Государственный первичный специальный

Государственный первичный специальный эталон единицы длины в
области измерений геометрических параметров поверхностей сложной
формы (ГЭТ 192-2011)
С.А.Кононогов, директор ВНИИМС., д.т.н., профессор
В.Г.Лысенко, начальник отдела ВНИИМС, д.т.н., профессор,
Н.А.Табачникова, зам.начальника отдела ВНИИМС, к.т.н.,
Ю.А. Ракитин
1. Введение
В настоящее время в стране взят курс на переход от сырьевой экономики к
инновационной, в сферу которой входят такие отрасли, в которых основным
эксплуатационным показателем изделий является качество поверхностей.
Прецизионные поверхности сложной формы - одни из наиболее распространённых
современных изделий прецизионного машиностроения, - получили широкое
распространение благодаря своим возможностям обеспечивать:
- заданные динамические характеристики авиационных и энергетических турбин;
- высокие аэродинамические свойства аэрокосмических летательных аппаратов;
- высокий к.п.д. энергетических установок и двигателей;
- требуемый низкий уровень шумовых характеристик контактирующих поверхностей
сложной формы;
- требуемую концентрацию энергии в заданном кружке рассеяния асферических
оптических поверхностей;
плавность движения, высокое постоянство передаточного отношения узлов и
механизмов и другие эксплуатационные показатели.
Прецизионные поверхности сложной формы не только сохраняют свои позиции в
качестве основных компонентов различных прецизионных узлов машин и механизмов, но
и имеют перспективы широкого использования на новом уровне точности и качества для
новых инновационных областей техники (оборонной, космической, авиационной,
судостроительной, энергетической).
Вместе с тем, исследования показывают необходимость повышения уровня
точности измерений, в том числе, и в области измерений геометрических параметров
поверхностей сложной формы.
В настоящее время сложилось такое положение, при котором обеспечение единства
измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы сдерживается рядом
факторов:
- каждое десятилетие требования к допускам на отклонение формы поверхности
увеличиваются на квалитет и к настоящему времени достигли нанометрового диапазона;
- единство измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы до
последнего времени было обеспечено не в полной мере и достигалось либо
измерительными технологиями 70-х - 80-х годов, либо вообще качество поверхностей
сложной формы обеспечивалось технологически (т.е. по сути - без контроля);
- материально-техническая база обеспечения единства измерений в этом виде к
последнему времени морально устарела как по элементной базе, так и по уровню
автоматизации и точности;
- производство новых отечественных и зарубежных средств измерений (СИ), основанных
на новых принципах, требует пересмотра, систематизации и развития новых методов и
средств их метрологического обслуживания.
2. Описание эталона и его состав
Государственный первичный специальный эталон единицы длины в области
измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы был создан на
новой элементной, научно-методической и программно-алгоритмической базе и
исследован в ФГУП «ВНИИМС» в период с 2008 по 2011 годы.
2.1 Состав эталона
Государственный первичный специальный эталон единицы длины в области измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы состоит из трёх эталонных
установок (рис.1).
Рис.1. Состав эталона
В состав ГПСЭ также входят комплекс мер геометрических параметров поверхностей
сложной формы, алгоритмическое и программное обеспечение измерений геометрических
параметров поверхностей сложной формы, нормативно-методическое обеспечение.
В основу работы государственного эталона положен метод последовательного
преобразования профилей поверхностей с воспроизведением координат дискретных точек
(поверхностей сложной формы), определяющих геометрические параметры поверхностей
сложной формы в длинах световых волн.
2.2 Измерительная интерференционная установка для получения от
государственного первичного эталона единицы длины ГЭТ 2 - 2010 дискретных
значений единицы длины
Принцип работы интерференционной установки для получения дискретных
значений единицы длины от ГЭТ 2-2010 и передачи их ГПСЭ изображен на рис. 2.
Рис. 2.
Перемещение подвижной части механической реализации декартовой системы
координат (портала, каретки, пиноли) передается триппель-призме, закрепленной на ней.
Отраженный от неё луч, пройдя через светоотражатель, интерферирует с лучом,
отраженным от другой триппель-призмы, стационарно закрепленной в интерферометре.
