Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния вопроса обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 14
1.1 Значимость измерений линейно-угловых величин 14
1.2 Состояние вопроса координатной метрологии 17
1.3 Области задач, для решения которых используются координатные измерения 19
1.4 Классификация типов задач, решаемых при координатных измерениях по их конечному результату 20
1.5 Оценка точности различных задач координатных измерений 21
1.6 Анализ существующих способов нормирования погрешностей координатных измерений 22
1.7 Выводы 23
Глава 2 Концепция обеспечения единства координатных измерений геометричес-ких параметров обработанных поверхностей 27
2.1 Основные характеристики координатных измерений и их определение.. 27
2.2 Метрологическое обоснование единства координатных измерений координат и геометрических параметров на универсальных КИМ 30
2.3 Метрологическое обоснование координатных измерений геометрических
параметров формы и шероховатости на специализированных координатных средствах
измерений 35
2.4 Метрологическое обеспечение математических моделей и алгоритмов координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 39
2.5 Выводы и основные положения концепции обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров 41
Глава 3 Разработка теоретических основ координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей на КИМ 44
3.1 Обобщенная математическая модель процедуры координатных измерений на КИМ и анализ ее компонентов 45
3.1.1 Блок-схема процедуры координатных измерений 45
3.1.2 Анализ источников и составляющих погрешностей координатных измерений 48
3.2 Разработка и исследование математических моделей элементов щуповой системы 60
3.2.1 Классификация щуповьгх систем КИМ 60
3.3 Разработка математической модели механической реализации системы координат КИМ 75
3.4 Погрешности измерения на КИМ координат и геометрических параметров наиболее распространенных геометрических элементов, используемых в деталях машин и приборов : 86
3.5 Вывод аналитических зависимостей для оценки геометрических параметров средней номинально плоской поверхности и погрешностей их определения 89
3.6 Вывод аналитических зависимостей погрешностей- измерений геометрических параметров цилиндрических поверхностей от погрешности системы координат КИМ 92
3.7 Расчет погрешностей измерений отклонений формы профиля эвольвентной поверхности 96
3.8 Исследование влияния температурной погрешности на результаты измерений на КИМ 98
3.9 Методы и алгоритмы компенсации систематических составляющих погрешностей, а также оценки случайной и неисключенной систематической составляющих погрешностей измерений параметров на КИМ 100
3.10 Основные результаты и выводы 105
Глава 4 Исследование и разработка теоретических основ координатных, измерений геометрических параметров обработанных поверхностей на специализированных координатных средствах измерений 107
4.1 Научно-методические основы координатных интерференционных измерений параметров формы прецизионных оптических поверхностей и оценки их погрешностей 107
4.1.1 Анализ взаимодействия волновых фронтов, формируемых оптическими поверхностями при интерференции различного типа 109
4.1.2 Исследование погрешностей методов интерференционного измерения формы поверхности ...: 129
4.1.3 Выводы и основные результаты к разделу 4.1 144
4.2 Разработка теоретических основ координатных методов количественной оценки микрогеометрии поверхности и ее параметров 146
4.2.1 Сравнение топографической и профильной оценок параметров шероховатости поверхности 147
4.2.2 Разработка обобщенной методики топографических дискретных измерений параметров шероховатости поверхности 156
4.2.2.1 Разработка координатных дискретных методов выделения (фильтрации) шероховатости из общей совокупности неровностей поверхности 161
4.2.2.2 Разработка методик топографических дискретных методов измерения параметров нерегулярной шероховатости 171
4.2.2.3 Разработка и исследование дискретных методов получения априорной информации о поверхности 192
4.2.3 Выводы к разделу 4.2 200
Глава 5 Исследование и разработка методов и средств метрологического обеспечения координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 202
5.1 Исследование и разработка методов и средств испытаний и поверки координатных средств измерений, работающих в декартовой системе координат 204
5.1.1 Разработка шариковой пространственной меры (ШПМ) 209
5.1.2 Разработка устройства с концевыми мерами длины (УКМД) 212
5.1.3 Разработка плиты с цилиндрическими отверстиями для калибровки КИМ.. 214
5.1.4 Разработка методов калибровки рабочего пространства КИМ и оценки ее погрешностей 216
5.2 Метрологические обоснование применения мер для поверки координатных средств измерений і 220
5.2.1 Расчет погрешности измерений параметров EFE меры отклонений от плоскостности 224
5.2.2 Разработка параметрических мер для поэлементной и комплексной поверки координатных средств измерений в режиме измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 229
5.3. Разработка алгоритмов тестирования программного обеспечения автоматизированных КСИ геометрических параметров обработанных поверхностей 231
5.4 Основные результаты и выводы 245
Глава 6 Разработка эталонов в области координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 247
6.1. Обеспечение единства измерений в области эвольвентометрии 248
6.2. Разработка методологии исходных по точности интерференционных измерений отклонений формы прецизионных оптических поверхностей 265
6.2.1. Разработка метрологического обеспечения фотоэлектрических методов измерений отклонения формы прецизионных оптических поверхностей
6.2.2. Применение интерферометров Физо со ртутным зеркалом в качестве УВТ для измерения отклонений от плоскостности оптических поверхностей
