§ 24. Автоматический контроль качества поверхности

Цель большинства операций механической обработки древе­сины и древесных материалов — не только придать полуфабрика­там и изделиям заданные размеры, но и получить поверхности с определенной степенью гладкости — шероховатостью.

В технологическом потоке производства деталей из древесины методы определения шероховатости, регламентированные ГОСТ 15612—78, не могут быть применены из-за их низкой произ­водительности. С этой целью можно использовать измерительные устройства, основанные на методах рассеяния волн и пневмати­ческом. Все устройства, основанные на этих методах, являются

интегральными, позволяющими судить о поверхности не по строе­нию отдельных неровностей, а по некоторым усредненным характе­ристикам поверхности на сравнительно большой площади.

Метод рассеяния волн. Отражение волн от неровных поверх­ностей послужило основой для разработки приборов для оценки поверхности изделий. Суть метода заключается в следующем. Если плоская волна падает на поверхность изделия, возникает отражен­ная волна, распространяющаяся в зеркальном направлении. По­мимо зеркально отраженной могут появляться волны, распростра­няющиеся во всех других направлениях. Эти волны принято на­зывать рассеянными.

Рис. 44. Измерение шероховатости поверхности:

а — рассеяние волн на неровной поверхности; б — схема измерения

В зависимости от соотношения высоты неровностей поверхно­сти изделия, длины и угла скольжения падающей волны, одна и та же поверхность может вести себя как гладкая, зеркальная, когда вся падающая на нее энергия отражается в зеркальном направле­нии, или как неровная поверхность, когда вся падающая энергия волны рассеивается в различных направлениях.

Рассмотрим лучи 1 и 3, падающие на неровную поверхность под углом ₀ (рис. 44, а). Найдем разность фаз между этими лу­чами после того, как они отразятся в различных точках неров­ной поверхности. Предположим, что луч 2 отражается от плоскости Z = 0 (показана пунктиром). Так как разность фаз лучей 2 и 3 после их отражения равна нулю, достаточно определить разность фаз лучей 1 и 2. Разность пути R между этими лучами равна сумме расстояний ВС + СД или 2СД—АВ. Но

где h (x) — высота неровностей поверхности изделия. Следовательно,

а разность фаз равна

где k = 2 / — волновое число; — длина падающей волны.

Если разность фаз мала, оба луча находятся почти в фазе, как в случае отражения от зеркальной поверхности. Если разность фаз увеличивается, лучи будут интерферировать друг с другом до тех пор, пока разность фаз не достигнет значения, равного я. В этом случае лучи гасят друг друга полностью и, следовательно, в зер­кальном направлении волна полностью отсутствует.

Другими словами, при = поверхность полностью рассеи­вает падающую на нее энергию волны в незеркальном направлении и является неровной, а при = 0 отражает эту энергию зеркально и является гладкой, зеркальной. Уже из этих простых соотноше­ний видно, что амплитуда зеркально отраженной волны определен­ным образом зависит от высоты неровностей поверхности изделия.

Диапазон измеряемых неровностей поверхности по рассеянию волн определяется в основном длиной падающей волны. Наиболее выгодны условия для измерения, когда длина падающей волны соизмерима с высотами измеряемых неровностей поверхности. Так, для измерения шероховатости поверхности лакокрасочных по­крытий используют световые волны, а для измерения шероховато­сти поверхности изделий из древесины — ультразвуковые.

На рис. 44, б показана схема измерения шероховатости поверх­ности щитовых материалов в технологическом потоке. Основные элементы устройства — акустические блоки излучателя и прием­ника ультразвуковых волн и вторичный прибор. Акустические блоки излучателя и приемника расположены в одной плоскости и установлены непосредственно у контролируемой поверхности на расстоянии 1 м под одинаковыми углами к нормали поверхности. На поверхность контролируемой детали падает ультразвуковая волна, генерируемая акустическим излучателем И, на вход кото­рого поступают электрические колебания с генератора 1 вторич­ного прибора. Акустический приемник ПР принимает зеркально отраженные волны. Электрические колебания с выхода приемника ПР, амплитуда которых зависит от шероховатости поверхности детали, усиливаются усилителем 3, к выходу которого подключен измерительный прибор 2.

Шероховатость поверхности оценивают по площади пятна об­лучения поверхности, которая может изменяться с изменением угла, устанавливаемого в пределах 10 — 80°.

Ультразвуковой датчик шероховатости УДШ, работающий на длине волны в воздухе 5 мм, позволяет измерять шероховатость поверхности изделий 1—8 классов по ГОСТ 7016—75.

Пневматический метод. При измерении шероховатости поверх­ности измерительное сопло устанавливают на контролируемую по­верхность детали (рис. 45, а). Шероховатость оценивают по вели­чине истечения воздуха из зазора, образованного измерительным соплом 1 и микронеровностями контролируемой поверхности 2. Различают два вида этого метода измерения — манометрический и ротаметрический.

