5.9 Прямолінійність горизонтальна й вертикальна

Визначення горизонтальної прямолінійності виконується за вимірювальною схемою, представленою на рис.5.7. Для вимірів використовується лазерна система в конфігурації: лазерна голівка, компенсаційна установка, комп’ютер із програмою виміру прямолінійності, оптика для кутових вимірів.

При використанні лазерного інтерферометра можна одержати наступні параметри прямолінійності:

- діапазон виміру - 012 м;

- ціна поділки - 0,3 мкм;

- точність вимірів - 3%.

Процес виміру горизонтальної прямолінійності можна розділити на етапи:

- складання схеми виміру; установка і юстировка лазерної голівки, установка вертикального кутового інтерферометра в нерухомій опорі верстата, установка опори ретрорефлектора кутового на рухомому столі верстата;

- перевірка юстировки кутової оптики на всьому шляху переміщення ретрорефлектора;

- програмування керування машиною по положеннях точок для виміру уздовж усього шляху переміщення. Машина повинна зупинятися в точках виміру на 1 с;

- виконання циклів виміру; для кожного пункту виміру на підставі виконаних за допомогою лазерної системи вимірів кутових відхилень виходить відхилення від прямолінійності в мкм;

- одержання графіка відхилення від прямолінійності уздовж усього шляху переміщення.

Вимір вертикальної прямолінійності виконується по тій же самій схемі виміру, необхідно змінити на 90^о положення кутового інтерферометра й кутового ретрорефлектора.

5.10 Прямокутності між двома висями

Вимір прямокутності між вісями X і Z машини виконується за схемою, представленою на рис.5.8. Для вимірів використовується лазерна система в конфігурації: лазерна голівка, компенсаційна установка, комп’ютер із програмою виміру прямокутності, оптика для виміру прямокутності.

При використанні лазерного інтерферометра можна одержати наступні вимірювальні параметри прямокутності:

- діапазон виміру - 03 м

- точність виміру - 1 арксек.

Процес виміру прямокутності між вісями можна розділити на етапи:

- складання схеми виміру; установка і юстировка лазерної голівки, установка призми Воластона разом з ретрорефлектором у рухливі опори машини (по вісі Z), установка дзеркал і еталона прямого кута відбивача на нерухомому столі машини (вісь X);

- юстировка оптичної схеми на всьому шляху переміщення призми Воластона;

- програмування схеми керування машиною; описання положення пунктів виміру уздовж усього шляху переміщення ручок, машина повинна зупинятися в точках виміру на 1с;

- виконання вимірів відхилень від прямокутності для всіх пунктів виміру уздовж осі переміщення рукояток вісі Z машини;

- одержання графіків відхилення від прямокутності між вісями Х та Z уздовж усього шляху переміщення.

Рис.8 Схема для визначення прямокутності між двома висями

Контрольні запитання за темою лекції

1. Оптическая схема двухчастотного интерферометра Майкельсона

2. Математическое описание работы двухчастотного интерферометра

3. Оптичній комплект для вуглових вимірювань

4. Оптичній комплект для вимірювань прямолінійності

Двухчастотный лазерный интерферометр

1. Контролируемые параметры станков с ЧПУ

Использование в машиностроении для повышения качества и производительности производства станков с ЧПУ и обрабатывающих центров ставит задачу контроля точности выполнения всех технологических операций этими машинами. Очень важным параметром для этих машин является точность позиционирования и точность геометрии перемещения. Эти параметры необходимо контролировать, как при передачи машины изготовителем потребителю, так и периодически во время эксплуатации [1].

Основной проблемой, которая до последнего времени выступала в процессе проведения контроля машин, была погрешность позиционирования образцовых мер – линеек относительно исполнительных механизмов этих машин. Кроме этого, линейки обеспечивали требуемую точность измерений только на длинах до 1 м. Сейчас, с развитием и широким использованием лазерных интерферометров процесс контроля параметров машин можно сделать более объективным (за счет использования в качестве меры длины - длину волны излучения лазера), оперативным и всеобъемлющем.

Есть несколько разных нормативов, связанных с контролем параметров машин: NMTBA - СШA, VDI/DGO 3441 – Германия, JIS B 62XX – Япония, BSI BE 4656 - Англия, ISO/DIS 230 - Европейский Союз. Эти нормативы отличаются требованиями к порядку проведения и методикой обработки результатов измерений.

Различаются следующие проверки прямолинейности параллельности, равноудалённости и соосности:

- прямолинейность линии на плоскости или в пространстве,

- прямолинейность части рабочей поверхности установки

- прямолинейность движения.

- параллельность перемещения,

- параллельность осей и соосность

- равноудалённость линии и плоскости.

Особенно важным вопросом при контроле машин является исследование прямолинейного перемещения каретки машины вдоль оси движения. Ошибки прямолинейного перемещения каретки машины можно охарактеризовать шестью параметрами отклонения: одно отклонение положения в направлении движения, два наклонения линейной траектории точки движущейся каретки, три отклонения угловых движущейся каретки. Все шесть параметров имеют одинаковое значение, так как ошибки позиционные, возникающие из нежелательных угловых перемещений или поступательных движений, могут быть больше чем ошибки позиционные на линейных осях. Отметим, что лазерный интерферометр используют для измерения пяти из шести вышеуказанных параметров: линейность или прямолинейность горизонтальная, прямолинейность вертикальная, прыжки и сходы с курса, а также перпендикулярность между двумя осями.