6.3 Разработка автоматизированной системы измерений
микротопографических параметров и анализ ее метрологических характеристик
6.4 Выводы
Глава 7 Исследование и разработка нормативно-методической базы обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей
7.1 Разработка нормативных основ проведения испытаний и поверки КИМ
7.1.1 Аттестация погрешности измерительной системы КИМ с помощью лазерного интерферометра
7.1.2 Погрешность измерений вращения при перемещении вдоль оси КИМ в плоскости, перпендикулярной оси перемещения, с помощью поверочной линейки и
измерительной головки
7.1.3 Погрешность измерений вращения при перемещении вдоль оси КИМ в плоскости, перпендикулярной этой оси, с помощью электронного уровня
7.1.4 Определение погрешности измерений непрямолинейности перемещения вдоль осей КИМ с помощью ЛИС
7.2 Разработка методики поверки КСИ параметров зубчатых колес
7.3 Разработка проекта межгосударственного стандарта на методику поверки рабочих эталонов для измерения угла наклона линии зуба
7.4 Разработка проекта межгосударственного стандарта на Государственную поверочную схему для передачи размера единиц длины эвольвенты и угла наклона линии зуба
7.5 Разработка поверочной схемы для средств интерференционных измерений
отклонения от плоскостности
7.6 Разработка нормативных основ испытаний и поверки интерференционных
средств измерений отклонения от плоскостности и сферичности
7.7 Исследование состояния нормативных основ обеспечения единства
трехкоординатных измерений параметров шероховатости и субмикрошероховатости
поверхности
7.8 Основные результаты и выводы
Глава 8 Апробация и реализация разработанных методов и средств обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей 354
8.1 Исследование метрологических характеристик КИМ 354
8.2 Проведение международных ключевых сличений CCL-6 по результатам измерений на КИМ 355
8.3 Оценка неопределенности измерений длины на координатно- измерительной машине UPMC-850 при проведении международных ключевых сличений CCL-6 под руководством международного бюро мер и весов (МБМВ) 357
8.4 Круговые сличения с эталонами Германии и Украины 362
8.5 Экспериментальные исследования методов и средств метрологического обслуживания координатных средств измерений 369
8.5.1 Проведение испытаний макета шариковой пространственной меры для оперативного контроля стабильности метрологического состояния координатных средств измерений 369
8.5.2 Проведение испытаний УКМД для определения пространственной погрешности КИМ 372
8.6 Исследование мер плоскостности для поверки и калибровки интерферометров Физо 373
8.7 Исследование калибровочных возможностей наноструктур для обеспечения единства измерений геометрических параметров поверхностей нанометрового диапазона 374
8.8 Измерения геометрических поверхностей сложной формы на базе разработанной методологии координатных измерений для нужд промышленности 378
8.8.1 Методология измерений формы поверхности макетов космических летательных аппаратов типа «Буран» и макета поверхности 2" ступени ракетоносителя 378
8.8.2 Исследование асферической поверхности шестиметрового зеркала астрономического телескопа БТА 382
8.9. Основные результаты и выводы 385
Заключение 386
Список использованных источников
- Состояние вопроса координатной метрологии
- Метрологическое обоснование единства координатных измерений координат и геометрических параметров на универсальных КИМ
- Разработка и исследование математических моделей элементов щуповой системы
- Исследование погрешностей методов интерференционного измерения формы поверхности
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время координатно-измерительные машины (КИМ) являются наиболее перспективными средствами измерений (СИ) размеров, формы и расположения поверхностей. Известно, что в современном производстве экономически развитых стран свыше 80% операций размерного контроля осуществляются на прецизионных КИМ. Многие из операций контроля современных изделий сложной формы в наукоемких производствах и высоких технологиях в силу наличия жестких требований к точности измерений и оперативности их проведения могут осуществляться только на прецизионных КИМ. Так, производство авиационных двигателей пятого поколения возможно только при контроле их геометрических параметров с помощью прецизионной КИМ с погрешностью менее микрометра. В автомобильной промышленности невозможен выпуск конкурентоспособных автомобилей без контроля определенных узлов с помощью КИМ.. В ракетно-космическом комплексе прецизионные узлы ракетоносителей контролируются только с применением КИМ. Турбинные лопатки, зубчатые колеса, сложные корпусные детали, крупногабаритные асферические поверхности астрономической оптики, контроль геометрических параметров наиболее ответственных изделий нанометровых размеров, контроль суперпрецизионного пространственного позиционирования в наноэлектронике может осуществляться только на КИМ микронной, субмикронной и нанометровой точности. Таким образом, сферой применения КИМ являются прецизионные сложные двух- и трехмерные изделия, для определения геометрии которых, как правило, необходимо измерить набор координат, вписать в них номинальную форму изделия и определить отклонения реальной формы от номинальной на заданной системе точек.
В этой области известны труды отечественных и зарубежных метрологов и приборостроителей, внесших большой вклад в теорию и практику применения координатных измерений таких, как В. С. Лукьянов, Г. Я. Гафанович, А. И. Асташенков, А. Ю. Каспарайтис, М. А. Палей, Н. Н. Марков, В. С. Чихалов, В. А. Чудов, В. И. Телешевский, Л. 3. Дич, Д. Т. Пуряев, И. И. Духопел, М. А. Кириллов, В. В. Леонов, Т. Charlton., W. Lotze, F. Waldele, D. Whitehouse, H. Neumann, H. Weber, E. Trapet и другие.
