eng
Выпуск #3-4/2021
Б.Г.Турухано, Н.Турухано, С.Н.Ханов, Ю.М.Лавров, В.В.Добырн, О.Г.Ермоленко, Л.А.Константинов, Е.А.Вилков, И.В.Ладатко
Портативный наноголографический плоскомер
Портативный наноголографический плоскомер
Просмотры: 1611
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.212.222
Портативный наноголографический плоскомер предназначен для измерения и контроля качества оптических поверхностей, отклонений от заданной формы, определения шероховатости, включая сверхгладкие поверхности. ПНГПл увеличивает точность измерения, не ограничен размером измеряемой поверхности, ускоряет измерения в широком температурном диапазоне.
Портативный наноголографический плоскомер предназначен для измерения и контроля качества оптических поверхностей, отклонений от заданной формы, определения шероховатости, включая сверхгладкие поверхности. ПНГПл увеличивает точность измерения, не ограничен размером измеряемой поверхности, ускоряет измерения в широком температурном диапазоне.
Теги: holographic length meter holographic plane meter surface roughness голографический длиномер голографический плоскомер шероховатость поверхности
ПОРТАТИВНЫЙ НАНОГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ПЛОСКОМЕР
PORTABLE NANO-HOLOGRAPHIC PLANMETER
Б.Г.Турухано*, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, Н.Турухано*, вед. науч. сотр., Заслуженный изобретатель РФ, сотр., С.Н.Ханов*, вед. инженер-конструктор, Ю.М.Лавров*, науч. сотр. В.В.Добырн*, с.н.с., О.Г.Ермоленко*, вед. инженер-технолог, Л.А.Константинов*, вед. инженер, Е.А.Вилков*, инженер-программист, И.В.Ладатко*, инженер-программист
B.G.Turukhano*, Head of LGIIS, Honored Inventor of RF, N.Turukhano*, Leading Researcher, Honored Inventor of RF, Yu.M.Lavrov* Researcher, S.N.Khanov*, Leading Design Engineer, V.V.Dobyrn*, Senior Researcher, O.G.Ermolenko*, Leading Engineer Technologist, L.A.Konstantinov*, Leading Engineer, Е.F.Vilkov*, Software Engineer, I.V.Ladatko*, Software Engineer
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.212.222
Получено: 26.05.2021 г.
Портативный наноголографический плоскомер (ПНГПл) относится к измерительной технике, точнее к области измерения и контроля качества оптических поверхностей, их отклонения от заданной формы поверхности, определения шероховатости поверхности, в том числе сверх гладких поверхностей, например плоских зеркал, полированных подложек и т.п.
ПНГПл приводит к увеличению точности измерения, снятию ограничений по величине измеряемой поверхности, ускорению процесса измерений и к увеличению рабочего температурного диапазона. Основным измерительным элементом ПНГПл, обеспечивающим его высокие характеристики, является голографический длиномер ДГ.
Portable NANO holographic plane meter (PNHPM) refers to measuring technology, more precisely to the field of measuring and controlling the quality of optical surfaces, their deviation from a given surface shape, determining surface roughness, including super smooth surfaces, such as flat mirrors, polished substrates, etc. PNHPM leads to an increase in the measurement accuracy, removal of restrictions on the size of the measured surface, acceleration of the measurement process and with an increase in the operating temperature range. The main measuring element of PNHPM, which ensures its high characteristics, is the holographic length meter.
ВВЕДЕНИЕ
ПНГПл – это голографическая измерительная система. Он предназначен для прецизионных измерений в реальном масштабе времени, обработки и сохранения результатов измерения при работе, как в автономном режиме, так и с автоматизированными системами измерения в составе измерительно-вычислительного комплекса. Эта система характеризуется высокой надежностью. Информация о величине отклонения от плоскостности отображается в цифровом виде таблиц и графиков. ПНГПл может быть использован в машиностроении, оптико-механической промышленности, самолетостроении, во всех высокотехнологических отраслях промышленности, для калибровки промышленных измерительных стандартов, а также в науке и технике.
Конструктивное выполнение устройства ПНГПл позволяет определить с высокой наноточностью отклонение от плоскостности поверхности, снять ограничение по величине измеряемой поверхности и осуществить ускоренный процесс измерений при увеличении рабочего температурного диапазона. В процессе измерения отсутствует субъективный человеческий фактор.
Для контроля плоскостности горизонтально расположенных поверхностей применяют поверочные линейки (к примеру, линейка оптическая ОЛ-800 [1], плиты, плоские стеклянные пластины, интерферометр, имеющий точность до 0,5 мкм).
Известно устройство для определения отклонения от плоскостности поверхностей, включающее автоколлиматор [2] в качестве измерительного элемента и зеркало, расположенное на измеряемой поверхности с возможностью перемещения по ней.
