..::Realsurface v1.0::..

Profesjonalny system modelowania i oceny struktury geometrycznej powierzchni
kształtowanych w różnych procesach technologicznych.


System „Realsurface v1.0” jest nowym, nowoczesnym i bardzo dynamicznie rozwijanym narzędziem do modelowania i analizy powierzchni technicznych kształtowanych w różnych procesach technologicznych. Program napisany jest w angielskiej wersji językowej na potrzeby wykonywanych badań naukowych; może pracować pod kontrolą systemów Windows 9x/ME/NT/2000/XP/2003 (zalecane są systemy oparte na technologii 2000/XP). Posiada nowoczesny interfejs, obsługuje standard OpenGL (wspomaganie wyświetlania grafiki 3D) oraz Intellimouse. Napisany jest w języku C++/C# oraz asemblerze (dla przyspieszenia niektórych metod obliczeniowych). Możliwości pomiarowe i analizy komputerowej wyników to, m.in.:

  • wczytywanie danych generowanych przez profilografometry: T2000, T4000, T8000, TalyScan150,
  • generowanie powierzchni technicznych o określonych charakterystykach,
  • prognozowanie parametrów charakteryzujących powierzchnię po obróbce
    z zastosowaniem określonej metody i z uwzględnieniem parametrów i warunków obróbki,
  • opracowanie wyników badań mikrostruktury geometrycznej powierzchni
    w układzie płaskim 2D i przestrzennym 3D,
  • poziomowanie, usuwanie pochylenia zarysu, usuwanie błędów kształtu powierzchni itp.,
  • statystyczną analizę wyznaczanych parametrów,
  • wizualizację 2D i 3D wybranych cech powierzchni,
  • wydruk wyników pomiarów i analiz.
logo

Autor: Robert Cincio
email: rcincio(at)tu.koszalin.pl


Prezentacja opracowanych modułów analiz

System umożliwia wczytywanie danych generowanych przez typowe profilografometry stosowane w wielu ośrodkach badawczych i ich wizualizację w postaci trójwymiarowych powierzchni (rys.1), dla których możliwy jest wybór praktycznie dowolnej palety kolorów. Wybranie odpowiedniego gradientu koloru pozwala na wizualne wyodrębnienie określonego poziomu chropowatości powierzchni, określenie rozmieszczenia wierzchów, jak również pokazanie szerokości i głębokości zagłębień występujących na analizowanej powierzchni.


 
Rys. 1. Zdjęcie prezentujące wczytane do systemu przykładowe powierzchnie techniczne


Możliwe jest również wyznaczenie zarysów chropowatości w dowolnym kierunku (rys.2), co pozwala na określenie ukształtowania geometrycznego danej powierzchni.



Rys. 2. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczanie zarysów chropowatości

Krzywa nośności SGP (rys.3) daje wyczerpującą informację o kształcie nierówności, charakteryzującej się nawet bardzo dużymi wzniesieniami i wgłębieniami. Analiza ilościowa krzywej nośności może być przeprowadzana na podstawie normy ISO 13565. Na podstawie analizy krzywej nośności J. Kaczmarek opracował symetryczną krzywą kontaktu – SCGC. Punktem wyjścia dla opracowania metody SCGC była transformacja krzywej nośności, polegająca na tym, aby każdą z rzędnych tej krzywej przesunąć równolegle do kierunku odcinka pomiarowego chropowatości, w taki sposób, żeby środki rzędnych znalazły się na prostej prostopadłej do kierunku odcinka pomiarowego, w punkcie połowiącym go [3]. System „Realsurface v1.0” ma zaimplementowany algorytm wyznaczania tej krzywej (rys.3).


Rys. 3. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczania krzywej nośności oraz SCGC

Kolejną możliwością charakteryzującą opisywany system jest ocena ilościowa stanu analizowanej powierzchni technicznej poprzez wyznaczanie parametrów dla wybranego zarysu chropowatości(rys. 4) jak i dla całej powierzchni (rys.5). Trzeba zwrócić uwagę na to, iż parametry te znacząco się od siebie różnią.