Развитие и применение координатных методов и средств измерений требует наличия их метрологического обеспечения, отвечающего современному уровню. Однако, до недавних пор отсутствовала систематизированная научно-обоснованная методология координатных методов и СИ, не была развита эталонная база в области координатных измерений, отсутствовала методическая база в области испытаний и поверки КИМ, действующая нормативная база в области технических требований и метрологической аттестации не соответствовала современному
уровню развития координатных методов и СИ. Отсутствовала даже единая официальная терминология в этом виде измерений. Все вышеизложенное о состоянии и потребностях в координатных измерениях, их месте в наукоемких и высокотехнологичных производствах, о недостатках системных научных, технических и нормативно-методических основ координатных методов и СИ показывает актуальность проблемы разработки современной системы обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей.
Цель диссертационной работы - создание научной, технической и нормативно-методической базы системы обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров размеров, формы и шероховатости поверхностей.
Методы и средства исследований
Работа выполнена на основе теоретических и экспериментальных исследований. Исследование систематических составляющих погрешностей проводилось методами численного эксперимента при использовании программного обеспечения КИМ, а также методами математического моделирования с привлечением аппарата аналитической и дифференциальной геометрии. Анализ же случайных составляющих погрешностей и корреляционных связей между отдельными факторами, определяющими случайную погрешность, проводился методами математической статистики, теории вероятностей и теории случайных процессов и полей. При составлении программного обеспечения разработанных СИ и программ для их исследования применялись методы программирования. Экспериментальные исследования проводились, на макетах и действующих координатных средствах измерений (КСИ).
Вклад автора в разработку проблемы
Диссертация является обобщением результатов более чем 25-летней научной работы автора в данной области. В начале 80-х годов автором лично впервые были сформулированы принципы координатных дискретных методов измерений геометрических параметров шероховатости и формы трехмерных объектов. В середине 80-х годов автор принимал участие в теоретических и экспериментальных работах по метрологическому обеспечению изготовления асферической поверхности крупнейшего в мире шестиметрового зеркала астрономического телескопа, где автором было разработано и внедрено алгоритмическое и программное обеспечение обработки координатных интерференционных измерений и оценки погрешностей формы поверхности зеркала. Впоследствии автор вел научные исследования в рамках НИР, а также в рамках международного технического комитета ИСО/ТК 213 «Нормирование требований к
геометрическим параметрам качества продукции и поверке средств их измерении» в его Рабочей группе РГЮ «Координатно-измерительные машины».
В результате проведенных научно-исследовательских работ автором лично разработана концепция обеспечения единства координатных измерений, на основе которой решена научная проблема теоретического обоснования внедрения прецизионных координатных методов измерения в высшие звенья поверочной схемы для передачи размера единицы длины при измерении геометрических параметров (ГП) размеров формы и шероховатости поверхностей. Лично автором разработаны основы теории координатных измерений и теории их погрешностей. В соавторстве с ХГНИИМ разработан комплекс нормативных документов, являющихся составной частью Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) в областях применения координатных методов. В соавторстве с коллегами ВНИИМС разработана инструментальная часть прецизионных координатных систем, решены технические проблемы адаптации алгоритмов и программного обеспечения применительно к конкретным модификациям КИМ нового поколения и средствам их поверки, а также решен ряд технических и нормативно методических задач, изложенных в публикациях по теме диссертации.
Научная новизна
В процессе выполнения диссертационной работы сформулированы основные положения концепции обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров размера, формы и шероховатости обработанных поверхностей:
- Разработан комплекс математических моделей объектов, методов и средств координатных
измерений и их погрешностей, а также алгоритмы оценки погрешностей и их компенсации. На
основе разработанных моделей выявлены взаимосвязи между погрешностями измерения
координат и погрешностями оценки конкретных геометрических параметров размера, формы и
шероховатости обработанных поверхностей.
- Разработаны принципы воспроизведения и передачи размеров единицы длины для
координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей сложной
формы. Научно обоснован, разработан и внедрен комплекс эталонов в области координатных
измерений, включая Государственный специальный эталон единицы длины в области измерений
геометрических параметров эвольвентных поверхностей и угла наклона линии зуба и Установку
высшей точности (УВТ) в области интерференционных измерений отклонения от плоскостности
прецизионных оптических поверхностей, а также комплекс методов и средств передачи размера
единицы длины и угла для координатных измерений (КИ).
- Разработан и внедрен комплекс Государственных поверочных схем для передачи
размеров единиц длины и угла координатным СИ.
Разработаны принципы аттестации алгоритмов и программ координатных измерений ГП размеров формы и шероховатости поверхностей.
Разработаны и внедрены методы и средства испытаний и поверки КСИ.
Разработаны принципы повышения точности КСИ на основе программной и аппаратной модернизации и компенсации погрешностей.
Разработана и внедрена научно обоснованная нормативно-методическая база метрологического обеспечения и сертификации КСИ нового поколения.
Таким образом, решена комплексная задача разработки системы метрологического обеспечения передачи размеров единиц длины и угла для совокупности различных типов КСИ и принципов их действия.