Недостаток данного метода связан с большим размером и весом автоколлиматора (9 кг) из-за чего его устанавливают, как правило, не на измеряемую поверхность для того чтобы не вносить искажения в эту поверхность, поэтому секундная шкала автоколлиматора и зеркало, установленное на измеряемой поверхности, находятся в разных системах координат (неподвижной и подвижной) и развязаны между собой, поэтому передача информации осуществляется с определенной погрешностью из-за изменения во времени и в пространстве их взаимных расположений.
ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Лазерные интерференционные измерения в диапазонах длин 200 мм, 20 м и 1 км осуществляют с помощью гелий-неоновых лазеров, обеспечивающих высокую монохроматичность, малую расходимость лучей и большую интенсивность излучения. В лазерной интерферометрии разрешающая способность в метровом диапазоне может быть до 0,1 мкм/м и пропорционально перемещению изделия. Погрешность лазерных измерительных интерферометров ЛИ составляет не более длины волны света (0,6 мкм). ЛИ обычно строятся по двухлучевой системе Майкельсона, включающей лазер, светоделительное зеркало и два отражателя, один из которых неподвижен, а другой – жестко связан с изделием. Отразившись от эталонного и объектного зеркал, пучки света соединяются и интерферируют. На выходе прибора с помощью фотометрического счетчика подсчитывается число полос интерференции.
Недостаток ЛИ – относительно высокая чувствительность к внешним механическим и температурным воздействиям, что ограничивает их применение. Автоколлимационный метод используется для контроля отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей большой протяженностью (до 40÷50 м).
Недостатками способа являются недостаточная точность измерений, связанная с субъективной погрешностью при визуальном определении центра коллимированного луча и совмещении его с перекрестьем визирующей марки, а также с погрешностью, которая может быть вызвана сейсмическими колебаниями или вибрацией от технологического оборудования и строительной техники. Устройство пригодно лишь при небольших изменениях отклонения от плоскостности и только для оптических поверхностей.
Измерения отклонения от плоскостности осуществляется вручную оператором. Устройство может определять не плоскостность небольших поверхностей.
ПНГПл позволяет повысить точность измерения отклонений поверхности от плоскостности, снять ограничений по величине измеряемой поверхности и автоматизировать процесса измерения, чем существенно упрощается данный процесс.
Устройство ПНГПл представлено на рис.1. Оно содержит измерительный узел 1, включающий щуп 2, платформу со сквозным отверстием 3, в котором установлен измерительный узел. Щуп имеет возможность касания с измеряемой поверхностью и перемещения в плоскости, перпендикулярной измеряемой поверхности и вдоль направления измерения, а платформа снабжена тремя опорами A, B и C для установки устройства на измеряемой поверхности. В качестве измерительного узла используется датчик линейных перемещений (длиномер голографический – ДГ), включающий источник света, освещающий две дифракционные решетки, одна из которых измерительная, жестко связанная со щупом, а другая вспомогательная, и фотоприемники. Опоры A, B, C выполнены из материалов с низким коэффициентом температурного расширения и обеспечивающие трехточечную установку платформы на поверхность. Они расположены в вершинах треугольника таким образом, что один из катетов треугольника параллелен одной из сторон платформы. Кроме этого, к устройству прилагается пробное стекло, необходимое для его калибровки (рис.2).
ДГ-1 представляет собой прецизионное измерительное устройство с цифровым выходом информации и с измерительным элементом в виде линейной голографической дифракционной решетки. В ДГ используется сопряжение двух дифракционных решеток 3 и 4 (рис.3), из которых одна – измерительная с длиной, не меньше чем ожидаемое отклонение от плоскостности измеряемой поверхности, и жестко связана со щупом 2 (рис.1 и 2), а другая – небольшая, вспомогательная.
Применение растровых сопряжений двух голографических дифракционных решеток, образующих комбинационные муаровые полосы, для цифрового измерения перемещений методом последовательного счета основывается на следующем явлении. Если одна решетка движется в собственной плоскости перпендикулярно своим штрихам, а другая неподвижна по отношению к наблюдателю, то муаровые полосы также перемещаются, причем число полос, которые проходят через любую точку растрового поля, равно числу штрихов движущейся решетки, которые прошли эту же самую точку. Если одна из решеток жестко закреплена к щупу 2 (рис.1 и 2) длиномера, который должен измерить отклонение от плоскости поверхности, а другая неподвижна относительно него, то, считая число полос, проходящих любую фиксированную точку, можно определить линейное перемещение подвижного щупа, выраженное через число периодов штрихов дифракционной решетки.