Интерферирующий волновой фронт регистрируется фотодиодом и проходит оцифровку в
электронном блоке. Таким образом, перемещение подвижной части механической
реализации декартовой системы координат (портала, каретки, пиноли) преобразуется в
изменение выходного сигнала интерферометра при движении отражателя вдоль
направления передачи единицы длины:
→
4π → ⎤
⎡
I (t ) = A0 + A1 cos ⎢ϕ 0 +
h(t )⎥ ,
λ
⎣
⎦
•
где А0 и А1 – константы;
φ0 – начальная фаза;
λ – длина волны стабилизированного лазерного источника света;
→
h(t ) – дискретные значения длины (перемещений подвижной части механической
реализации декартовой системы координат – портала, каретки, пиноли), передаваемые
государственному эталону.
Последовательность полученных значений перемещений подвижной части
механической реализации декартовой системы координат в длинах световых волн,
измеряемых интерферометром, служат для передачи в заданном направлении размера
единицы длины от интерференционной установки государственному первичному
специальному эталону.
2.3 Эталонная установка, реализующая метод измерений координат поверхностей
сложной формы в декартовой системе координат
Эталонная установка в этой части ГЭТ включает:
- механическую реализацию трехмерной декартовой системы координат с подвижными
элементами вдоль осей координат: портала – вдоль оси Х, каретки – вдоль оси Y и пиноли
– вдоль оси Z;
- первичный трехмерный измерительный преобразователь индуктивного типа (трехмерная
измерительная головка индуктивного типа);
- интерференционные лазерные шкалы вдоль осей координат OX, OY, OZ на базе
интерферометров Майкельсона;
- программно-методическое обеспечение для измерений координат поверхностей сложной
формы.
Интерференционные датчики вдоль осей координат OX, OY и OZ измеряют
перемещения портала x(t), каретки y(t) и пиноли z(t) механической реализации декартовой
системы координат в соответствии с измерительными уравнениями:
•
4π
⎡
⎤
I (t ) x , y , z = A0 + A1 cos ⎢φ0 +
hx , y , z (t ) ⎥ .
λ
⎣
⎦
Регистрация координат осуществляется трехмерной измерительной головкой
индуктивного типа в соответствии с известным соотношением между напряжениями
небаланса Uijk измерительных мостов в электрической схеме измерительной головки и
поперечными перемещениями щупа hi,j,k в направлениях осей ОХ (для i), OY (для j) и OZ
(для к):
U hijk =
2 jωK 0 (r + jωL)U I ⋅ hijk
4(r + jωL) 2 ⋅ (lb2 − lb hijk ) + ω 2
K 02 hijk2
lb2 − lb hijk
,
где ω – круговая частота питания;
K0 = 4π·10-9W2S (W – число витков катушек, S - сечение сердечника и воздушного зазора в
м);
r – активная составляющая комплексного сопротивления каждой катушки;
L – индуктивность каждой катушки;
lв – длина средней магнитной линии в воздушном зазоре в м;
hijk – изменение воздушного зазора, отвечающее заданной координате в м (в направлении
i, j, k).
Перед началом работы индуктивная трехмерная измерительная головка
калибруется
с
помощью
интерференционной
измерительной
установки.
Последовательность полученных отсчетов представляет собой координаты
поверхностей сложной формы в декартовой системе координат. По полученным
значениям координат определяются геометрические параметры поверхностей сложной
формы.
2.4 Эталонная установка, реализующая метод измерений координат поверхностей
сложной формы в цилиндрической системе координат
Разработанный эталон в части воспроизведения и передачи размера единицы длины в
области измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы в
цилиндрической системе координат включает:
- механическую реализацию цилиндрической системы координат на базе поворотного
стола координатно-измерительной машины (КИМ), а также её портала, каретки и пиноли;
- датчик перемещений вдоль оси Х (в латеральной плоскости) на базе интерферометра
Майкельсона;
- датчик перемещений по оси Z на базе интерферометра Майкельсона;
- трехмерную измерительную головку, регистрирующую координаты профиля
поверхности сложной формы;
- программное обеспечение для обработки результатов измерений геометрических
параметров поверхностей сложной формы.
Принцип работы эталонной установки заключается в следующем.
Перемещение измерительной щуповой системы передается триппель-призме,
закрепленной на ней. Отраженный от нее луч, пройдя через светоотражатель,
интерферирует с лучом, отраженным от другой триппель-призмы, стационарно
закрепленной в интерферометре.