В качестве научных результатов впервые полученных, на основе разработанной концепции, могут быть выделены следующие:
Разработаны вероятностные математические модели КСИ, объектов и процедуры координатных измерений, позволяющие производить теоретические исследования зависимости погрешностей КСИ от влияющих на них факторов и осуществить оценку погрешности координатных измерений;
дано математическое обоснование необходимости и достаточности элементов и объемов процедуры испытаний и поверки КСИ как с помощью традиционных методов, так и с помощью вновь разработанных в диссертации методов и средств;
дана научно обоснованная оценка эффективности процедуры сканирования и ее преимущества перед дискретным способом измерения; получены и исследованы аналитические зависимости погрешностей измерения координат и ГП размеров, формы и шероховатости поверхности от влияющих на них факторов; сформулированы принципы выбора режимов дискретных координатных измерений геометрических параметров поверхностей, обеспечивающих их требуемую точность;
разработаны, исследованы и внедрены принципы построения эталонной базы в области измерения ГП зубчатых колес, отклонения от плоскостности и сферичности прецизионных оптических поверхностей диаметром до 200 мм и других видов измерений, основу которых составляют координатные методы;
разработаны принципы измерения с использованием КСИ с заданной точностью на основе аналитических зависимостей и соответствующих теоретических положений;
разработана, методология полного описания пространственной нерегулярной шероховатости поверхности через комплекс трехмерных параметров, полученных прямым и косвенным дискретными методами, характеризующих высоту, шаг и форму выступов и другие ее характеристики; разработаны принципы, методики и алгоритмы суммарной и раздельной оценки
двух- и трехмерных параметров неровностей композиционных поверхностей; разработаны методы и алгоритмы пространственной фильтрации с заданной точностью неровностей композиционных поверхностей.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты разработок и исследований:
Разработанные в диссертации научные, технические и нормативно-методические основы координатных измерений позволяют создать комплексную систему обеспечения единства измерений геометрических параметров обработанных поверхностей.
Разработанная теория координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей, основанная на вероятностном подходе, обеспечивает увеличение точности координатных измерений не менеее в два раза.
Предложенные математические модели объектов измерений обеспечивают выбор режимов измерений, с требуемой точностью результатов.
Комплекс разработанных и усовершенствованных эталонов в области измерений геометрических параметров поверхностей осуществляет воспроизведение и передачу размера единицы длины и угла координатным средствам измерений на уровне точности, соответствующем мировому.
Усовершенствованная нормативно-методическая база метрологического обеспечения координатных средств измерений, включая поверочные схемы, методики поверки и испытаний, методики выполнения измерений и методики аттестации алгоритмов и программного обеспечения, решает практические задачи обеспечения единства координатных измерений.
Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность разработанных моделей и корректность основных аналитических зависимостей и алгоритмов.
Практическая значимость
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования в целом позволили создать систему обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей в стране. Созданный и внедренный в рамках диссертационной работы Государственный специальный эталон единицы длины в области измерений геометрических параметров эвольвентных поверхностей и угла наклона линии зуба осуществляет воспроизведение и передачу размеров единиц длины и угла в специальных условиях для нужд отечественной промышленности. Разработанные в диссертации специализированные методы и средства поверки осуществляют на новом уровне точности передачу размеров единицы длины и угла для КСИ ГП зубчатых колес, поверхностей сложной формы и других КСИ ГП обработанных поверхностей.
Полученные на основе научных исследовании математические модели координатных методов и средств измерений, а также принципы анализа составляющих погрешностей координатных измерений позволяют осуществить выбор по точности КСИ, разрабатывать методики их поверки и методики выполнения измерений (МВИ), а также осуществлять оценку точности результатов измерений. Разработанные в диссертации и внедренные в практику принципы компенсации погрешностей позволяют повысить точность КСИ до требуемого мирового уровня. Разработанная нормативная документация по метрологическому обеспечению координатных измерений, гармонизированная с международной, позволяет осуществить прослеживаемость результатов измерений (traceability) и в целом - обеспечение единства координатных измерений геометрических параметров поверхностей.
Основные положения и результаты работы по созданию современной системы метрологического обеспечения координатных методов и средств измерений геометрических параметров шероховатости, размеров и формы поверхностей внедрены в ведущих метрологических организациях России, на крупных промышленных предприятиях страны. В частности, результаты работы внедрены на предприятиях, использующих координатные методы и средства - на Калужском турбинном заводе, АО «Рыбинские моторы», АО «Пермские моторы», Московском авиационном объединении «Салют», Санкт-Петербургском АО «Красный Октябрь», на предприятиях-производителях КСИ - Саратовском АО «Лапик», АО «ЛОМО» в Санкт-Петербурге, ПО «Севмашпредприятие», АО «Авиастар», НПО «Оптика», Лыткаринском заводе оптического стекла (ЛЗОС), а также при проведении испытаний для целей утверждения типа КСИ на ведущих иностранных фирмах «C.Zeiss», «Brown&Sharp», «TESA», «CoorcB», «DEA», «Marh», «Leitz», «LK» и других.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на 23 международных конференциях и симпозиумах, а также на 20 всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах, в т. ч.:
- на 7 Всероссийских конференциях: "Состояние и проблемы технических измерений" в МГТУ им. Баумана в 1995 -2000 и 2004 гг., на всероссийских конференциях «Оптические методы в метрологии» в Москве, ВНИИОФИ в 1996 и 1998 гг., на Всероссийской школе метрологов во ВНИИМС в 1996 г., на международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» в Международной академии информатизации в Москве в 2000 г., на 10-м и 11-м международных научных симпозиумах «Metrology and metrology assurance» в Созополе, Болгария
в 2000 и 2001 гг., на международном семинаре: "International Progress in Precision Engineering" во Франции в 1995 г., на 6 международной конференции: "For the centenary of the beginning of application of electromagnetic waves" в Москве в 1995 г., на международной конференции "Advanced Mathematical Tools in Metrology III" в Германии в 1996 г, на 4-ой международной конференции "Ultraprecision in Manufacturing Engineering" в PTB, Брауншвейг, Германия, 1997 г., на 4-ой международной конференции «International Conference on Production Engineering» в Японии, Токио, 1980 г., на международном симпозиуме «International Symposium on Metrology for Quality Control in Production» в Японии, Токио, 1984 г., на международном научном семинаре "Качество поверхности" в Брянске в 1995 г., на международной конференции «Metrology and measuring technique» в г. Харькове, ХГНИИМ в 2004 г., на 10-м и 11-м интернациональных коллоквиумах по поверхности в Хемнице, Германия в 2000 и 2004 гг., на 6-м Всероссийском семинаре «Инженерно- физические проблемы новой техники» 16-18 мая 2001 г., МГТУ им Н. Э. Баумана, на 8-й международной конференции «Metrology & Properties of Engineering Surfaces», University of Huddersfield, Англия, 26-28 April 2000, на 7-й международной конференции «Metrology and Properties of Engineering Surfaces» Chalmers University of Technology, Geteborg, Sweden, 2-4 th April 1997 и других.
