Введение к работе
Актуальность темы. Измерение отклонений от прямолинейности — одна из важнейших научно-технических задач, возникающих при разработке, изготовлении, калибровке и аттестации машиностроительного оборудования. Особенно это актуально для многокоординатного оборудования (станков, координатно-измерительных машин (КИМ) и других средств координатных измерений, робототехнических систем, реализуемых как в традиционной компоновке в комбинации декартовых и полярных координат, так и в системах с параллельной кинематикой на основе управляемой платформы Стюарта). Во всех этих устройствах, разнообразных по своему применению и кинематике, необходимо обеспечить прямолинейность движения подвижных узлов вдоль осей системы координат, что является важнейшим условием обеспечения точности обработки, контроля и транспортировки изделий в пространстве.
Средства измерений отклонений от прямолинейности используются для обеспечения прямолинейности профиля сечения поверхностей и для оценки прямолинейности перемещения исполнительных узлов систем (прямолинейность оси в пространстве). Первый вариант относится к оценке качества изготовления узлов. Второй вариант используется для определения прямолинейности направления, по которому происходит перемещение подвижных узлов оборудования.
Важность измерения отклонения от прямолинейности как профиля изделий, так и осей перемещения привела к созданию большого количества средств измерений. Все известные методы базируются на методе сравнения измеряемой линии с образцовой. При этом методы воспроизведения идеальной поверхности и способы определения отклонений измеряемых профилей от образцового профиля могут иметь различную природу. Анализ механических и оптико-механических средств измерения отклонений от прямолинейности показывает, что наиболее перспективными являются оптические методы, где в качестве эталона прямой линии рассматривается энергетическая ось светового
пучка. Под последней понимается линия, представляющая собой геометрическое место точек, являющихся центром энергетического распределения светового потока в каждом поперечном сечении в направлении распространения.
В настоящее время оптические методы контроля отклонений от прямолинейности (коллимационные, автоколлимационные, интерференционные) достигли высокого совершенства и обеспечивают измерение этих отклонений с погрешностью до 1 мкм/м. Однако, анализ требований, предъявляемых к геометрическим параметрам непрямолинейности изделий и узлов в современном машино- и приборостроении показывает, что при контроле прецизионного технологического и измерительного оборудования (станков классов В, А и С, КИМ и других средств координатных измерений высших классов точности) требуется дальнейшее повышение точности измерения до долей мкм/м.
Бурное развитие нанотехнологий, в т. ч. технологии изготовления изделий с нанометрической точностью, также требует в перспективе достижения погрешности измерения отклонений от прямолинейности на уровне десятых — сотых долей мкм/м.
Можно сказать, что потенциальная точность известных оптических методов измерения отклонений от прямолинейности практически достигнута, и дальнейшее повышение точности ограничивается свойствами, присущими оптическому измерительному каналу. Это ограничение принципиальное и связано с неоднородностью распределения показателя оптического преломления воздушной среды по трассе измерения. Показатель оптического преломления зависит от распределения температуры, влажности, давления, газового состава среды, в которой распространяется оптическое излучение, несущее измерительную информацию.
Дальнейшее повышение точности измерений в известных методах связано с необходимостью стабилизации параметров окружающей среды по трассе измерения, что весьма затратно, а во многих случаях практически невозможно.
Кроме того, предъявляются жесткие требования к параметрам излучаемого светового пучка. Энергетическое распределение по сечению пучка должно быть постоянно на всей трассе измерения, а диаграмма направленности светового потока и его расходимость должны сохраняться неизменными.
Для любого источника света, как теплового, так и лазерного, эти условия практически не осуществимы. При этом флуктуации энергетических распределений и направленности светового пучка эквивалентны эталонной линии.
Факторы, влияющие на отклонения эталонной линии оптического пучка от прямолинейности являются источниками погрешности, целиком входящие в погрешность измерения отклонения от прямолинейности.
Таким образом, повышение точности измерения отклонения от прямолинейности связано с поиском такого принципа измерения, при котором влияние этих факторов существенно снижается или исключается.
Поэтому актуальной задачей является поиск такого принципа построения оптического средства измерения, при котором перечисленные выше факторы оказывают существенно меньшее влияние на погрешность измерения и, тем самым, открывается путь к достижению погрешности измерения на уровне десятых-сотых долей мкм/м.
Цель работы заключается в повышении точности измерений отклонений от прямолинейности по сравнению с традиционными интерферометрическими методами на основе использования принципов поляризационной лазерной интерферометрии с дифракционной решёткой, базирующихся на физическом явлении дифракции когерентного лазерного излучения на фазовой дифракционной решётке, являющейся подвижным индикатором отклонения профиля поверхности или оси от прямолинейности, поляризационном выделении дифракционных порядков соответствующих номеров с одновременным преобразованием их поляризации в ортогональные, коллинеарной интерференции этих дифракционных порядков и последующим гомодинным или гетеродинным детектированием поля интерференции с
амплитудным или фазовым цифровым электронным преобразованием измерительной информации.
Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:
Исследование фазовой позиционной чувствительности дифракционных решёток.