Интерферирующий волновой фронт регистрируется фотодиодом и проходит
оцифровку в электронном блоке. Таким образом, перемещение щупа преобразуется в
изменение выходного сигнала интерферометра при движении отражателя вдоль осей
координат ox и oz:
•
4π
⎡
⎤
I (t ) x , z = A0 + A1 cos ⎢ϕ0 +
hx , z (t )⎥ ,
λ
⎣
⎦
где А0 и А1 – константы, φ0 – начальная фаза, λ – длина волны лазерного источника, hx,z(t)
– координаты профиля поверхности сложной формы.
Позиционирование в латеральной плоскости по угловой координате механической
реализации цилиндрической системы координат осуществляется поворотным столом.
Для воспроизведения и передачи размера единицы длины в области измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы в состав ГЭТ входит комплект
эталонных мер поверхностей сложной формы.
Интерференционный принцип измерений позволяет осуществить привязку ГЭТ к
государственному первичному эталону единицы длины через эталонный лазерный гелийнеоновый стабилизированный источник света.
3. Результаты исследований эталона
3.1 Погрешности воспроизведения единицы длины
Эталон воспроизводит единицу длины в области измерений геометрических
параметров поверхностей сложной формы со следующими метрологическими
характеристиками:
Диапазон: х = 0÷550 мм, y = 0÷500 мм, z = 0÷450 мм.
Среднее квадратическое отклонение результата измерений: S0 = 0,25 мкм при 30-ти
независимых измерениях.
Неисключенная систематическая погрешность: Θ0 не превышает 0,15 мкм.
В пределах этого диапазона, а также случайной и неисключенной систематических
погрешностей, может быть обеспечена поверка и передача единицы длины в области
измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы к рабочим эталонам
и рабочим средствам измерений.
В соответствии с принципом действия измерительной интерференционной
установки для получения от государственного первичного эталона единицы длины
дискретных значений единицы длины, величина передаваемых дискретных значений
единицы длины определяется зависимостью:
hдискр = h(t) - h0,
где h(t) – текущее значение эталонной длины,
h0 – начальное значение эталонной длины.
Рис. 3. Принцип действия измерительной установки, реализующей метод измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы в цилиндрической системе
координат
Теоретические исследования показали, что в общем виде величина передаваемых
дискретных значений длины является функцией следующих величин:
hдискр = f(δ λ , δ дискр , δ nвозд , δ др , δ комп , δ абб , δ выст , δ t 0 , δ hсс ) ,
где δλ – неопределенность значения длины волны излучения лазера в вакууме;
δдискр – неопределенность дискретности отсчета измеряемых перемещений;
δп возд – неопределенность показателя преломления воздуха;
δдр – неопределенность, вызванная дрейфом нуля интерферометра;
δкомп – неопределенность нескомпенсированнной длины;
δабб – неопределенность Аббе;
δвыст – неопределенность выставления;
δto – неопределенность температурной деформации элементов установки;
δhсл – неопределенность передаваемых дискретных значений длины, вызванная
влиянием внешних факторов.
В соответствии с принципом действия эталонной установки для воспроизведения и
передачи единицы длины в области измерений координат поверхностей сложной формы
уравнения измерений указанных координат определяются зависимостями:
→
Х сл.ф. ( t) = h→(t ) - х 0
пр. х
→
Yсл.ф. ( t) = h→ (t ) - Y0 ,
пр. Y
→
Zсл.ф. ( t) = h→(t ) - Z0
пр. Z
где
Х сл.ф. ( t) ; Yсл.ф. ( t) ; Zсл.ф. ( t) - текущие измеренные значения координат
поверхности сложной формы;
→
→
→
пр. х
пр. Y
пр. Z
h→(t ) ;
h→ (t ) ;
h→(t ) - текущие проекции радиус-векторов точек поверхностей
сложной формы на оси координат OX, OY, OZ декартовой системы координат;
X0,Y0,Z0 – начало координат декартовой системы, в которой проводятся измерения
поверхностей сложной формы.