Объем и структура диссертации.
Работа состоит из Введения, 8 глав и Заключения, изложенных на 340 страницах машинописного текста, содержит 98 рисунков, библиографию из 280 наименований и приложения.
Публикации.
По результатам исследований и разработок опубликовано 96 печатных работ и зарегистрировано 8 отчетов по НИР.
Состояние вопроса координатной метрологии
С целью решения проблемы количественной оценки геометрических параметров поверхностей с требуемой точностью тридцать лет назад появился принципиально новый класс координатных СИ, решающих такие задачи в области ЛУИ, которые были не под силу традиционным СИ линейно-угловых величин - измерения в реальном масштабе времени ГП размеров, формы, расположения и пространственной шероховатости поверхностей деталей сложной формы, произвольно ориентированных в пространстве и имеющих произвольно ориентированные в пространстве геометрические элементы с заданной (в виде аналитических или алгоритмических выражений) номинальной формой. Такие задачи, как правило, являются проблемными для развития критических технологий, высокотехнологичных и наукоемких отраслей промышленности и прежде всего прецизионного машиностроения, аэрокосмической и автомобильной промышленности, оборонного комплекса, т. е. там, где встречаются прецизионные детали машин и приборов сложной формы, имеющие сложную конфигурацию взаимного расположения отдельных геометрических элементов с заданной номинальной формой.
Для решения сложных метрологических задач пространственных измерений необходимо наличие прецизионного электромеханического и оптико-электронного оборудования, позволяющего с большой скоростью перемещать щуповую головку в любую точку рабочего объема механической системы координат (СК) и производить измерения десятков и сотен тысяч координат точек поверхностей сложной формы в заданной системе координат. При этом и сами измерения, и последующая обработка в реальном масштабе времени измерительной информации смогли быть осуществлены только с появлением быстродействующей компьютерной техники. Все эти технические устройства как раз и появились тридцать лет назад и дали мощный импульс развитию координатно-измерительной техники. В 1973 году на базе координатно-расточного станка швейцарской фирмы SIP была создана первая координатно-измерительная машина (КИМ), оснащенная компьютерным обеспечением.
Вместе с тем, поскольку координатные измерения (КИ) никак не вписывались в существующую теорию и практику одномерных ЛУИ, для количественной оценки точности результатов КИ и для обеспечения единства (ОЕ) КИ в целом с самого начала создания КИМ необходимо было решить огромное количество задач по метрологическому обоснованию координатных измерений, разработке научных, технических и нормативно методических основ ОЕ КИ. В 1978 году для решения метрологических задач в этой области в промышленности с этой целью была создана международная организация СММА (Coordinate Measuring Machine Manufacturer Association). Параллельно в международной организации по стандартизации ISO и в национальных метрологических организациях начали создаваться технические комитеты, решающие проблемы нормирования метрологического обеспечения пространственных измерений, (в ISO - ТС 213, рабочая группа WG10 - «координатно-измерительные машины», представителем в которой от России является ВНИИМС). В России пока ТК, решающего проблемы нормирования пространственных измерений - нет. Головной организацией Госстандарта (Ростехрегулирования) по метрологическому обеспечению КИМ является ВНИИМС.
В современном производстве экономически развитых стран свыше 80% операций размерного контроля сложных деталей осуществляется на КИМ - прецизионных технических устройствах, оснащенных мощным компьютерным обеспечением. Доля стоимости координатно-измерительных операций высокотехнологичных производств изделий сложной формы достигает 50 % от общей стоимости изделий. В Европе эксплуатируются свыше 20 тысяч КИМ. В США - с начала 90-х годов 15 тысяч КИМ с ежегодным приростом до 20 %. В России эксплуатируется свыше тысячи КИМ.
Следует отметить, что проблема пространственной - трехмерной метрологии, существенно сложнее одномерной, не решена до сих пор в полном объеме и на национальном, и международном уровне решается методом проб и ошибок. Принимаются иногда недостаточно научно-проработанные международные нормы, которые впоследствии отменяются. Известны критические отношения к международным нормам СММА [1]. В течение длительного времени регулярно пересматривается международный стандарт ISO 10360-2. Действующий международный стандарт ISO 10360-2 [2] регламентирует процедуру калибровки КИМ, как измерителя координат с помощью блока концевых мер, установленных в заданных направлениях рабочего объема КИМ. В настоящее время точность измерения не просто длины, а ГП поверхностей на КИМ и привязка их к эталонам, российскими и международными стандартами метрологически не обеспечена. На наш взгляд это вызвано отсутствием системного подхода к метрологическому обоснованию координатных измерений, решением частных метрологических проблем, не учитывающих в полном объеме всех факторов, обеспечивающих достоверную оценку точности КИ и ОЕ их измерений в целом.
