ÚPT AV ČR a MESING představí na MSV Brno 2012 unikátní měřicí systém na kontrolu koncových měrek

Kontrola měrek
Metodologie kontroly je obsažena v normě EU ISO 3650, která uvádí dva základní způsoby kalibrace. První využívá „přisátí“ jednoho čela měrky na referenční plochu a pomocí vhodné, zejména interferometrické techniky, je měřena vzdálenost referenční plochy od jejího volného čela. Druhým a všeobecně nejrozšířenějším způsobem je porovnávání ve vybraných bodech délky kalibrované měrky s délkou referenční měrky. K tomu slouží speciální zařízení vybavené dvěma protilehle umístěnými kontaktními snímači. Hlavně se používají indukčnostní snímače s vakuově odstavovanými měřicími doteky, které jsou ve vyhodnocovací jednotce zapojené v součtovém režimu a běžně se dosahuje opakovatelnosti měření v řádu několika setin µm. V České republice je používán zejména přístroj MKM 3, vyráběný brněnskou firmou Mesing.

Diskuse problému a formulace požadavků
Zejména první metoda je časově velmi zdlouhavá a přirozeně drahá, ale i při použití druhé – komparační – metody se kontrolují velké sady měrek celý den a tuto práci mohou vykonávat jen velmi zkušení a odpovědní pracovníci. Dlouhá doba je obvykle spojena s teplotní nestabilitou v laboratoři a přirozeně se projevuje i určitá nestabilita podsestavy snímač a vyhodnocovací jednotka. To přirozeně také vede k celkovému zhoršení přesnosti. Snahou proto bylo co nejvíce zkrátit dobu měření, minimalizovat poškozování obou funkčních ploch koncové měrky použitím bezkontaktní metody a maximálně omezit vliv kontrolora na proces měření s redukcí jeho činnosti na vložení a vyjmutí měrek z měřicího zařízení.
Tyto požadavky jsou splnitelné automatem s vysoce přesným bezkontaktním optickým měřicím systémem. Odpovídající zařízení dosud neměla ve svém programu žádná specializovaná a renomovaná firma.

Organizace vývoje
Vývoj se rozhodla zrealizovat dvě brněnská specializovaná pracoviště, která spolu již řadu let úspěšně spolupracují, a to ÚPT AV ČR, v. v. i. a MESING, spol. s r.o. ÚPT řešil optickou, měřicí část a řídicí elektroniku, Mesing je tradičně autorem mechanické částí včetně automatického zásobníku a výměníku měrek. Koncepce měřidla musela zaručit kontrolu sad s až 126 měrkami v rozsahu délek 0,5 až 100 mm za podmínky maximální eliminace délkové dilatace soustavy a fluktuace indexu lomu vzduchu.

Princip
Měřicí systém kombinuje laserovou interferometrii a interferometrii nízké koherence, využívající nekoherentní záření, přičemž princip je do značné míry podobný klasické laserové interferometrii. Rozdíl je v typu použitého zdroje záření – bílého světla.
Koncová měrka je odměřována z obou stran pomocí světelného svazku, kdy se jeho část odráží od jednotlivých čel koncové měrky a další část následně prochází kolem této měrky a na základě vzájemného porovnání získaných interferenčních signálů je stanovena délka koncové měrky, a to s nejistotou měření v řádu desítek nanometrů.
Měřicí světelný svazek je tvořen nejen světlem ze standardního jednofrekvenčního laseru, který se využívá např. při měření délky ve velmi přesném strojírenství, ale obsahuje i světlo z tzv. pulsního femtosekundového laseru. Toto světlo obsahuje tisíce laserových vln s širokým rozsahem vlnových délek, a proto se pro něj vžil název tzv.“bílé superkontinuum“.

Schéma sestavy s principem měření je na obr. 1. Měřicí systém kombinuje Michelsonův interferometr a Dowellův interferometr, přičemž Dowellův interferometr je umístěn v referenční větvi Michelsonova intereferometru. Svazek bílého světla ze zdroje je rozdělen polopropustným zrcadlem č. 1 na dvě části. Vzniklý měřicí svazek Michelsonova interferometru prochází dvojicí kompenzačních desek a odráží se od referenční plochy RS. Referenční svazek Michelsonova interferometru představuje primární svazek pro Dowellův interferometr. Zrcadlem č. 2 je rozdělen na dva protiběžné svazky, procházející Dowellovým interferometrem – trojúhelník tvořený zrcadly č. 2, 3 a 4. Část těchto svazků je odražena čely měřené koncové měrky, neodražená část protiběžných svazků prochází kolem koncové měrky. Na výstupu interferometru je pak tedy celkem 5 svazků, schopných vzájemně interferovat. Podle principu interferometrie nízké koherence platí, že k interferenci měřicího a referenčního svazku dochází ve stavu vyvážení interferometru. V případě popsané experimentální soustavy lze interferenci na výstupu interferometru pozorovat pro polohy referenční plochy RS, označené v obrázku jako P 1̒, P2̒ a P3̒.V případě, kdy je referenční plocha RS nastavena do polohy P2̒, dochází k interferenci referenčního svazku a části měřicího svazku, odražené od čela koncové měrky P2. Pro polohu referenční plochy P3̒ dochází k interferenci referenčního svazku a části měřicího svazku, odražené od čela koncové měrky P3. Poloze referenční plochy P1̒ odpovídá interference referenčního svazku s částí měřicího svazku, procházejícího kolem koncové měrky. Tento stav je adekvátní konfiguraci sestavy se zrcadlem, umístěným v poloze P1. Pro měření délky koncové měrky představuje poloha P1, resp. P1̒ referenční pozici, danou konfigurací sestavy.
Softwarově lze vytipovat vztažné body na obou čelech kontrolované měrky.

Realizace
Fotografie vyvinutého měřicího systému je na obr. 2. Systém umožňuje zkontrolovat bezkontaktně a automaticky největší sadu měrek (126 kusů) za cca 90 min. se základní nejistotou měření až 20 nm. V současnosti není znám žádný jiný obdobný přístroj svého druhu. S prvním nasazením se počítá v ČMI v rámci společného projektu a pracovníci ČMI taktéž participovali při všech závažných krocích spojených s vývojem a ověřováním. Realizace záměru by nebyla možná bez finanční podpory Grantové agentury ČR, MPO, Evropské komise a MŠMT. Na vývoji měřicí metody, konstrukci, výrobě, oživování, ověřování, zajištění finančního krytí atd. se podílel široký tým pracovníků obou organizací a je na místě jmenovat hlavně  Z. Buchtu, B. Mikela, M. Čížka, J. Lazara, P. Konečného, T. Pikálka a R. Wíttka i autory článku, kteří tento unikátní projekt na svých pracovištích koordinovali.
 

Publikováno: 24. 8. 2012 | Počet zobrazení: 3141 622