Теоретические исследования показали, что в общем виде величины измеряемых
координат поверхностей сложной формы являются функциями следующих величин и
составляющих их погрешностей:
X сл.ф. (t ) = f1 ( xpx, ytx, ztx, zty, yzy, xwz, xrz, yrz, zrz, xwy ),
Yсл.ф. (t ) = f 2 ( ypy, xty, zty, xrz, yrz, zrz , xwy, xrx, yrx, zrx, ywz ) ,
Z сл.ф. (t ) = f 3 ( zpz , xtz , ytz, xrx, yrx, zrx, ywz , xry, yry, zry, xwz ),
где xpx – неопределенность позиционирования по оси Х,
xty – неопределенность, вызванная отклонением от прямолинейности оси Х в
плоскости ОXZ,
xrx – разворот по оси ОХ вокруг самой себя, xry – разворот оси ОХ в плоскости
OXY,
xwz – отклонения от перпендикулярности осей ОХ и OZ. Остальные влияющие
факторы, входящие в указанные выражения, определяются по аналогии.
В соответствии с действующей нормативной базой параметр отклонения формы
профиля поверхности сложной формы определяется зависимостью:
Δhсл = hmax (t ) − hmin (t ) ,
где hmax (t ) - наибольшее значение отклонения формы сложнопрофильной
поверхности от номинальной по нормали к ней;
hmin (t ) - наименьшее значение отклонения формы сложнопрофильной поверхности
от номинальной по нормали к ней.
Теоретические исследования показали, что в общем виде параметр отклонения
формы сложнопрофильной поверхности от номинальной является функцией следующих
величин и составляющих их погрешностей:
Δhсл = f (h x (t), δ yty , δ xty , δ zty , δ xzx , δ xrz , δ yrx , δ yrz , δ zrx , δ zrz , δ ywz , Vx ) ,
где:
- погрешности позиционирования:
δyty – погрешность позиционирования щупа вдоль оси Х;
- погрешности отклонения от прямолинейности:
δxty – погрешность отклонения от прямолинейности вдоль оси Х в плоскости XOY;
δzty – погрешность отклонения от прямолинейности вдоль оси Z в плоскости ZOY;
- погрешности угловых колебаний:
δxrx – вокруг оси Х (вдоль оси Х);
δxrz – в плоскости XOZ (вдоль оси Х);
δyrx – в плоскости YOX (вдоль оси Y);
δyrz – в плоскости YOZ (вдоль оси Y);
δzrx – в плоскости ZOX (вдоль оси Z);
δzrz – вокруг оси Z (вдоль оси Z);
δ ywz - погрешность отклонения от перпендикулярности осей Y и Z;
Vx – случайная погрешность, вызванная влиянием внешних факторов.
Неисключённые систематические погрешности определены на основании
теоретического анализа метода измерений и исследования особенностей эталонных
установок, входящих в состав ГЭТ. Наиболее существенные источники и составляющие
неисключённой и случайной погрешности и их оценки получены путём использования в
расчетах результатов аттестации, а также теоретических и экспериментальных
исследований эталонных установок и их узлов, входящих в состав ГЭТ.
С
целью
подтверждения
заявленных
метрологических
характеристик
разработанного ГЭТ были проведены его экспериментальные исследования.
На рис. 4 приведены некоторые результаты экспериментальных исследований ГЭТ
в режимах воспроизведения и передачи единицы длины в области измерений длины,
координат и параметров формы сложнопрофильных поверхностей.
Рис. 4. Экспериментальное исследование метрологических характеристик измеряющей
головки
Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность
проведённых теоретических исследований разработанного ГЭТ и достоверность его
метрологических характеристик.
На основании теоретических и экспериментальных исследований метода
измерений, положенного в основу эталона, установлено, что эталон воспроизводит
единицу длины в области измерений геометрических параметров формы
сложнопрофильных поверхностей в диапазоне: Х = 0…550 мм, Y = 0…500 мм, Z = 0…450
мм.
Эталон обеспечивает воспроизведение единицы длины в области измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы со средним квадратическим
отклонением S = 0,25 мкм и неисключенной систематической погрешностью Θ не более
0,15 мкм.
Стандартная неопределённость воспроизведения единицы длины, оцениваемая по типу
А: uА = 2,5·10-1 мкм.
Стандартная неопределённость воспроизведения единицы длины, оцениваемая по
типу В: uВ = 0,8·10-1 мкм.
Суммарная стандартная неопределённость воспроизведения единицы длины
эталоном uС = 2,7·10-1 мкм.
Расширенная неопределённость воспроизведения единицы длины эталоном u =
-1
5,8·10 мкм при доверительной вероятности 95 %.
