Rychlé a šetrné měření délky koncových měrek

ČMI ve spolupráci s Fakultou strojní Technické univerzity v Liberci (TUL) nyní dokončují testy automatu (obr. 1) na bázi bezkontaktní měřicí metody, který byl vyvinutý v Brně Ústavem přístrojové techniky AV ČR (ÚPT) a firmou MESING. Snahou závěrečných prací je novou metodu optimalizovat a automat přizpůsobit potřebám ČMI.
Záměrem celého projektu je urychlit a zjednodušit v ČMI měření koncových měrek, ale také minimalizovat poškozování měřicích ploch KM.
Základní informace o nové metodě, vlastním automatu a výsledcích testu jsou předmětem tohoto příspěvku.

Základní informace
Automat je koncipován pro měření krátkých (0,3 - 100 mm) koncových měrek (KM). Interferenční měření je v ČMI dosud realizováno pomocí systému TESA NPL A.G.I.300 na bázi laserové interferometrie a ke komparačnímu měření se používá přístroj UPC od téže firmy.
Nová bezkontaktní metoda je na principu nízkokoherentní interferometrie a její unikátnost spočívá ve způsobu optického odměřování délky KM. Při užití kombinace laserové interferometrie a interferometrie nízké koherence se získá absolutní hodnota délky KM jako výsledek jednokrokového bezkontaktního měření. To probíhá bez nutnosti jakékoli další manipulace s KM nebo porovnání výsledku měření s hodnotou referenční.

Princip bezkontaktního systému kalibrace
Nový systém využívá interferometr s bílým světlem, který svým uspořádáním umožňuje bezkontaktní absolutní měření délky KM bez nutnosti používat referenční desky, na kterou jsou KM nasunuty u systému NPL. U bezkontaktního systému je KM měřena opticky z obou stran, přičemž část svazku prochází okolo KM a takto vzniklý interferenční signál pak tvoří referenční polohu měřicího systému.
Pro zajištění plně automatické kalibrace celých sad KM byl navržený optický měřicí systém doplněn o automatický podavač KM, který pojme až 126 KM. Celý měřicí proces je redukován na prosté založení KM do vyhrazených pozic v podavači (obr. 2) a spuštění automatického měřicího cyklu.

Schéma měřicí sestavy
Jako širokospektrální zdroj světla je použit pulzní pikosekundový laser generující širokospektrální záření zvané bílé kontinuum. Ten je použit hlavně z důvodu lepších prostorových optických vlastností svazku vystupujícího z jednomodového optického vlákna ve srovnání s vysocesvítivou širokospektrální (bílou) LED diodou. Schematické znázornění měřicí sestavy je spolu s naznačením principu měření na obr. 3.
KM je v době měření umístěna na tříbodovém držáku, jehož poloha je pomocí speciálních šroubů s piezoelektrickými akčními členy před každým měřením automaticky nastavena tak, aby bylo dosaženo maximálního kontrastu interferenčních proužků. Obdobně je tomu i v případě držáku interferenční plochy RS, umístěném na motorizovaném posuvu, kde se využívá další sestava piezošroubů pro on-line korekci nežádoucích náklonů referenční plochy v průběhu měření. Optická sestava je doplněna snímači pro monitorování teplot různých částí systému za účelem korekce teplotních dilatací v průběhu měření a systémem pro měření indexu lomu vzduchu, nezbytným pro odměřování vzdálenosti laserovým interferometrem s rozlišením v řádu jednotek nanometrů.
CCD kamera monitoruje interferenční proužky, které vzniknou interferencí odrazů od měřicích ploch KM. Pokud je osa KM shodná s osou svazku, odrazy míří přesně tam, odkud světlo přišlo, a v místě, kde je CCD kamera, vznikne jednolitý signál a jen jeden interferenční proužek.
Úhlová odchylka mezi osou KM a osou měřicího svazku pak znamená nenulový úhel mezi svazky v místě, kde jsou vidět interferenční proužky. Perioda proužků je funkcí úhlu, pod kterým se svazky potkávají. Z počtu a tvaru interferenčních proužků lze určit, jak je nutné pohybovat s KM (změnit napětí na piezoelektrických akčních členech v držáku KM), aby se úhlová chyba odstranila.

Návaznost na státní etalony
Systém TESA NPL A.G.I.300 je přímo navázán na státní etalon délky prostřednictvím
femtosekundového generátoru hřebene optických frekvencí a jodem stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm.
Systém TESA-UPC je navázán na státní etalon délky prostřednictvím etalonových KM 1. řádu, měřených na interferenčním komparátoru TESA NPL A.G.I.300 a porovnávaných s etalonem, kterým je délka světelné vlny jodem stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm intervenčního komparátoru TESA NPL A.G.I 300. Bezkontaktní systém je přímo navázán na státní etalon délky prostřednictvím stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm.

Použití a nejistota měření
Na bezkontaktním systému lze měřit KM třídy K až 2 s vysokou i nižší kvalitou povrchu, spadající do 1. - 5. sekundárního řádu. Lze standardně měřit jednu samostatnou KM bez nutnosti měření celé sady KM. Systém vyžaduje náročnost z hlediska přípravné fáze. Měřicí proces probíhá automaticky. Doba měření závisí na délce měřených KM a kvalitě povrchu měřicích ploch.
Při měření nebylo prokázáno žádné poškození povrchu KM.

Velikost nejistoty měření:

U=√(〖51〗^2+(0.5 x l_n )^2 )   nm

Kde ln je jmenovitá délka KM dosazená v milimetrech. Rozlišení přístroje je 1 nm. Daná hodnota byla určena jako CMC (kalibrační a měřicí schopnost) pro měřicí systém.

Porovnání systémů
Při porovnání systémů TESA NPL A.G.I.300, bezkontaktního systému a systému TESA-UPC bylo zjištěno, že průměrná naměřená hodnota délky KM a nejistota měření u bezkontaktního systému a systému TESA-UPC je ve shodě. Systém TESA NPL A.G.I.300 vykazoval nižší naměřené hodnoty délky KM a nižší nejistotu měření (cca o polovinu).

Závěr
U bezkontaktního systému je nutné poukázat jak na jeho přednosti, tak i na menší omezení. Nevýhodou je sice nižší přesnost, a tedy i vyšší nejistota měření, ale velkou výhodou je rychlé automatizované měření a nepoškozování funkčních ploch KM. Systém je určen ke kalibraci KM přesnosti K až 2, a to 1. – 5. sekundárního řádu. Lze jím měřit i jednu samostatnou KM a je navázán na státní etalon ČR.

Závěrečné práce byly realizovány zmíněnými čtyřmi organizacemi a rámci projektu TA 03010663.

Na vývoji technicky tak náročného zařízení se podílel široký tým specialistů:

Ing. Štěpánka Dvořáčková, Ph.D. - Technická univerzita Liberec, Fakulta strojní,
Ing. František Dvořáček - Český metrologický institut, Oblastní inspektorát Liberec,
Ing. Pavel Konečný, Ing. Jan Kůr - Mesing, Brno,
Ing. Zdeněk Buchta, Ph.D., Ing. Martin Čížek, Ph.D., Mgr. Martin Šabort, Ph.D.,
Ing. Simon Řeřucha, Ph.D., Ing. Václav Hucl, Ing. Tomáš Pikálek,
Prof. Ing. Josef Lazar, Dr., Ing. Ondřej Číp, Ph.D. - Ústav přístrojové techniky AV ČR, v.v.i., Brno

Publikováno: 26. 1. 2017 | Počet zobrazení: 2158 376