Rys. 4. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczania parametrów zarysów


Rys. 5. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczania parametrów powierzchni


Kolejnymi zaimplementowanymi funkcjami są lustrzane odbicia w kierunkach poziomym oraz pionowym, a także wykonanie tzw. reliefu, czyli odcisku powierzchni (rys.6). Bardzo przydatną funkcją jest poziomowanie, która pozwala wyeliminować błąd pochylenia powierzchni podczas wierszowania z użyciem profilografometru (rys.7).



Rys. 6. Zdjęcie prezentujące moduł przekształceń powierzchni


Rys. 7. Zdjęcie prezentujące moduł  poziomowania powierzchni

Przekształcenia morfologiczne zaimplementowane w odpowiednim module polegają na przeglądaniu całego obrazu powierzchni punkt po punkcie i sprawdzaniu dla każdego z nich, czy konfiguracja punktów sąsiadujących spełnia określony warunek. Na tej podstawie podejmowana jest decyzja o wartości badanego punktu w obrazie wynikowym. Dzięki lokalnemu działaniu algorytmów, operacje te pozwalają na przekształcanie poszczególnych obiektów znajdujących się na obrazie, w celu wydobycia jedynie istotnych cech. W module zdefiniowane są najpopularniejsze filtry jak np. mediany, Gaussa itd. Możliwe jest również zdefiniowanie własnych fitrów.


Rys. 8. Zdjęcie prezentujące moduł przekształceń morfologicznych

Następny opracowany moduł pozwala na wycinanie dowolnie małych fragmentów analizowanej powierzchni w celu np. oceny parametrycznej bądź wizualizacji charakterystycznych elementów.



Rys. 9. Zdjęcie prezentujące moduł wycinania fragmentów powierzchni

Następnym modułem jest moduł powierzchniowej funkcji autokorelacji, która jest miarą ogólnej zależności wartości w jednym przekroju od ich wartości w innym przekroju. Powierzchniowa funkcja autokorelacji jest symetryczną funkcją rzeczywi­stą. Jej wartość przy zerowym przesunięciu jest wartością maksymalną równą wariancji wysokości nierówności, czyli wartości parametru Sq. Unormowana wartość funkcji autokorelacji po podziale przez wariancję profilu zawiera się w granicach (-1, 1). W kierunku powierzchni, gdzie dane są mniej skorelowane, funkcja autokorelacji opada szybciej niż w innych kierun­kach. Ukierunkowanie funkcji autokorelacji jest zgodne z ukierunkowaniem powierzchni.


Rys. 10. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczanie funkcji autokorelacji powierzchni

Moduł histogramu rzędnych SGP daje graficzną ilustrację rozkładu wysokości rzęd­nych w zakresie całkowitej głębokości SGP i jest równy statystycznej funkcji gęstości prawdopodobieństwa. Parametrami, które można obliczyć z tej krzywej są: średnia arytmetyczna rzędnych powierzchni, średnia kwadratowa rzędnych powierzchni, współczynnik asymetrii powierzchni i współczynnik nachylenia powierzchni. Histogram rzędnych SGP jest funkcją liczby punktów powierzchni położonych wewnątrz obszaru zawartego między dwoma płaszczyznami równoległymi do powierzchni średniej, położonymi blisko siebie, w stosunku do wszystkich punktów powierzchni w zależności od głębokości przecięcia tymi płaszczyznami. Zazwyczaj wartości tej funkcji wyrażone są w procentach. Dodatkowymi właściwościami tej krzywej są:

  • krzywa gęstości amplitudy nazywana jest też rozkładem rzędnych powierzchni, krzywą rozkładu amplitudy lub gęstością prawdopodobieństwa powierzchni, a w innych krajach oznaczany symbolami: AD, ADF, ADK
  • skumulowana wartość gęstości amplitudy powierzchni jest krzywą udziału materiału (statystycznie dystrybuantą) opisaną poprzednio,
  • charakterystyki gęstości amplitudy powierzchni są zdefiniowane matematycznie przez tak zwane momenty. Moment pierwszego rzędu jest średnią arytmetyczną rzędnych powierzchni i jego wartość wynosi zero, co wynika z definicji linii średniej.
  • moment drugiego rzędu gęstości amplitudy powierzchni to wariancja wysokości powierzchni. Jest ona wskaźnikiem zakresu wysokości rzędnych a wyciągnięty z niej pierwiastek kwadratowy jest odchyleniem standardowym funkcji gęstości rozkładu i równoznaczny z parametrem Sq.

