XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время в области измерений геометрических параметров широко распространены стационарные координатные измерительные машины (КИМ) различных габаритных размеров и точностных характеристик. Все КИМ, используемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны проходить процедуру поверки или калибровки для подтверждения своих метрологических характеристик.

На данный момент поверка КИМ в нашей стране осуществляется по действующим документам, гармонизированным с международным стандартом ISO 10360-2, согласно которым основным средством поверки является материальная мера (концевая плоскопараллельная мера длины (КМД)) длиной не менее % от измерительного объема КИМ.

Как известно, КМД производятся размером до 1 метра, поэтому при поверке крупногабаритных КИМ (с диапазоном измерений более метра), а таких не мало, возникают трудности при передаче единицы длины.

Данную проблему можно решить двумя способами - либо использовать сборные меры типа ballbar (рисунок 1), либо использовать лазерные интерферометры.

Рисунок 1 – Мера типа ballbar, установленная на гранитном столе КИМ

Меры типа ballbar представляют из себя закрепленные на определенном расстоянии сферы, для которых нормируется межцентровое расстояние. При использовании мер типа ballbar длиной более 1 метра существуют определенные трудности:

- аттестация длин (особенно для составных мер);

- продолжительное время измерений, на которые негативно сказываются температурные изменения окружающей среды;

- многоступенчатая передача единицы длины от длины волны государственного эталона (в соответствии с определением метра).

Для решения проблемы метрологического обеспечения крупногабаритных КИМ в рамках

совершенствования Государственного первичного специального эталона в области измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы (ГЭТ192) была исследована и включена в его состав интерференционная установка на базе лазерной измерительной системы LaserTRACER-NG.

Данная установка представляет из себя лазерную интерферометрическую систему, состоящую из:

- блока электроники с источником лазерного излучения;

- интерференционный блок с возможностью автоматического поворота в двух плоскостях (рис. 2);

- датчиков температуры, давления и влажности окружающей среды;

- сферического отражателя типа «кошачий глаз». Принцип работы заключается в измерении перемещения отражателя в направлении луча лазера. С помощью системы слежения лазерный интерферометр автоматически следит за отражателем, закрепленным в держателе на голове машины. В то время как отражатель перемещается по направлению луча и имитирует концевую меру длины, а интерферометр автоматически записывает измеряемую длину.

Рисунок 2 – Лазерный интерферометр в составе интерференционной системы

В процессе поверки необходимо измерить перемещение вдоль трех осей КИМ (X, Y, Z) и четырех основных объемных диагоналей в соответствии с международным стандартом ISO 10360-2, при этом воспроизводимые перемещения должны быть не менее % от максимального диапазона КИМ.

При поверке или калибровке интерференционный блок лазерной измерительной системы устанавливается на угол гранитного стола КИМ. В место щупа закрепляется сферический отражатель и проводится сопряжение между КИМ и лазерной системой (рисунок 3).

Рисунок 3 – Лазерная интерференционная система, установленная на гранитном столе КИМ

Используя программное обеспечение (ПО) лазерной системы, определяется его положение в пространстве измеряемого объема КИМ (рисунок 4), после чего ПО предложит возможные для измерения перемещения.

Рисунок 4 – Пример положения интерференционной системы в объеме КИМ

Отдельно проводится проверка погрешности щуповой головки с использованием сферы. Результаты данной процедуры заносятся в протокол ПО и используются для расчета конечной погрешности.

Благодаря выше описанным функциям и возможностям измерительной интерференционной системы мы получаем ряд преимуществ перед классическими методами:

- повышение точности передачи единицы длины;

- полуавтоматическое выполнение;

- при установке интерферометра отсутствует необходимость выставления оптической схемы;

- может использоваться для координатно-измерительных машин с диапазоном измерений до 30 метров;

- быстрое выполнение передачи единицы длины

- за счет сокращения времени измерений уменьшается влияние на конечный результат таких важных внешних факторов, как температура, влажность и давление окружающей среды;

- исключается погрешность определения точности мер, как промежуточный этап при передаче единицы длины метра от лазера к мерам.

Но также существует и ряд недостатков:

- лазерная измерительная система в сборе является более габаритной, чем набор КМД, что затрудняет её перевоз до места проведения поверки или калибровки;

- лазерная измерительная система такого типа стоит значительно дороже набора КМД.

Также в ходе исследований лазерной интерференционной системы LaserTRACER-NG была разработана методика по выявлению и компенсации систематической погрешности координатно-измерительных машин. Для увеличения точности измерений КИМ исключение систематической погрешности необходимо проводить не только на этапе изготовлении, но и при их эксплуатации. Данная процедура похожа на ту, что проходит при поверке КИМ, только отражатель перемещается по периметру каждой из трех плоскостей в автоматическом режиме, перемещение отражателя отслеживается лазерной системой и высчитываются координаты положения. Программное обеспечение составляет карту систематических погрешностей и вносит в действующую систему координат КИМ поправки, согласно полученным данным.