Хотя сфера применения координатных измерений (КИ) чрезвычайно широка, в наибольшей степени КИ применяются в отраслях промышленности, где есть механообработка сложных высокоточных деталей - в машиностроении, автомобильной, авиационной, оптико-механической промышленности и других, где необходим контроль микро- и макрогеометрии деталей машин и приборов. При этом контролируются размер, форма, расположение и шероховатость деталей машин и приборов. [3]
Эти геометрические характеристики - геометрические параметры (ГП) функционально связаны с характеристиками эксплуатационных свойств деталей машин и приборов -износостойкостью, долговечностью, трением, отражающей способностью поверхностей, уровнем шума механизмов из-за взаимодействия микро и макро- геометрии и обработанных контактирующих поверхностей, герметичностью, маслоемкостью и другими эксплуатационными показателями. Поэтому, координатные измерения геометрических параметров деталей машин и приборов необходимы для прогнозирования и контроля эксплуатационных показателей этих деталей и повышения их качества.
Диссертация основывается на НИР и договорных работах по метрологическому обеспечению координатных измерений в наиболее характерных областях их использования: - при контроле эвольвентных и других типов поверхностей сложной формы [5] при исследовании аэродинамических характеристик макетов летательных аппаратов - макета космического летательного аппарата многоразового использования «Гермес» (Франция): макета корпуса второй ступени космического ракетоносителя (НПО «Энергия») при проведении комплекса НИР и ОКР по изготовлению крупногабаритных оптических сферических, гиперболических, и параболических поверхностей зеркал телескопов, в. т. ч. параболической поверхности б-метрового зеркала телескопа БТА для Зеленчукской обсерватории [6], при разработке и исследовании методов и средств 3-х мерной оценки пространственной шероховатости (В отечественных НИР [5,6] и работах по международной стандартизации в рамках ТК 213 ИСО [4]): при разработке метрологического обеспечения двухкоординатных суперпрецизионных нанопозиционеров: - для разработки технической и методической базы для расшифровки интерферограмм (с целью построения топографии поверхности) на двухкоординатном измерительном приборе ДИП-6 и фотоэлектрических интерферометрах ФЭИ-А и ФЭИ-Ф [15,158,159,160].
Метрологическое обоснование единства координатных измерений координат и геометрических параметров на универсальных КИМ
На практике для координатных измерений применяют КСИ, имеющие1 механическую реализацию ортогональной декартовой СК. Наиболее распространенными универсальными КСИ являются КИМ портального типа. В контактных КИМ измерение координат X, Y, Z осуществляется измерительными системами перемещений вдоль номинально прямолинейных осей OX, OY, 02 при помощи щуповой головки, закрепленной на конце пиноли и перемещающейся от точки к точке вдоль этих осей с помощью приводов портала, каретки и пиноли.
Механическая реализация СК привносит неидеальности в ее элементы. Исследования показали, что для КИМ портального типа геометрические погрешности механической реализации СК в основном определяются неидеальностью изготовления и юстировки элементов конструкции координатных перемещений, а также погрешностями, вносимыми измерительными системами (шкалами) и измерительной головкой. Геометрические погрешности СК приводят к погрешности измерения координат. Более того, отличие реальной СК от ортогональной декартовой приводит к нарушению корректности математических преобразований измеренных координат, справедливых для идеальной СК. Следует отметить, что по этой причине наличие компенсации погрешностей, координатных измерений является по сути необходимым условием математической и метрологической корректности измерительных преобразований координат и характерным техническим требованием к разработчикам прецизионных КСИ. Для компенсации указанных погрешностей и устранения некорректности преобразований необходимо ввести некоторую референтную СК, провести в ней прямым методом калибровку всего рабочего объема, и затем для каждой измеренной координаты точки ввести поправку путем сопоставления с аналогичными результатами измерений координат в механической реализации СК. Такую калибровку можно было бы провести прямыми измерениями, например, с помощью лазертрекера - КСИ, работающего в сферической системе координат - с лазерным интерференционным измерителем радиальных перемещений и двумя лазерными интерференционными датчиками угловых перемещений или, например, с помощью откалиброванного на заданной 2-х или 3-х-мерной системе точек материального объекта (меры) - физической реализации 2-х или 3-х мерной референтной системы координат, а также с помощью любого другого набора технических средств, обеспечивающих калибровку всего рабочего объема, в котором проводятся координатные измерения.
Прямой метод калибровки всего рабочего объема с помощью указанных технических устройств чрезвычайно трудоемок, поскольку требует измерений в реальном масштабе времени по крайней мере нескольких десятков или даже сотен тысяч координат. Поэтому для анализа и компенсации геометрических погрешностей КИМ можно разработать упрощенные, но достаточно точные для практики математические модели механической реализации СК, соответствующие конкретной кинематической модели КСИ. Затем ввести референтную СК и относительно нее измерить геометрические погрешности механической реализации СК. Для КИМ портального типа геометрические погрешности механической реализации СК определяются из условия, что подвижные элементы ее конструкции, перемещаясь вдоль осей координат, как твердые тела имеют в каждой точке перемещения 6 степеней свободы на каждую ось характеризуемые 3-мя линейными (трансляционными) перемещениями и 3-мя угловыми (ротационными) колебаниями. Поскольку идеальная система координат должна быть ортогональной, то при определении геометрических погрешностей механической реализации СК необходимо учитывать отклонение от перпендикулярности механической реализации от идеальной СК. Т.к. координаты точек измеряемого геометрического объекта в конечном итоге приводятся к осям референтной системы координат, то для удобства оценки геометрических погрешностей механической реализации СК КИМ, все ее составляющие погрешностей должны быть определены на осях референтной системы координат.