Построение математической модели оптических преобразований и исследование схем поляризационной интерферометрии с целью обеспечения коллинеарной интерференции дифракционных порядков с ортогональными поляризациями.
Рассмотрение факторов, влияющих на точность и разрешающую способность ИИС.
Рассмотрение факторов, ограничивающих длину трассы измерения и диапазон измерений ИИС.
Исследование перспектив развития предложенного метода с целью измерения других параметров геометрических отклонений многокоординатного оборудования (станков, координатно-измерительных машин, роботов и т.п.).
Методологической базой исследований послужили работы В. П. Линника, Б. М. Левина, М. А. Палея, В. В. Леонова, Т. Pfeifer (ФРГ) и др. в области геометрических измерений; работы Ю. В. Коломийцова, В. И. Телешевского, R. R. Baldwin (США), D. R. McMurtry (Великобритания) и др. в области интерференционных измерений отклонений от прямолинейности.
Методы исследования. В работе использованы принципы апланометрии для оценки геометрических отклонений, дифракционной оптики на основе аппарата фурье-оптики, акустооптики, поляризационной оптики с применением матричного аппарата Джонса, Мюллера и Стокса, интерференции света, оптического детектирования и гетеродинирования, теории погрешностей измерений. Математическое моделирование выполнено в средах Maple и MathCAD в сочетании с экспериментальными исследованиями макетных образцов.
Научная новизна работы заключается в:
определении свойств фазовой позиционной чувствительности дифракционной решётки как индикатора отклонения от прямолинейности;
создании архитектуры поляризационного преобразования порядков дифракции на решётке с целью получения коллинеарного поля их интерференции в процессе распространения света с одновременным обеспечением ортогональности их поляризаций;
определении способа детектирования поля коллинеарной интерференции ортогонально поляризованных дифракционных порядков на основе гомодинного и гетеродинного акустооптического метода;
установлении закономерностей влияния девиации геометрических параметров дифракционной решётки, явления рефракции света по трассе измерения, отклонения характеристик поляризационных элементов и флуктуации геометрических параметров лазерного излучения на точность и диапазон измерения отклонений от прямолинейности.
Практическая значимость работы заключается в:
создании практических схем оптического канала ИИС с подвижной дифракционной решёткой, используемой как индикатор отклонения от прямолинейности, и двулучепреломляющими поляризационными элементами, обеспечивающими коллинеарную интерференцию выделенных дифракционных порядков с ортогональными поляризациями;
снижении влияния неизбежных в оптических методах погрешностей, связанных с неоднородностью оптических свойств среды в процессе распространения света и флуктуации параметров источника лазерного излучения, что обеспечивает потенциально более высокую точность измерения по сравнению с известными оптическими методами;
создании практических схем детектирования поля коллинеарной интерференции дифракционных порядков на основе гомодинного и гетеродинного акустооптического детектирования;
создании методики моделирования и экспериментального
исследования разработанной лазерной ИИС для контроля отклонений от прямолинейности на принципах поляризационной интерферометрии с подвижной дифракционной решёткой;
определении геометрических и оптических параметров фазовой дифракционной решётки для достижения наибольшей чувствительности и точности измерений;
определении путей дальнейшего развития разработанной ИИС применительно к задачам измерения отклонений от параллельности, перпендикулярности осей, отклонения от плоскостности, углов поворота и комплексного отклонения от прямолинейности движения.
Реализация работы
Материалы работы использованы при выполнении государственного контракта с Минпромторгом России № 7410.1003702.06.006 от 19.09.2007 г. «Разработка технологий производства отечественных импортозамещающих лазерных интерференционных измерительных устройств как базовой системы для контроля точности в составе прецизионных станков, координатно-измерительных машин и измерительных приборов».
Теоретические исследования, проведённые в данной работе, используются в учебном процессе по направлениям 200100 «Приборостроение» и 221700 «Стандартизация и метрология».
Апробация работы и публикации.
Основные положения работы докладывались на конференциях:
«Машиностроение — традиции и инновации», ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», ноябрь-декабрь 2010 г.
«Состояние и проблемы измерений», МГТУ им. Н. Э. Баумана, 26-28 апреля, 2011 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в трех статьях в изданиях, включённых в перечень ВАК.
Для разработанной ИИС получено два патента на полезную модель.
Положения, выносимые на защиту:
Принципы построения, структура и архитектура информационной измерительной системы для измерения отклонения от прямолинейности на основе поляризационной интерферометрии с дифракционной решёткой;
Параметры дифракционной решётки, выбранные с точки зрения максимальной энергетической эффективности;
Математическая модель системы для измерения отклонений от прямолинейности;
Результаты реализации измерительной информационной системы в гомодинном и гетеродинном исполнении;
Результаты метрологического анализа влияния различных факторов на результат измерения и возможность измерения;
Метод уменьшения влияния рефракции света на результат измерений;
Пути дальнейшего развития измерительной системы с возможностью расширения номенклатуры измеряемых геометрических величин с сохранением основных принципов построения системы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы из 75 наименований и приложения. Общий объём работы 164 страницы.