Один из основных параметров при проведении настройки КИМ является шаг с которым сделана компенсация. В основном, при производстве КИМ осуществляется компенсация с шагом около 50 мм, что является недостаточным для точных координатно-измерительных машин. С помощью интерференционной установки предлагается вносить компенсацию погрешности с шагом 10 мм без увеличения временных затрат.

Выше описанные методы по передаче единицы длины и исключению систематической погрешности с помощью высокоточной интерференционной измерительной системы были успешно опробованы на координатной измерительной машине немецкой фирмы Zeiss с измерительным объемом 2×3×2,5 м (рисунок 5).

Рисунок 5 – Опробование новой методики поверки на крупногабаритной КИМ

При комплексной поверке оцениваются все компоненты погрешностей КИМ, которые влияют на точность измерения геометрических параметров применяемых образцов. Комплексная поверка более оперативна, оценивает погрешности как сбора информации, так и ее обработки и представления.

Однако она имеет ограниченный характер, так как выявляет только погрешности, присущие измерению тех геометрических параметров, которые содержат образцы, используемые для поверки КИМ. Ограниченность данного метода заключается в сложности изготовления образцов, с помощью которых можно было бы поверить КИМ в полном объеме ее метрологических возможностей, а также в аттестации образцов. Как правило, в качестве образцов для комплексной поверки КИМ используются высокоточные детали простой формы, погрешности которых достоверно могут быть аттестованы с помощью образцовых универсальных специальных измерительных средств.

Поэлементная поверка необходима для оценки отдельных элементарных погрешностей, связанных с конструкцией КИМ. Погрешности, обусловленные обработкой и представлением результатов измерения, при поэлементной поверке не выявляются.

Поэлементная поверка КИМ поверяет следующие нормы точности: погрешность измерения линейных координатных перемещений; отклонение от прямолинейности координатных перемещений; отклонение от взаимной перпендикулярности координатных перемещений; угловые колебания подвижных узлов координатных перемещений; погрешности измерительной головки.

Поверка погрешностей измерения линейных координатных перемещений производится по всем осям с помощью средств измерения линейных перемещений. Наиболее перспективным и широко используемым средством является лазерный интерферометр. Основными его достоинствами являются высокая точность, удобство измерения в любых направлениях, возможность автоматизации процесса поверки и обработки результатов измерения. Для этого лазерный интерферометр используется в комплекте с подключаемой к нему ЭВМ с периферийными устройствами и специальным программным обеспечением.

Поверка угловых колебании узлов координатных перемещений производится по всем трем координатным осям в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных координатным плоскостям. Две плоскости проходят через линию измерения, а третья – перпендикулярна данной линии. Поверка погрешностей ИГ включает оценку трехмерной, двумерной и одномерной погрешности измерения.

Трехмерную погрешность измерения поверяют измерением калибровочной сферы в 50 точках, равномерно расположенных в полусфере, при подведении щупа по нормали к поверхности. Вычисляется средняя сфера, ее центр и расстояние отдельных измеренных точек от центра средней окружности. Трехмерная погрешность определяется разностью расстояния точек от центра средней сферы и радиусом средней сферы.

Двумерная погрешность поверяется измерением 50 точек, равномерно

расположенных по окружности на образцовом кольце. Результат поверки определяется разностью расстояния отдельных точек от центра средней окружности, рассчитанной по измеренным 50 точкам, и радиусом средней окружности. Погрешности формы сферы и кольца не должны превышать 0,2

допустимых трехмерной и двумерной погрешностей ИГ.

При использовании нового метода исключения систематической погрешности координатно-измерительных машин возможно улучшить их точностные характеристики. А при использовании новой лазерной интерференционной системы можно сократить временные затраты на проведение процедур по поверке и калибровке по сравнению с традиционными методами измерений.

В настоящее время ведутся работы по подготовке изменений в действующие стандарты путем ввода нового метода и средства поверки.

Список использованной литературы:

Зубарев Ю. М., Косаревский С. В., Ревин Н. Н. «Автоматизация координатных измерений. Учебное пособие». — СПб.: Изд-во ПИМаш, 2011. — 160 c. 

Методика поверки МП 203-51-2017

Каменев С.В., Марусич К.В. Основы автоматизированных координатных измерений 4.Сурков И.В., Гузеев В.И., Схиртладзе А.Г. Автоматизированные методы и средства измерений, испытаний и контроля в машиностроении