Nuevo Software para Análisis de Datos de Rugosidad en 2D y 3D
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- Alba Ruiz Palma
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1 Nuevo Software para Análisis de Datos de Rugosidad en 2D y 3D SIMPOSIO DE METROLOGÍA 2008 Querétaro Carlos Galván CENAM SIMPOSIO DE METROLOGÍA
2 Contenido Que es rugosidad? Puntos importantes relacionados con el software de análisis de datos Tipos de archivos para datos de rugosidad Anteriores Nuevos Filtrado de los datos Anteriores Nuevos Algoritmo g propuesto p para la aplicación de los filtros 3D Software desarrollado SIMPOSIO DE METROLOGÍA
3 Que es la Rugosidad? Dentro del mundo de la tecnología, se observan gran cantidad de piezas que han de ponerse en contacto con otras y rozarse a altas velocidades. El acabado final y la textura de una superficie es de gran importancia e influencia para definir la capacidad de desgaste, lubricación, resistencia a la fatiga y aspecto externo de una pieza o material, por lo que la rugosidad d es un factor importante a tener en cuenta La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real, definidas convencionalmente en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados SIMPOSIO DE METROLOGÍA
4 Que es la Rugosidad? SIMPOSIO DE METROLOGÍA
5 Como se mide? La técnica mas común para medir un perfil de superficie, es mediante el desplazamiento de un palpador p mecánico. Hay que tomar en cuenta: Efecto del radio del palpador SIMPOSIO DE METROLOGÍA
6 Tipos de irregularidades en la superficie? Longitud de recorrido SIMPOSIO DE METROLOGÍA
7 Tipos de irregularidades en la superficie? Espaciamiento de la ondulación Altura de la ondulación SIMPOSIO DE METROLOGÍA
8 Tipos de irregularidades en la superficie? Picos Rugosidad promedio (Ra) Línea central Valles Longitud de muestreo de Rugosidad o cutoff SIMPOSIO DE METROLOGÍA
9 Tipos de irregularidades en la superficie? SIMPOSIO DE METROLOGÍA
10 Puntos a considerar del software Cuando se desarrolla un nuevo software de análisis i de datos es importante considerar entre sus características: Tipo de archivos que se pueden leer para análisis Algoritmos g para el análisis. En nuestro caso la implementación de los filtros Visualización de los resultados SIMPOSIO DE METROLOGÍA
11 Antecedentes NIST--- Internet-based Surface Metrology Algorithm Testing System PTB--- Rf Reference Sft Software for roughness measurement NPL--- SoftGauges for Surface Metrology (Universidad de Huddersfiled, RTH y NPL) SIMPOSIO DE METROLOGÍA
12 Archivos de tipo prf Uno de los formatos mas comunes anteriormente t era el lformato prf Características: Es un archivo binario (no se pueden visualizar los datos directamente, es necesario un software que decodifique la información) Archivos relativamente pequeños (6 bytes para un número con resolución de 16 dígitos) Poca información de la pieza de la que provienen SIMPOSIO DE METROLOGÍA
13 Archivos de tipo prf Vista de un archivo prf 1 2 SG e PRF CX M e+004 MM e+000 D CZ M e+004 UM e-006 L EOR STYLUS_RADIUS e+000 MM SPACING CX e-004 MAP e+000 CZ CZ e e+000 MAP e+000 CZ CX e e e+000 COMMENT CENAM-PRF EOR EOR EOF SIMPOSIO DE METROLOGÍA
14 Nuevos formatos de mediciones Con el fin de asegurar la transferencia de la información entre diferentes sistema de medición de rugosidad surge los formatos smd para mediciones en 2D sdf para mediciones en 3D Los cuales se encuentran definidos en la norma ISO :2000. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
15 ISO :2000 Características de los formato smd y sdf: Son archivo en formato ASCII (Se pueden visualizar con diversas aplicaciones) Archivos grandes(1 bytes para cada dígito significativo que se requiera) Contienen información diversa, como fecha de creación, creador del archivos, tipo de filtro aplicado, etc.. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
16 Ejemplos formato smd y sdf ISO EDM04meas PRF 1 ISO5436 CX I mm 1.0e0 D 2.5e-4 CZ A um 1.0e0 D DATE 25-Nov-2004 TIME 10:50 CREATED_BY Centro Nacional de Metrologia PROFILE_FILTER Gaussian LS 0.0e0 LC 8.0e anpl-v1.0 ManuFacID = CENAM CreateDate = ModDate = NumPoints = NumProfiles = 1 Xscale = 2.5E-07 Yscale = 0 Zscale = 1E-06 Zresolution = -1 Compression = 0 DataType = 7 CheckType = 0 * * * SIMPOSIO DE METROLOGÍA
17 Filtrado SIMPOSIO DE METROLOGÍA
18 Filtrado Un filtro (para fines de medición de acabado superficial) es una transformación electrónica, óptica, mecánica o matemática de un perfil para atenuar (remover) componentes de longitudes de onda fuera del intervalo de interés de una medición. Señal Componente de longitud de onda grande Componente de longitud de onda corta SIMPOSIO DE METROLOGÍA
19 Tipos de filtros Entre los filtros mas empleados en metrología para rugosidad se encuentran los siguientes filtros lineales: Filtros eléctricos RC, implementado en hardware Filtro 2RC PC, implementados en software Filtro Gaussiano, implementado en software SIMPOSIO DE METROLOGÍA
20 Filtro RC, distorsión de fase pasa bajas pasa altas SIMPOSIO DE METROLOGÍA
21 Filtro RC pasa bajas pasa altas SIMPOSIO DE METROLOGÍA
22 Filtro RC pasa bajas pasa altas SIMPOSIO DE METROLOGÍA