В данном случае, как видно из таблиц, этот период равен 1 мкм. Кроме этого для того чтобы обеспечить реверсивный счет, растровое муаровое звено должно выдавать два сигнала, сдвинутых по пространственной фазе на π/2, то есть находящихся в квадратуре.
Синусоидальные квадратурные сигналы могут быть преобразованы в прямоугольные сигналы (рис.3). В результате измеряемое перемещение представляется последовательностью однородных импульсов, причем каждый импульс соответствует перемещению решетки на один шаг. Число импульсов подсчитывается электронным реверсивным счетчиком при их освещении световым потоком от светового источника 1, содержащегося в измерительном узле, на выходе решеток появляются интерференционные комбинационные муаровые полосы, возникающие в результате интерференции пучков различных порядков дифракции этих решеток. Вначале на измерительную решетку 3 накладывается вспомогательная решетка 4 (рис.4), затем короткая решетка рассогласовывается по углу с измерительной решеткой (вертикальные стрелки (рис.5) до получения широких муаровых полос. Период муаровых полос в вертикальном направлении принимаем за 360°. Если установить один фотоприемник 1 и начать двигать измерительную решетку 3 вправо-влево (горизонтальные стрелки) муаровые полосы начнут смещаться вверх и вниз и фотоприемники начнут их считывать.
Для определения направления смещения измерительной решетки устанавливается второй фотоприемник, генерируя синусоидальные сигналы 2 в поле муаровых полос со сдвигом по полосам на 90° относительно первого фотоприемника (как установлены белые квадраты 5 и 6, имитирующие фотоприемники 1 и 2 (Рис.4).
Теперь, если смещать измерительную решетку, два фотоприемника начнут генерировать две синусоиды, смещенные на 90°, то есть синус и косинус. При смещении в одну сторону смещение будет на +90°, а в другую на –90°. Если фотоприемники 5 и 6 соединить попарно, со сдвигом в 180° (что позволяет компенсировать постоянную составляющую сигнала), то на выходе фотоприемников образуются два сигнала sin и cos, сдвинутые на 90°.
При получении информации о перемещении датчика во время считывания происходит преобразование сигналов sin и cos в сигналы TTL (меандры) (см. рис.6), если это требует ЧПУ. Шаг и форма муаровых полос зависит от параметров решеток и от их взаимного расположения. В основном они представляют собой семейство прямых линий. Перемещение одной из решеток, жестко связанной со щупом 2, относительно второй приводит к синхронному движению муаровых полос и в случае реверса – к синхронному реверсу.
Можно оценить связь между перемещением измерительной дифракционной решетки по измеряемой поверхности и перемещением муаровой полосы, то есть определить коэффициент оптической редукции. В ДГ используется одно фундаментальное свойство муаровых полос, полученных в результате растровых спряжений двух решеток, а именно, что малому перемещению подвижной измерительной решетки соответствует существенное перемещение муаровых полос. Таким образом, имеет место масштабное (увеличенное) преобразование малых перемещений измерительной решетки в существенно большие, пропорциональные перемещения муаровых полос. Именно это обстоятельство позволяет установить в поле муаровых полос фотоприемники, обладающие существенно большими размерами, чем произведенное перемещение измерительной решетки. Фотоприемники устанавливаются в апертуре индикаторной решетки, чем и определяется ее размер.
Перемещения муаровых полос преобразуются фотоприемниками в электрические сигналы, которые обрабатываются в электронном логическом блоке управления ДГ или в PC через интерфейс RS-232 с целью получения цифровой информации об измеряемом перемещении.
С целью устранения температурной зависимости платформа 3 (рис.1) изготовлена из кварца, щуп 2 и опоры 4 из инвара, а наконечники опор 4 – из сапфира. Кроме этого, длиномер ДГ-30 имеет возможность калибровки в большом интервале температур (порядка ±10°С), что позволяет устройству работать при разных температурных режимах окружающей среды без потери точности. Точность устройства при использовании длиномера ДГ-30 достигает разрешение 0,01 мкм (рис.7), а в случае ДГ-70 (предел измерения 70 мм) (рис.8) достигает разрешение 1 нм.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Вначале производится калибровка устройства с помощью эталонной пластины 6 (рис.2). При этом платформа 3 посредством опор с наконечниками 4 и измерительный узел 1 со щупом 2 устанавливаются на поверхности эталонной пластины 6. Блок управления устанавливается в положение "калибровка" и зануливаются показания ДГ, в результате чего в блоке управления автоматически определяется коэффициент калибровки kcal и в дальнейшем показания прибора во время всех актов измерений автоматически будут учитывать эту величину.