Манометрический метод основан на измерении пере­пада давления, возникающего в специальном дроссельном устрой-

стве и зависящего от шероховатости. На рис. 45, б показан автомат AKП-1 для контроля качества поверхности заготовок и деталей из древесины, предназначенный для обнаружения деталей с боль­шими неровностями в результате сколов, выкрашивания, дефектов обработки и др.

Измерительный узел построен по дифференциальной схеме, где в качестве упругого чувствительного элемента применена мем-

Рис. 45. Измерение шероховатости поверхности:

а — расположение измерительного сопла на поверхности; б — автомат АКР-1; в — блок-схема прибора ИШ-Д4

брана 5. Сжатый воздух из пневмосети, пройдя через блок фильт­ров 1 и стабилизатор 2, через входные сопла 3 и 4 под постоянным давлением истекает в междроссельные камеры.

Из левой междроссельной камеры воздух через кольцевой за­зор, образованный торцом измерительного сопла 8 и неровностями поверхности контролируемой детали 9, истекает в атмосферу. Из правой междроссельной камеры воздух истекает в атмосферу че­рез узел противодавления 7 и в результате в полости камеры уста­навливается определенное постоянное давление. В левой камере давление зависит от шероховатости поверхности детали.

В междроссельных камерах расположены неподвижные контакты 6 на определенном расстоянии от мебраны 5. Положение мембраны определяется разностью измерительного давления в левой и неко­торого постоянного противодавления в правой камерах. Если кон-

тролируемая деталь имеет на поверхности дефекты, расход воз­духа через измерительное сопло увеличивается, давление в левой междроссельной камере падает, мембрана 5 прогибается и замыкает неподвижные контакты 6.

Измерительное сопло АКП-1 заключено в металлический кор­пус, снабженный резиновой насадкой. Благодаря плавающей под­веске корпус сопла самоустанавливается. Когда мимо сопла про­ходят годные детали, зазор между их поверхностью и измеритель­ным соплом постоянный и контакты 6 разомкнуты. Когда мимо идут детали с большими неровностями, зазор увеличивается, что приводит к прогибу мембраны и замыканию контактов.

Ротаметрический метод измерения отличается от манометрического измерительным устройством, регистрирующим изменение расхода воздуха в зависимости от шероховатости поверх­ности.

На рис. 45, в показана блок-схема прибора ИШ-Д4 для непре­рывного контроля качества обработки деталей на линиях шлифо­вания при скорости подачи до 25 м/с. Принцип действия прибора основан на измерении расхода отраженной воздушной струи в зависимости от шероховатости поверхности.

Прибор ИШ-Д4 содержит блок подготовки воздуха /, датчик //, измерительный блок ///, блок усилителя IV и блок питания V.

Датчик имеет два наклонных сопла — подающее воздух и при­емное — и устанавливается над поверхностью контролируемой де­тали. Воздух по трубопроводу 1, пройдя фильтр 2 и стабилизатор 3 давления, поступает в подающее сопло 4 датчика. В приемное сопло 5 поступает отраженный от контролируемой поверхности поток воздуха, который направляется в измерительный блок.

В измерительном блоке расположена мостовая схема, содержа­щая рабочий и компенсационный преобразовательные элементы и по­стоянные резисторы R1, R2 и R3. Рабочий преобразующий элемент 6 — резистор в виде платиновой нити, заключенной в латунную трубку. Поток воздуха обдувает платиновую нить рабочего преоб-разователя 6 и удаляется в атмосферу через противоположный ко­нец латунной трубки. Компенсационный преобразующий элемент 7 аналогичен рабочему с той лишь разницей, что он сообщается с атмосферой благодаря прорези в латунной трубке.

В диагональ моста, в точках а и б, подводится переменное на­пряжение от блока питания. В зависимости от шероховатости по­верхности детали платиновая нить рабочего преобразователя 6 охлаждается в более или менее сильной степени, при этом меняется ее сопротивление. Сопротивление компенсационного преобразова­теля остается постоянным. Назначение этого преобразователя — устранение разбаланса измерительного моста под действием тем­пературы окружающей среды.

Изменение сопротивления платиновой нити рабочего преобра­зователя приводит к разбалансу измерительного моста, т. е. по­явлению напряжения, пропорционального шероховатости поверх­ности контролируемой детали. Это напряжение поступает на вход

усилителя IV, к выходу которого подключен измерительный при­бор 8. Его шкала проградуйрована в единицах шероховатости по­верхности. Прибор ИШ-Д4 имеет регулирующие устройства для устранения влияния микроструктуры древесины на результаты измерения шероховатости.

Данное устройство позволяет измерять шероховатость поверх­ности изделий из древесины и древесных материалов 7—5 классов по ГОСТ 7016—75.