Для измерения геометрических погрешностей каждой из осей механической реализации СК в отдельности строится своя прямолинейная ось для каждой точки которой определяются и компенсируются эти погрешности. Увязка результатов измерений геометрических погрешностей каждой из осей механической реализации СК с целью их компенсации проводится после отдельных измерений геометрических погрешностей на каждой из осей и измерении отклонений от перпендикулярности осей.
На выходе математической модели механической реализации КИМ виртуально строится референтная СК, в которой производится последующее измерение координат измеряемого объекта и определение его ГП, являющихся функциями или функционалами от координат.
Из сказанного выше, процедура построения СК КИМ с учетом компенсации всех ее геометрических погрешностей 21 - параметрической модели заключается в следующем: Оси координат относительно которых измеряются ротационные и трансляционные погрешности, связанные с неидеальностью механической реализации системы координат КИМ определяются независимо друг от друга, как прямые, проходящие через начальную и конечную точки на каждой из осей КИМ (или как прямые, построенные по МНК, на основе анализа всех измеренных точек). Затем измеряются попарные отклонения от перпендикулярностей осей. Путем линейных преобразований указанные оси приводятся к единому началу отсчета. Ортогональная декартова система координат КИМ, в которой измеряются координаты поверхностей и их ГП определяется путем компенсации ротационных и трансляционных погрешностей, а также неперпендикулярности осей.
Погрешности (АХ;, AYj, AZ,) - измеренных координат точек (X,-, Y;, Z,) измерительной головки (ИГ), определенных по показаниям измерительных систем координатных перемещений (шкалам) при их измерении рабочим щупом с координатами (Хр, Yp, Zp) относительно ИГ вычисляются по аналитическим зависимостям, учитывающим для любой точки рабочего пространства КИМ трансляционные и ротационные составляющие (по 6 - для каждой из осей), отклонение от перпендикулярности осей и случайную составляющую в направлении соответствующей оси.
Разработка и исследование математических моделей элементов щуповой системы
Некоторые датчики контакта представляют собой жесткие калибры. Их используют только в приборах с ручным управлением. Например, для измерения положения оси отверстия на плоскости оператор вставляет в пиноль прибора конус (обычно угол конуса 14), подводит вручную подвижные части машины к измеряемому отверстию и вводит конус в отверстие. В этом случае считается, что ось конуса совместится с осью, отверстия и по отсчетньм устройствам можно отсчитать координаты оси отверстия. Однако поскольку конус своей поверхностью касается только торца отверстия, то при наличии заусенцев на поверхности возможны большие ошибки измерения (рис. 3.3, а). Если необходимо измерить межосевое расстояние между осями двух отверстий, то этот конус последовательно вводится в одно и другое отверстия. При измерении такими датчиками возможны большие субъективные погрешности и, прежде всего, из-за нестабильности измерительного усилия, возможен нагрев деталей прибора от рук оператора. Поэтому использование таких жестких безотсчетных датчиков возможно только при грубых измерениях. Иногда для повышения точности измерения вместо жестких датчиков в ручных КИМ устанавливаются отсчетные головки (рис.3.3, г). Но в этом случае нельзя измерять одновременно по всем координатньм осям. Рассмотренные датчики обладают только одним достоинством — относительно низкой стоимостью.
Электронные датчики касания [141, 143] — это датчики, которые в момент касания наконечника с точкой на измеряемой поверхности выдают электрический сигнал в электронную систему прибора. Этот сигнал используется как для управления работой машины, т. е. остановки ее подвижных частей, так и в виде команды для считывания значений координат по всем используемым осям координат. Электронные датчики бывают двух типов — переключающие и измерительные.
Переключающие электронные датчики контакта представляют собой электромеханические переключатели, которые в момент контакта наконечника с точкой на измеряемой поверхности выдают в ЭВМ прибора электрический сигнал как для управления работой машины, так и для считывания значений координат по всем осям (рис. 3.4). Измерительный наконечник 1 (рис. 3.4, а, б) установлен на подвижной части 2 и с помощью пружины 3 поджимается к неподвижной части 4 датчика. Подвижная и неподвижная части датчика электрически изолированы друг от друга, а электрический контакт между ними осуществляется через три, а иногда шесть (рис. 3.4, в) шариков 5. При контакте наконечника датчика с поверхностью измеряемой детали подвижная часть датчика как бы «опрокидывается» на шарах и обязательно произойдет разрыв электрического контакта на одном или двух шарах, соединенных электрически последовательно (рис. 3.4, г). По электрическому сигналу происходит остановка движения всех подвижных частей КИМ и одновременно считывание значений координат точки, которой коснулся наконечник по всем координатным осям. С помощью таких датчиков контакта можно измерять размеры в пяти направлениях (рис. 3.4, а). Стабильность контакта обычно указывают в пределах 0,5 мкм.
При внешней простоте рассмотренной конструкции таких датчиков требуется их тщательное изготовление. Схема датчика не лишена некоторых недостатков.
