конструкции для профилирования поверхности применяют электромеханические преобразователи. В профилометре системы В. С. Чамана использован индуктивный датчик, принцип действия которого понятен из схемы. Якорь жестко связан с иглой и находится в магнитной цепи системы, состоящей из корпуса, полюсного наконечника и постоянного магнита. Якорь вместе с иглой, находясь на пружинном подвесе из двух плоских пружин, может перемещаться вертикально.

Профилометр-профилограф «Калибр-ВЭИ»

При этих перемещениях меняется эффективная площадь воздушного зазора магнитной цепи, а следовательно, и магнитное поле вокруг катушки. Так как катушка включена в цепь потенциометра на входе усилительной системы, то возникающее напряжение на концах потенциометра может быть усилено, и среднее значение его зарегистрировано показывающим прибором. Аналогичная система индуктивного преобразователя применена в профилометре-профилографе «Калибр-ВЭИ». Магнитной системой датчика является П-образный сердечник.

Якорь типа коромысла вращается вокруг оси и на одном конце имеет наконечник с иглой. Игла перемещается по поверхности вертикально с помощью специального мотопривода. При этом зазор между якорем и сердечником изменяется: в то время как зазор около одного конца якоря увеличивается, около другого конца он уменьшается. В соответствии с изменением зазоров меняются реактивное сопротивление обмоток катушек и, включенных в два плеча моста переменного тока, и индуктивность системы, нарушается равновесие моста.

При непрерывном движении иглы переменное напряжение вторичной обмотки модулировано пропорционально изменениям высот неровностей. Далее усиленное напряжение выпрямляется и фильтруется от несущей частоты 3500 Гц, после чего переменное напряжение модуляции пропорционально только высотам неровностей и управляет регистрирующим прибором или суммирующим устройством, отсчитывающими непосредственно критерии. В профилометрах различных конструкций применяют также преобразователи, основанные на пьезоэлектрическом эффекте.

Питание моста осуществляется от отдельного генератора переменного тока частотой 3500 Гц. В нулевом положении якоря, когда зазоры равны и индуктивности двух ветвей одинаковы, во вторичной обмотке трансформатора не возникает переменного напряжения.

Метод профилирования грубых поверхностей

При малейшем изменении положения якоря равновесие моста нарушается, и во вторичной обмотке появляется напряжение той же частоты, что и у генератора, но по числовому значению прямо пропорциональное наклону якоря, т. е. перемещению иглы.

Простота конструкции пьезоэлектрических преобразователей и их высокая чувствительность позволяют успешно заменить ими в профилометрах электродинамические и индуктивные преобразователи. Принцип действия их основан на следующем. Закрепленный на корпусе пьезокристалл непосредственно связан с иглой, ощупывающей поверхность при перемещении по ней преобразователя. При изгибе тела пьезоэлемента на его обкладках возникает переменная э. д. с, амплитуда которой прямо пропорциональна колебаниям конца элемента.

Усиленное переменное напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, позволяет сопоставить его со средними значениями высот неровностей. Ранее в качестве пьезоэлемента применяли кристалл сегнетовой соли, но вследствие значительного температурного коэффициента и нестабильности профилометры с пьезоэлектрическими датчиками не находили широкого применения. Использование в современных конструкциях титаната бария в качестве пьезоэлемента значительно улучшило качество датчиков и позволило создать приборы для массового контроля шероховатости поверхности в производственных условиях.

Все иглы находятся на расстоянии приблизительно 1 мм друг от друга. С помощью затяжных винтов можно фиксировать положение игл в канавках. Если такой набор игл приложить к исследуемой поверхности с некоторым усилием, то они примут различные положения в зависимости от ее рельефа. Фиксированное положение игл изображает профиль поверхности в масштабе 1:1.

Использование контактного метода профилирования поверхностей

Оправу с иглами устанавливают на любом измерительном микроскопе и точно измеряют смещения игл, рапные высотам неровностей на поверхности в выбранном сечении. Оригинальным использованием контактного метода профилирования поверхностей является система, состоящая из многих игл, которые одновременно вступают в контакт с исследуемой поверхностью. Недавно Вейнграбер предложил такой метод для измерения шероховатости весьма грубых поверхностей. Сущность действия простейшего прибора основана на следующем. В зазоре между двумя пластинами из органического стекла вдоль V-образных, вертикально расположенных канавок могут свободно перемещаться 150 стальных игл диаметром около 0,6 мм.

В зазор между оправой и органическим стеклом можно установить фотопленку или фотобумагу и быстро получить фотографию профиля. Как уже указывалось, основным недостатком всех контактных профилирующих устройств является переменное, но значительное давление иглы на поверхность. Для уменьшения влияния непрерывного действия иглы на поверхность предложена система прерывистого ощупывания поверхности, применяемая в настоящее время все шире.

При прерывистом ощупывании игла преобразователя не все время соприкасается с поверхностью, а с помощью специального вибрационного устройства приподнимается над ней периодически и соприкасается с нею лишь в некоторых точках. При достаточно высокой частоте вибрации число точек соприкосновения, даже при большой скорости перемещения преобразователя по поверхности, обеспечивает измерение всех основных элементов профиля. Движение иглы по отдельным ординатам с достаточной точностью описывает форму неровностей. Приведена схема преобразователя прерывистого ощупывания.