23 Filtro 2RC PC El filtro 2RC ha sido creado para eliminar el corrimiento de fase que provoca el filtro eléctrico RC. El filtro 2RC se implementa por software El filtro 2RC PC, es un filtro lineal, invariante a traslación SIMPOSIO DE METROLOGÍA
24 Filtro RC vs. filtro 2RC PC SIMPOSIO DE METROLOGÍA
25 Nuevos filtros de la serie ISO En la ISO se han publicado los siguientes filtros de perfil: Filtro gaussiano (ISO ) Filtro Spline (ISO/TS ) Filtro Spline wavelets (ISO/TS ) Filtro Regresión robusta gaussiano (ISO/TS ) Filtro spline robusto (ISO/TS ) Filtro morfológicos (ISO/TS ) Además se encuentra trabajando en los filtro de área SIMPOSIO DE METROLOGÍA
26 Filtro gaussiano (ISO/TS ) El filtro gaussiano ha remplazado al filtro 2RC PC desde hace mas de 10 años (ISO ) Es un filtro sin corrimiento i de fase debido a su función de peso simétrica (campana de gauss) La implementación es solo vía software debido a que no es un filtro causal Es un filtro linear invariante a traslación SIMPOSIO DE METROLOGÍA
27 Filtro gaussiano (ISO/TS ) Función de peso del filtro gaussiano SIMPOSIO DE METROLOGÍA
28 Efectos en los extremos del filtro gaussiano El filtro gaussiano presenta problemas en los extremos de la señal (debido a su simetría). Esto normalmente se soluciona eliminando el inicio y final de la señal filtrada. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
29 Filtro spline (ISO/TS ) El filtro spline ha sido desarrollado d para resolver algunas de las desventajas que presentan los filtros lineales invariantes a traslación, entre ellos el filtro gaussiano Los filtros spline son filtros sin corrimiento de fase, pero no son filtros invariantes a traslación Son implementados por software solamente, y se emplea un algoritmo matricial Existe una versión de splines robusto, de tal forma que son sensibles a los outliers. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
30 Filtro spline (ISO/TS ) SIMPOSIO DE METROLOGÍA
31 Filtro spline (ISO/TS ) El filtro spline ha sido desarrollado d para resolver algunas de las desventajas que presentan los filtros lineales invariantes a traslación, entre ellos el filtro gaussiano Los filtros spline son filtros sin corrimiento de fase, pero no son filtros invariantes a traslación Son implementados por software solamente, y se emplea un algoritmo matricial Existe una versión de splines robusto, de tal forma que son sensibles a los outliers. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
32 Filtros de acuerdo a la y( x) = K( x ξ) z( ξ) dξ K ( x ξ) y( x) z (ξ) ξ Kernel simétrico, real e invariante a la traslación Perfil filtrado Perfil sin filtrar SIMPOSIO DE METROLOGÍA
33 Filtro discreto y ( x ) = n ξ = 1 0 K ( x ξ ) z ( ξ ) El número de operaciones necesarias para la convolución en 1D es: n n p Como alternativa se puede realizar la FFT conviertiéndose en: 2 k n ( n ) k log 2 n k + n p k SIMPOSIO DE METROLOGÍA
34 Filtro discreto en 3D y ( x, y ) = n 1 n 1 K ( x k, y l ) z ( k, l ) k= 0 l= 0 La complejidad aumenta considerablemente. Se puede utilizar también la FFT (Fast Fourier Transform) como alternativa. Esto es empleado por el NIST. Para el caso del gaussiano hace uso de una aproximación publicada por gente de PTB. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
35 Propuesta: Convolución con kerneles separables Un kernel es separable si puede escribirse como el producto de dos kerneles unidimensionales ( x ) h ( y ) h ( x, y ) = h1 2 La convolución entonces puede escribirse como = ( u, v) y( x, y) f h( x u, y v) u u f = v = ( x u) h ( y ) f ( u, v) h 2 1 v u, v) h1 ( x u) h ( y v) f ( 2 v u SIMPOSIO DE METROLOGÍA
36 Filtro Gaussianao con kerneles separables + y 1-2 2σ G ( x, y ) = e z = x x y σ 2σ z e Esto implica que primero se realiza la convolución 1D por renglones y luego la convolución 1D por columnas. Además se puede manejar la convolución con la FFT. El empleo de este algoritmo permitió reducir a un 12% el tiempo empleado en la realización de la convolución original. z e 2 SIMPOSIO DE METROLOGÍA
37 Carácterísticas del programa Desarrollado en LabWindows. Permite leer archivos 2D en formato prf, mod, smd (ISO : 2000 ) Permite leer archivos 3D en formato sdf (ISO : 2000 ) Permite guardar archivos 2D en formato smd y en 3D en formato sdf. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
38 Carácterísticas del programa Realiza el cálculo de los parámetros para 2D: Ra, Rq, Rsk, Rku, Rp, Rv, y Rt. Realiza el cálculo de los parámetros para 3D: Ra, Rq, Rdq, Rdr, Rp, Rv, y Rt. Permite la visualización de los archivos en 3D con opciones de zoom, escala, rotación, etc. SIMPOSIO DE METROLOGÍA
39 SIMPOSIO DE METROLOGÍA
40 Resultados El software desarrollado en CENAM ha sido probado con las bases de datos del NIST (ejemplo) Los resultados muestran una concordancia hasta la 6 cifra significativa en el peor de los casos comparando los resultados de NIST y CENAM El tiempo empleado por el algoritmo de kerneles separables para señales de 3D, representa un 12% del tiempo, en comparación con el cálculo normal SIMPOSIO DE METROLOGÍA
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