Причем kcal>0, если поверхность эталонной пластины выпуклая, и kcal<0, если ее поверхность вогнутая. Далее, после калибровки, платформу 3 и ДГ 1 со щупом 2 переносят на измеряемую поверхность и переходят к измерению отклонения от плоскостности поверхности. Блок управления устанавливается в положение "измерение" и зануливаются показания ДГ. После чего можно начинать измерение поверхности. Измерение отклонения от плоскостности поверхности основано на принципе измерения отклонения от плоскостности поверхности при измерениях в различных направлениях этой поверхности (к примеру, Х и Y). Для этого связывают ортогональную систему координат с измеряемой поверхностью XOY и определяют начало координат. Катет треугольника АВ должен находиться на измерительной линии, параллельной направлению ОХ или соответственно OY, а ДГ 1 должен быть расположен в середине этого катета посредством фиксации в отверстии 2. В этом случае ошибки Аббэ будут минимальны. Перемещают боковую грань платформы, параллельной катету АВ, вдоль выбранного направления перемещения ОХ или OY, через равные выбранные интервалы, связанные с конкретной задачей. В данном конкретном случае, был выбран интервал, равный половине катета АВ. В качестве направляющих, вдоль которых нужно перемещать платформу 3, можно использовать линейку или лазерный луч и т.д.
После каждого перемещения каретку останавливают и снимают цифровые значения с электронного блока ДГ. В памяти компьютера фиксируются цифровые значения высот hix датчика в данном направлении ОХ. Те же самые действия осуществляются для всех других линий, параллельных оси ОХ, покрывающих всю измеряемую поверхность через необходимые интервалы. В памяти компьютера фиксируются также цифровые значения высот hiy датчика в направлении OY и для всех других линий, параллельных оси OY.
Программа по измеренным величинам строит отклонение от плоскостности поверхности в пределах XOY по трем координатам X, Y, Z.
Причем конструкция устройства такова, что нет никаких ограничений по количеству точек измерений, тем самым по величине измеряемой поверхности. Устройство ДГ-30/100/200 было удостоено свидетельства об утверждении типа средств измерений [3] от 2 октября 2018 года.
На рис.7 и 8 показан ДГ-30 и ДГ-70. На рис.9 видно коридор изменения отклонения от плоскостности поверхности в пределах от –0,08 до +1,2 мкм, определяемого с разрешением 0,01 мкм, а на рис.9 дано развернутое сечение отклонения от неплоскостности поверхности в направлении измерения вдоль оси ОХ. Такое же сечение можно получить вдоль оси OY. Интервалы, через которые осуществлялись измерения, равнялись половине длины катета АВ, то есть расстоянию от одной из опор, расположенной на катете, до щупа ДГ.
В настоящее время в России выпускаются ДГ – длиномеры голографические с измеряемой длиной до 200 мм [4] и с точностью измерения по вертикали от ±0,05 до ±0,2 мкм и разрешением 10 и 1 нм.
Измерительный узел не меняет свое положение относительно точек опор платформы. Причем его установка в середине базы АВ, то есть симметрично относительно опор, позволяет сохранять одинаковую точность в каждом акте измерения.
На рис.9 дана картина распределения отклонения от плоскостности измеряемой поверхности, а на рис.9 отклонение от плоскостности, сканированной в одном из сечений этой поверхности.
ВЫВОДЫ
Преимущества данного ПНПлГ:
увеличение точности измерения. Точность измерительной решетки дана формулой точности ВНИИМ им. Д.И.Менделеева:(0,02 + 0,4L/1000) мкм, где L – длина измерения в мм,
ускорение процесса измерений,
увеличение предела измеряемых отклонений от плоскостности,
уменьшение габаритов платформы и измерительного узла, содержание небольшого числа оптико-механических узлов,
фиксация измерительного узла в отверстии платформы относительно точек опоры,
платформы 3 и опоры с наконечниками 4 с малой зависимостью от температуры,
снятие ограничений по величине измеряемой поверхности, как со стороны малых, так и со стороны больших значений (т.е. расширение диапазона измеряемой поверхности,
измеряемое отклонение поверхности от плоскостности поверхности h=±15 мм, что связано с характеристиками измерительного длиномера ДГ-30;
возможность автоматизация процесса измерения,
устройство весит не более 300 г,
увеличение рабочего температурного диапазона,
время проведения одного цикла измерений минимально, так как запоминание и обработка данных осуществляется автоматически блоком управления или на компьютере,
допускает измерение не только горизонтальных поверхностей,
уменьшение веса измерительного.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Линейка оптическая ОЛ-800, Технические условия ТУЗ-3.655-77. Издательство: 140061, г. Лыткарино, Моск. обл., ПО "Рубин", 1990.
Автоколлиматоры унифицированные АК-0,2У, АК-0,5У, АК-1У // ГОСТ 11899-77.
Сертификат об утверждении типа измерений PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C.27.001. A. № 71376. 01.10.2018 г.