Rys. 11. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczający histogram wysokości rzędnych powierzchni
oraz histogram wysokości rzędnych wierzchołków powierzchni

Moduł powierzchniowej gęstości widmowej mocy ilustruje, w jaki sposób odchyłka nieregularności powierzchni rozkłada się wraz z częstotliwością. Określa się ją jako dyskretną transformatę Fouriera (DFT) funkcji autokorelacji. Analiza widmowa SGP pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków:

  • największe znaczenie w analizie widmowej mają składowe o małej czę­stotliwości; rola składowych o wysokiej częstotliwości jest znikoma,
  • na powierzchniach okresowych w jednym lub dwóch kierunkach prosto­padłych energia mocy koncentruje się w obszarze częstotliwości właś­ciwej wzdłuż tych samych kierunków,
  • na powierzchniach anizotropowych energia mocy koncentruje się
    wzdłuż kierunku prostopadłego do kierunkowości (symetryczności) struktury,
  • w przypadku powierzchni anizotropowych mieszanych z udziałem skła­dowej losowej o charakterze krótkofalowym decydujący udział zachowują składowe okresowe długofalowe, orzekające anizotropowość SGP,
  • w powierzchniach anizotropowych losowych pojawiają się charakte­rystyczne cechy losowego albo białego szumu na tle wyraźnych dominujących składowych z małą częstotliwością, przy czym struktura powierzchni zachowuje anizotropowość i kierunkowość,
  • w strukturach izotropowych losowych wyraźnie dominuje szum losowy; cechy anizotropowości są znikome,
  • dla powierzchni z symetrycznością o krotności L2, L4 albo L6 składniki częstotliwości są zgrupowane z zachowaniem takiej samej symetryczności. Zjawisko to jest znane jako fenomen Gibsa.


Rys. 12. Zdjęcie prezentujące moduł wyznaczania gęstości widmowej powierzchni


Rys. 13. Zdjęcie prezentujące moduł korekcji powierzchni


Rys. 14. Zdjęcie prezentujące moduł symulacji zużycia


Rys. 15. Zdjęcie prezentujące poziomowanie powierzchni


Rys. 16. Zdjęcie prezentujące moduł do współpracy z Matlabem


Rys. 17. Zdjęcie prezentujące moduł do symulacji procesu szlifowania

Modelowanie powierzchni (rys.18) jest współcześnie nowoczesnym narzędziem wspomagającym projektowanie różnych wyrobów, którym stawiane są coraz wyższe wymagania dotyczące właściwości powierzchni. Modelowanie umożliwia szybkie i stosunkowo tanie przeprowadzenie badań doświadczalnych na wygenerowanych powierzchniach technicznych, o określonej charakterystyce, i dobór powierzchni do dalszych eksperymentów [5]. Funkcja ta nie jest dostępna w żadnym z komercyjnych narzędzi oferowanych na całym świecie.


Rys. 18. Zdjęcie prezentujące modelowanie powierzchni technicznej o określonej charakterystyce


Literatura

  1. Nowicki B.: Chropowatość i falistość powierzchni. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne WNT. Warszawa 1991,
  2. Oczoś K.: Struktura geometryczna powierzchni. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 2003,
  3. Karczmarek J.:  Naukowe podstawy inżynierii budowy maszyn. Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji. Poznań 2001,
  4. Cincio R.,Kacalak W.: Wybrane problemy wnioskowania o topografii powierzchni na podstawie zarysów. X Warsztaty Naukowe PTSK Symulacja w badaniach i rozwoju. Kraków-Zakopane 2003,
  5. Cincio R.,Kacalak W.: Wybrane problemy modelowania topografii powierzchni technicznych o określonych charakterystykach. X Warsztaty Naukowe PTSK Symulacja w badaniach i rozwoju. Kraków-Zakopane 2003.