Так, для надежного механического контакта на шарах необходимо большое усилие пружины 3, Но нужно заметить, что при длинных стержнях, на которых устанавливают измерительный наконечник, необходимо малое измерительное усилие, чтобы стержни не деформировались. При работе датчика в горизонтальном положении величина усилия меняется в связи с воздействием собственного веса подвижных частей. Кроме того, при трехопорной установке подвижной части не всегда удается обеспечить постоянство плеч при отклонении подвижных частей. Так, из рис. 3.4, б видно, что плечо, на которое действует сила Рг, в 2 раза меньше, чем плечо с действующей силой Pi, а следовательно, величина прогиба стержня будет неодинакова, а также неодинаково передаточное отношение датчика.
Большим достоинством рассмотренных датчиков является возможность измерения в динамических условиях. Подавляющее большинство современных КИМ изготавливают с переключающими датчиками контакта, т. е. для работы в динамическом режиме.
Измеряющие электронные датчики контакта [141, 144] (рис. 3.5, а) представляют собой небольшую КИМ, поскольку имеют в своем составе три индуктивных преобразователя, каждый из которых подвешен на пружинном параллелограмме и может регистрировать смещение наконечника по своим ортогональным координатным осям. При использовании этого датчика возможны два варианта.
При первом варианте работы в момент контакта наконечника с измеряемой поверхностью так же, как и при переключающем датчике, выдается команда на остановку всех подвижных частей КИМ и на считывание значений координат точки поверхности в месте контакта по отсчетным системам КИМ. Одновременно в ЭВМ КИМ подается информация о положении измерительного наконечника в . пространстве по отклонениям всех трех индуктивных преобразователей датчика контакта (рис. 3.5, б). Такой прием называют измерением в динамическом режиме.
Исследование погрешностей методов интерференционного измерения формы поверхности
Анализ погрешностей проведен на основе описанного выше обобщенного метода измерений параметров формы поверхности, согласно которого исследуем; I) аппаратурные погрешности интерференционных: измерительных преобразователей и погрешности измерения их выходных параметров; 2) методические погрешности обратного преобразования, связанные с погрешностями измерения текущих координат порядков интерференции и априорных данных; 3) погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов. Метод интерференции с опорным волновым фронтом. Анализ метода интерференции с опорным волновым фронтом показал, что структуру погрешностей можно представить в следующем виде [164, 162]:
Погрешности изготовления оптических элементов, а также погрешности юстировки элементов интерферометра относительно друг друга и относительно контролируемой поверхности приводят к погрешностям в коррекции волнового фронта и обуславливают аппаратурную погрешность интерферометра, имеющую систематическую и случайную составляющие.
Основными источниками систематической составляющей погрешности являются погрешности измерения радиусов кривизны поверхностей линз, толщины линз, воздушных промежутков, показателя преломления, а также погрешности взаимного расположения элементов (смещение и поворот линз). Кроме того, в составляющую систематической погрешности входят также погрешности формы оптических элементов компенсатора, обусловленные как качеством изготовления, так и возможным их пережатиям в оправах.
Составляющая случайной приборной погрешности, проявляющаяся при повторных измерениях, обусловлена погрешностями юстировки всего интерферометра в целом по отношению к контролируемой поверхности
Выходные параметры интерференционных преобразователей: ширина интерференционных полос и их конфигурация определяются типом интерферометра, его настройкой и состоянием измеряемой формы поверхности.
Для оценки методической погрешности воспользуемся зависимостями, связывающими оценку отклонений формы поверхности для метода интерференции с опорным волновым фронтом, текущие координаты и порядки интерференционных полос. Указанные величины независимы, а погрешность их измерений в большей мере определяется случайной составляющей, которую будем характеризовать оценка суммарной дисперсии величин, определяемых измерением текущих координат где crL - оценка суммарной дисперсии величин, значения которых определяются измерением порядка интерференции.
Рассмотрим указанные погрешности для различных случаев: 1) волновой фронт имеет только наклон, 2) волновой фронт имеет только расфокусировку и 3) волновой фронт имеет наклон и расфокусировку.
Для первого случая порядок интерференции NT (ДЛЯ х = 0) может быть представлен NTi = A2yit а погрешность ДЛ исследуемого волнового фронта A/V,. = Npi A2yj.
Вычисляемый по методу наименьших квадратов коэффициент Аг определится так:
Среди погрешностей, вносимых оптическими элементами интерферометра основным источником погрешности для интерферометра бокового сдвига являются светоделительные элементы, приводящие к деформациям волнового фронта и обуславливающие в основном систематическую составляющую аппаратурной погрешности
Составляющая случайной приборной погрешности, проявляющаяся при повторных измерениях, обусловлена погрешностями юстировки интерферометра по отношению к контролируемой поверхности. Указанная погрешность приводит к дополнительным деформациям волнового фронта типа комы и астигматизма.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что аппаратурная погрешность, обусловленная наличием светоделительных элементов в системе интерферометра, определяется в основном систематической составляющей, величина которой для контролируемых поверхностей с относительным отверстием А = 1:6 не превышает 0,1 интерференционной полосы и которой в большинстве случаев оценки формы поверхности можно пренебречь.
Для оценки "методической погрешности воспользуемся зависимостями, связывающими оценку отклонений формы исследуемого волнового фронта, текущие координаты, порядки интерференционных полос и априорную информацию.
Из физических соображений указанные величины независимы, а, в виду того, что при измерениях требуется определение относительных значений текущих параметров, погрешность измерений последних в большей мере определяется случайной составляющей. Случайную составляющую общей погрешности будем характеризовать дисперсией аго5щ где 7гуі - оценка суммарной дисперсии величин, определяемых измерением текущих координат Э2т - оценка суммарной дисперсии величин, значения которых определяются измерением