Турухано Б.Г., Турухано Н. Измерительная микрометрическая головка "Тубор". Патент РФ, № 2 032 142. 1995. Пр. 19.03.92.
Optical ruler OL-800, Technical specifications TUZ-3.655-77. Publisher: 140061. Lytkarino. Moscow region. PO "Rubin", 1990.
Autocollimators unified AK-0.2 U, AK-0.5 U, AK-1U. GOST 11899-77.
PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C. 27.001. A. No. 71376. 01.10.2018 г.
Turukhano B.G., Turukhano N. Measuring micrometric head "Tubor", RF Patent, No. 2 032 142. 1995. Pr. 19.03.92.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
PORTABLE NANO-HOLOGRAPHIC PLANMETER
Б.Г.Турухано*, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, Н.Турухано*, вед. науч. сотр., Заслуженный изобретатель РФ, сотр., С.Н.Ханов*, вед. инженер-конструктор, Ю.М.Лавров*, науч. сотр. В.В.Добырн*, с.н.с., О.Г.Ермоленко*, вед. инженер-технолог, Л.А.Константинов*, вед. инженер, Е.А.Вилков*, инженер-программист, И.В.Ладатко*, инженер-программист
B.G.Turukhano*, Head of LGIIS, Honored Inventor of RF, N.Turukhano*, Leading Researcher, Honored Inventor of RF, Yu.M.Lavrov* Researcher, S.N.Khanov*, Leading Design Engineer, V.V.Dobyrn*, Senior Researcher, O.G.Ermolenko*, Leading Engineer Technologist, L.A.Konstantinov*, Leading Engineer, Е.F.Vilkov*, Software Engineer, I.V.Ladatko*, Software Engineer
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.212.222
Получено: 26.05.2021 г.
Портативный наноголографический плоскомер (ПНГПл) относится к измерительной технике, точнее к области измерения и контроля качества оптических поверхностей, их отклонения от заданной формы поверхности, определения шероховатости поверхности, в том числе сверх гладких поверхностей, например плоских зеркал, полированных подложек и т.п.
ПНГПл приводит к увеличению точности измерения, снятию ограничений по величине измеряемой поверхности, ускорению процесса измерений и к увеличению рабочего температурного диапазона. Основным измерительным элементом ПНГПл, обеспечивающим его высокие характеристики, является голографический длиномер ДГ.
Portable NANO holographic plane meter (PNHPM) refers to measuring technology, more precisely to the field of measuring and controlling the quality of optical surfaces, their deviation from a given surface shape, determining surface roughness, including super smooth surfaces, such as flat mirrors, polished substrates, etc. PNHPM leads to an increase in the measurement accuracy, removal of restrictions on the size of the measured surface, acceleration of the measurement process and with an increase in the operating temperature range. The main measuring element of PNHPM, which ensures its high characteristics, is the holographic length meter.
ВВЕДЕНИЕ
ПНГПл – это голографическая измерительная система. Он предназначен для прецизионных измерений в реальном масштабе времени, обработки и сохранения результатов измерения при работе, как в автономном режиме, так и с автоматизированными системами измерения в составе измерительно-вычислительного комплекса. Эта система характеризуется высокой надежностью. Информация о величине отклонения от плоскостности отображается в цифровом виде таблиц и графиков. ПНГПл может быть использован в машиностроении, оптико-механической промышленности, самолетостроении, во всех высокотехнологических отраслях промышленности, для калибровки промышленных измерительных стандартов, а также в науке и технике.
Конструктивное выполнение устройства ПНГПл позволяет определить с высокой наноточностью отклонение от плоскостности поверхности, снять ограничение по величине измеряемой поверхности и осуществить ускоренный процесс измерений при увеличении рабочего температурного диапазона. В процессе измерения отсутствует субъективный человеческий фактор.
Для контроля плоскостности горизонтально расположенных поверхностей применяют поверочные линейки (к примеру, линейка оптическая ОЛ-800 [1], плиты, плоские стеклянные пластины, интерферометр, имеющий точность до 0,5 мкм).
Известно устройство для определения отклонения от плоскостности поверхностей, включающее автоколлиматор [2] в качестве измерительного элемента и зеркало, расположенное на измеряемой поверхности с возможностью перемещения по ней.
Недостаток данного метода связан с большим размером и весом автоколлиматора (9 кг) из-за чего его устанавливают, как правило, не на измеряемую поверхность для того чтобы не вносить искажения в эту поверхность, поэтому секундная шкала автоколлиматора и зеркало, установленное на измеряемой поверхности, находятся в разных системах координат (неподвижной и подвижной) и развязаны между собой, поэтому передача информации осуществляется с определенной погрешностью из-за изменения во времени и в пространстве их взаимных расположений.
ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Лазерные интерференционные измерения в диапазонах длин 200 мм, 20 м и 1 км осуществляют с помощью гелий-неоновых лазеров, обеспечивающих высокую монохроматичность, малую расходимость лучей и большую интенсивность излучения. В лазерной интерферометрии разрешающая способность в метровом диапазоне может быть до 0,1 мкм/м и пропорционально перемещению изделия. Погрешность лазерных измерительных интерферометров ЛИ составляет не более длины волны света (0,6 мкм). ЛИ обычно строятся по двухлучевой системе Майкельсона, включающей лазер, светоделительное зеркало и два отражателя, один из которых неподвижен, а другой – жестко связан с изделием. Отразившись от эталонного и объектного зеркал, пучки света соединяются и интерферируют. На выходе прибора с помощью фотометрического счетчика подсчитывается число полос интерференции.
Недостаток ЛИ – относительно высокая чувствительность к внешним механическим и температурным воздействиям, что ограничивает их применение. Автоколлимационный метод используется для контроля отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей большой протяженностью (до 40÷50 м).
Недостатками способа являются недостаточная точность измерений, связанная с субъективной погрешностью при визуальном определении центра коллимированного луча и совмещении его с перекрестьем визирующей марки, а также с погрешностью, которая может быть вызвана сейсмическими колебаниями или вибрацией от технологического оборудования и строительной техники. Устройство пригодно лишь при небольших изменениях отклонения от плоскостности и только для оптических поверхностей.
Измерения отклонения от плоскостности осуществляется вручную оператором. Устройство может определять не плоскостность небольших поверхностей.
ПНГПл позволяет повысить точность измерения отклонений поверхности от плоскостности, снять ограничений по величине измеряемой поверхности и автоматизировать процесса измерения, чем существенно упрощается данный процесс.
Устройство ПНГПл представлено на рис.1. Оно содержит измерительный узел 1, включающий щуп 2, платформу со сквозным отверстием 3, в котором установлен измерительный узел. Щуп имеет возможность касания с измеряемой поверхностью и перемещения в плоскости, перпендикулярной измеряемой поверхности и вдоль направления измерения, а платформа снабжена тремя опорами A, B и C для установки устройства на измеряемой поверхности. В качестве измерительного узла используется датчик линейных перемещений (длиномер голографический – ДГ), включающий источник света, освещающий две дифракционные решетки, одна из которых измерительная, жестко связанная со щупом, а другая вспомогательная, и фотоприемники. Опоры A, B, C выполнены из материалов с низким коэффициентом температурного расширения и обеспечивающие трехточечную установку платформы на поверхность. Они расположены в вершинах треугольника таким образом, что один из катетов треугольника параллелен одной из сторон платформы. Кроме этого, к устройству прилагается пробное стекло, необходимое для его калибровки (рис.2).
ДГ-1 представляет собой прецизионное измерительное устройство с цифровым выходом информации и с измерительным элементом в виде линейной голографической дифракционной решетки. В ДГ используется сопряжение двух дифракционных решеток 3 и 4 (рис.3), из которых одна – измерительная с длиной, не меньше чем ожидаемое отклонение от плоскостности измеряемой поверхности, и жестко связана со щупом 2 (рис.1 и 2), а другая – небольшая, вспомогательная.
Применение растровых сопряжений двух голографических дифракционных решеток, образующих комбинационные муаровые полосы, для цифрового измерения перемещений методом последовательного счета основывается на следующем явлении. Если одна решетка движется в собственной плоскости перпендикулярно своим штрихам, а другая неподвижна по отношению к наблюдателю, то муаровые полосы также перемещаются, причем число полос, которые проходят через любую точку растрового поля, равно числу штрихов движущейся решетки, которые прошли эту же самую точку. Если одна из решеток жестко закреплена к щупу 2 (рис.1 и 2) длиномера, который должен измерить отклонение от плоскости поверхности, а другая неподвижна относительно него, то, считая число полос, проходящих любую фиксированную точку, можно определить линейное перемещение подвижного щупа, выраженное через число периодов штрихов дифракционной решетки.
В данном случае, как видно из таблиц, этот период равен 1 мкм. Кроме этого для того чтобы обеспечить реверсивный счет, растровое муаровое звено должно выдавать два сигнала, сдвинутых по пространственной фазе на π/2, то есть находящихся в квадратуре.