Рис.1

Здесь:

ЕХZ – отклонение линии по оси Х;

EYZ – отклонение линии по оси Y;

EZZ – отклонение позиционирования;

EAZ – скачок;

EBZ – сход с направления;

ECZ – вращение вдоль оси Z

2. Лазерный интерферометр

Лазерный интерферометр является измерительным прибором пригодным для контроля геометрических параметров станков.

Лазерный двухчастотный интерферометр, использующий излучение стабилизированного He-Ne лазера на длине волны 0,63 мкм в качестве меры длины представляет собой миниатюрный (60х60х260 мм) транспортабельный комплект оборудования. В состав системы входят: головка лазерная, система компенсации длины волны излучения, компъютер вместе с программным обеспечением, а также дополнительные оптические приспособления.

Лазерная головка или источник излучения – стабилизированный по частоте He-Ne лазер с длиной волны излучения 0,63 мкм. Система компенсации осуществляет автоматическую компенсацию изменений показателя преломления при изменении параметров атмосферы.

1 – лазерная трубка; 2 – нагреватель; 3 – магнит; 4 – неполяризационный разделитель пучка; 5 – пластинка ; 6 – пластинка 2; 7 – коллиматор; 8 – магнитный компенсатор; 9 – жидкокристаллическая ячейка

Рис.2

Компьютер обеспечивает визуализацию и обработку результатов измерений.

Дополнительное оснащение лазерного интерферометра заключается в системе программного и инструментального обеспечения измерений. Оно предназначено для линейных и угловые измерений, измерения плоскостности, измерения прямолинейности, измерения взаимной перпендикулярности направлений скоростей перемещения. Оптические приспособления меняются в зависимости от проводимых измерений. В комплект входят: оптика для линейных измерений, оптика для угловых измерений, оптика для измерений прямолинейности и оптика для измерений взаимной перпендикулярности направлений перемещений.

Лазерный интерферометр содержит:

- двухчастотный, частотно-стабилизированный He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм,

- оптическую систему получения опорного и измерительного сигналов,

- систему детектирования сигнала,

- систему усиления измерительного и опорного сигналов

- систему передачи информации на компьютер.

Поскольку активный элемент лазера находится в продольном магнитном поле, то происходит расщепление частоты излучения лазера на две оптические частоты, расстояние между которыми составляет около 1,6 МГц. Этот частотный интервал называется зеемановская частота, а лазер стабилизируется по эффекту Зеемана. В лазерной системе использован стандартный He-Ne лазер с внутренними зеркалами, а выходная мощность около 1 мВт.

Встроенный жидкий кристалл переключает оптические частоты f₁ и f₂, которые подаются на фотодиод с частотой F_r = 800 Гц. Используемая система стабилизации частоты позволяет получить кратковременную стабильность не хуже 10^-9. Опорная зеемановская частота F_z = f₁ - f₂, а измерительный сигнал имеет частоту F_z - f_d . Дискрет измерения равен , при статистической обработке сигнала f_d его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом, дискрет измерения интерферометра не превышает 0,01 мкм.

3.2. Система компенсации показателя преломления

Несмотря на то, что частота излучения лазера стабилизирована с высокой точностью, длина волны излучения в воздухе зависит от изменений показателя преломления воздуха. Изменение показателя преломления как функция изменения параметров атмосферы описывается уравнением [7]

n = 1 + (2,8793P·10^-7)(1+0,003671T)·(4,2P_w·10^-8),

где n – показатель преломления; P – атмосферное давление в hPa; T – температура воздуха в ^оС; P_w – парциальное давление паров воды в воздухе в hPa.

С целью получения высокой точности измерений, выполняемых лазерной системой LSP-30-Compact, показатель преломления в воздухе измеряется автоматически и корректируется значение длины волны лазерного излучения. Чтобы исключить ошибку, связанную с температурным расширением основания, на котором выполняются измерения, автоматически измеряется температура основания в нескольких местах.

Система компенсации показателя преломления гарантирует измерение параметров атмосферы и автоматическое вычисление параметра коррекции длины волны излучения. Измерение температуры основания станка с ЧПУ используется для коррекции результатов измерения относительно 20^оС.

Измерение температуры воздуха и температуры основания в трех равноудаленных точках проводится в интервале 10-30^оС, точность измерений составляет 0,1^оС.

Атмосферное давление измеряется в диапазоне 940-1060 hPa, интервал – 1 hPa, точность – 1 hPa.

Относительная влажность измеряется в диапазоне 10-90%, интервал между измерениями – 1%, точность – 5%.

3.3. Оптическая схема интерферометра

В зависимости от характера проводимых измерений в лазерной измерительной системе используются четыре конфигурации элементов оптического интерферометра: оптика для линейных измерений, оптика для угловых измерений, оптика для измерения прямолинейности и оптика для измерения взаимоперпендикулярности [6].