Синусоидальные квадратурные сигналы могут быть преобразованы в прямоугольные сигналы (рис.3). В результате измеряемое перемещение представляется последовательностью однородных импульсов, причем каждый импульс соответствует перемещению решетки на один шаг. Число импульсов подсчитывается электронным реверсивным счетчиком при их освещении световым потоком от светового источника 1, содержащегося в измерительном узле, на выходе решеток появляются интерференционные комбинационные муаровые полосы, возникающие в результате интерференции пучков различных порядков дифракции этих решеток. Вначале на измерительную решетку 3 накладывается вспомогательная решетка 4 (рис.4), затем короткая решетка рассогласовывается по углу с измерительной решеткой (вертикальные стрелки (рис.5) до получения широких муаровых полос. Период муаровых полос в вертикальном направлении принимаем за 360°. Если установить один фотоприемник 1 и начать двигать измерительную решетку 3 вправо-влево (горизонтальные стрелки) муаровые полосы начнут смещаться вверх и вниз и фотоприемники начнут их считывать.
Для определения направления смещения измерительной решетки устанавливается второй фотоприемник, генерируя синусоидальные сигналы 2 в поле муаровых полос со сдвигом по полосам на 90° относительно первого фотоприемника (как установлены белые квадраты 5 и 6, имитирующие фотоприемники 1 и 2 (Рис.4).
Теперь, если смещать измерительную решетку, два фотоприемника начнут генерировать две синусоиды, смещенные на 90°, то есть синус и косинус. При смещении в одну сторону смещение будет на +90°, а в другую на –90°. Если фотоприемники 5 и 6 соединить попарно, со сдвигом в 180° (что позволяет компенсировать постоянную составляющую сигнала), то на выходе фотоприемников образуются два сигнала sin и cos, сдвинутые на 90°.
При получении информации о перемещении датчика во время считывания происходит преобразование сигналов sin и cos в сигналы TTL (меандры) (см. рис.6), если это требует ЧПУ. Шаг и форма муаровых полос зависит от параметров решеток и от их взаимного расположения. В основном они представляют собой семейство прямых линий. Перемещение одной из решеток, жестко связанной со щупом 2, относительно второй приводит к синхронному движению муаровых полос и в случае реверса – к синхронному реверсу.
Можно оценить связь между перемещением измерительной дифракционной решетки по измеряемой поверхности и перемещением муаровой полосы, то есть определить коэффициент оптической редукции. В ДГ используется одно фундаментальное свойство муаровых полос, полученных в результате растровых спряжений двух решеток, а именно, что малому перемещению подвижной измерительной решетки соответствует существенное перемещение муаровых полос. Таким образом, имеет место масштабное (увеличенное) преобразование малых перемещений измерительной решетки в существенно большие, пропорциональные перемещения муаровых полос. Именно это обстоятельство позволяет установить в поле муаровых полос фотоприемники, обладающие существенно большими размерами, чем произведенное перемещение измерительной решетки. Фотоприемники устанавливаются в апертуре индикаторной решетки, чем и определяется ее размер.
Перемещения муаровых полос преобразуются фотоприемниками в электрические сигналы, которые обрабатываются в электронном логическом блоке управления ДГ или в PC через интерфейс RS-232 с целью получения цифровой информации об измеряемом перемещении.
С целью устранения температурной зависимости платформа 3 (рис.1) изготовлена из кварца, щуп 2 и опоры 4 из инвара, а наконечники опор 4 – из сапфира. Кроме этого, длиномер ДГ-30 имеет возможность калибровки в большом интервале температур (порядка ±10°С), что позволяет устройству работать при разных температурных режимах окружающей среды без потери точности. Точность устройства при использовании длиномера ДГ-30 достигает разрешение 0,01 мкм (рис.7), а в случае ДГ-70 (предел измерения 70 мм) (рис.8) достигает разрешение 1 нм.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Вначале производится калибровка устройства с помощью эталонной пластины 6 (рис.2). При этом платформа 3 посредством опор с наконечниками 4 и измерительный узел 1 со щупом 2 устанавливаются на поверхности эталонной пластины 6. Блок управления устанавливается в положение "калибровка" и зануливаются показания ДГ, в результате чего в блоке управления автоматически определяется коэффициент калибровки kcal и в дальнейшем показания прибора во время всех актов измерений автоматически будут учитывать эту величину.
Причем kcal>0, если поверхность эталонной пластины выпуклая, и kcal<0, если ее поверхность вогнутая. Далее, после калибровки, платформу 3 и ДГ 1 со щупом 2 переносят на измеряемую поверхность и переходят к измерению отклонения от плоскостности поверхности. Блок управления устанавливается в положение "измерение" и зануливаются показания ДГ. После чего можно начинать измерение поверхности. Измерение отклонения от плоскостности поверхности основано на принципе измерения отклонения от плоскостности поверхности при измерениях в различных направлениях этой поверхности (к примеру, Х и Y). Для этого связывают ортогональную систему координат с измеряемой поверхностью XOY и определяют начало координат. Катет треугольника АВ должен находиться на измерительной линии, параллельной направлению ОХ или соответственно OY, а ДГ 1 должен быть расположен в середине этого катета посредством фиксации в отверстии 2. В этом случае ошибки Аббэ будут минимальны. Перемещают боковую грань платформы, параллельной катету АВ, вдоль выбранного направления перемещения ОХ или OY, через равные выбранные интервалы, связанные с конкретной задачей. В данном конкретном случае, был выбран интервал, равный половине катета АВ. В качестве направляющих, вдоль которых нужно перемещать платформу 3, можно использовать линейку или лазерный луч и т.д.
После каждого перемещения каретку останавливают и снимают цифровые значения с электронного блока ДГ. В памяти компьютера фиксируются цифровые значения высот hix датчика в данном направлении ОХ. Те же самые действия осуществляются для всех других линий, параллельных оси ОХ, покрывающих всю измеряемую поверхность через необходимые интервалы. В памяти компьютера фиксируются также цифровые значения высот hiy датчика в направлении OY и для всех других линий, параллельных оси OY.
Программа по измеренным величинам строит отклонение от плоскостности поверхности в пределах XOY по трем координатам X, Y, Z.
Причем конструкция устройства такова, что нет никаких ограничений по количеству точек измерений, тем самым по величине измеряемой поверхности. Устройство ДГ-30/100/200 было удостоено свидетельства об утверждении типа средств измерений [3] от 2 октября 2018 года.
На рис.7 и 8 показан ДГ-30 и ДГ-70. На рис.9 видно коридор изменения отклонения от плоскостности поверхности в пределах от –0,08 до +1,2 мкм, определяемого с разрешением 0,01 мкм, а на рис.9 дано развернутое сечение отклонения от неплоскостности поверхности в направлении измерения вдоль оси ОХ. Такое же сечение можно получить вдоль оси OY. Интервалы, через которые осуществлялись измерения, равнялись половине длины катета АВ, то есть расстоянию от одной из опор, расположенной на катете, до щупа ДГ.
В настоящее время в России выпускаются ДГ – длиномеры голографические с измеряемой длиной до 200 мм [4] и с точностью измерения по вертикали от ±0,05 до ±0,2 мкм и разрешением 10 и 1 нм.
Измерительный узел не меняет свое положение относительно точек опор платформы. Причем его установка в середине базы АВ, то есть симметрично относительно опор, позволяет сохранять одинаковую точность в каждом акте измерения.
На рис.9 дана картина распределения отклонения от плоскостности измеряемой поверхности, а на рис.9 отклонение от плоскостности, сканированной в одном из сечений этой поверхности.
ВЫВОДЫ
Преимущества данного ПНПлГ:
увеличение точности измерения. Точность измерительной решетки дана формулой точности ВНИИМ им. Д.И.Менделеева:(0,02 + 0,4L/1000) мкм, где L – длина измерения в мм,
ускорение процесса измерений,
увеличение предела измеряемых отклонений от плоскостности,
уменьшение габаритов платформы и измерительного узла, содержание небольшого числа оптико-механических узлов,
фиксация измерительного узла в отверстии платформы относительно точек опоры,
платформы 3 и опоры с наконечниками 4 с малой зависимостью от температуры,
снятие ограничений по величине измеряемой поверхности, как со стороны малых, так и со стороны больших значений (т.е. расширение диапазона измеряемой поверхности,
измеряемое отклонение поверхности от плоскостности поверхности h=±15 мм, что связано с характеристиками измерительного длиномера ДГ-30;
возможность автоматизация процесса измерения,
устройство весит не более 300 г,
увеличение рабочего температурного диапазона,
время проведения одного цикла измерений минимально, так как запоминание и обработка данных осуществляется автоматически блоком управления или на компьютере,
допускает измерение не только горизонтальных поверхностей,
уменьшение веса измерительного.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Линейка оптическая ОЛ-800, Технические условия ТУЗ-3.655-77. Издательство: 140061, г. Лыткарино, Моск. обл., ПО "Рубин", 1990.
Автоколлиматоры унифицированные АК-0,2У, АК-0,5У, АК-1У // ГОСТ 11899-77.
Сертификат об утверждении типа измерений PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C.27.001. A. № 71376. 01.10.2018 г.
Турухано Б.Г., Турухано Н. Измерительная микрометрическая головка "Тубор". Патент РФ, № 2 032 142. 1995. Пр. 19.03.92.
Optical ruler OL-800, Technical specifications TUZ-3.655-77. Publisher: 140061. Lytkarino. Moscow region. PO "Rubin", 1990.
Autocollimators unified AK-0.2 U, AK-0.5 U, AK-1U. GOST 11899-77.
PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C. 27.001. A. No. 71376. 01.10.2018 г.
Turukhano B.G., Turukhano N. Measuring micrometric head "Tubor", RF Patent, No. 2 032 142. 1995. Pr. 19.03.92.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