3.2. Результаты международных сличений эталонов в области измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы
В рамках работы по созданию эталона в области измерений геометрических
параметров поверхностей сложной формы под эгидой МБМВ были проведены круговые
сличения эталонов ФГУП «ВНИИМС» и ряда национальных метрологических
организаций стран-участниц круговых сличений: PTB (Германия), NPL (Великобритания),
NIST (США) и других.
По результатам сличений были рассчитаны
неопределённости и критерий
эквивалентности эталонов. Эквивалентность Еn описываемых эталонов при заявленных
расширенных неопределённостях признаётся удовлетворительной, если Еn меньше 1. По
результатам сличений было установлено, что критерий Еn меньше 1 при заявленной
расширенной неопределённости для каждого из участвовавших в сличениях эталонов.
3.3.Сопоставление полученных результатов с зарубежными данными
Анализ научно-технической информации, относящейся к методам и средствам высшей
точности для измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы,
используемых за рубежом, показал, что государственные метрологические организации
развитых стран, таких как Германия, США, Великобритания, и ведущие зарубежные
фирмы, производящие средства измерений геометрических параметров поверхностей
сложной формы, имеют устройства высшей точности для измерений указанных
параметров, аналогичные используемым в разработанном эталоне. Основным средством
передачи размера единицы длины в этом виде измерений рабочим средствам измерений за
рубежом также являются эталонные меры.
Для достижения наивысшей точности измерений как эталонных мер, так и установок
высшей точности используется интерференционный метод. Сравнение Государственного
первичного специального эталона единицы длины в области измерений геометрических
параметров поверхностей сложной формы с лучшими зарубежными установками высшей
точности в этом виде измерений показало, что разработанный ГЭТ по своим
метрологическим характеристикам находится на уровне лучших мировых аналогов.
4. Обеспечение единства измерений
4.1. Структура государственной поверочной схемы (ПС)
Возглавляет ПС государственный первичный специальный эталон единицы длины
в области измерений геометрических параметров поверхностей сложной формы.
Передача средствам измерений единицы длины осуществляется с помощью
эталонных мер прямым и косвенным способами.
Единица длины может передаваться как от СИ одного вида (специализированные и
универсальные), так и от разных по точности и видов СИ прямым методом с помощью
мер.
Единица длины от ГПСЭ передается эталонным мерам 1-го разряда. При передаче
единицы длины в области измерений геометрических параметров (ГП) формы прямым и
косвенным методами передается форма криволинейной системы координат (СК), которая
включает в себя координатную поверхность и нормаль к координатной поверхности, а
также единица длины вдоль координатной оси, совпадающей с нормалью к координатной
поверхности.
Единица длины от эталонных мер 1-го разряда передается рабочим эталонам (РЭ)
2-го разряда. К рабочим эталонам второго разряда отнесены наиболее точные КИМ и
наиболее точные специализированные средства измерений формы конкретных
поверхностей.
КИМ, которые отнесены к РЭ 2-го разряда, имеют расширенную неопределенность
измерения координат ±(1, 0 ÷ 2, 0) мкм . Неопределенность измерений ГП формы сложной
поверхности зависит от вида номинальной поверхности и алгоритмов, реализованных в
программном обеспечении (ПО) КИМ. Для передачи единицы длины в области измерений
координат для КИМ, в соответствии с данной схемой, есть возможность использования
лазерной интерференционной измерительной системы (ЛИИС), которая выявляет и
аттестует 21-ю составляющую геометрической погрешности механической реализации
системы координат. Единица длины от эталонных мер 1-го разряда также может
передаваться рабочим средствам измерений высокой точности, имеющие расширенную
неопределенность измерений ±(1, 0 ÷ 5, 0) мкм напрямую.
Единица длины от РЭ 2-го разряда передается эталонным мерам 3-го разряда. К
этим мерам также отнесены плиты с отверстиями или со сферами и меры с
вспомогательными поверхностями, совпадающими по форме с известными
номинальными формами поверхности (например, меры третьего разряда имеют
расширенную
неопределенность
измерений
координат
или
±(2,5 ÷ 5, 0) мкм
±(2,5 ÷ 10, 0) мкм измерений ГП формы конкретных поверхностей).
Единица длины от эталонных мер 3-го разряда передается РСИ: для
специализированных СИ - прямым методом, для универсальных СИ - прямым или
косвенным методом. Выбор того или иного метода может быть ограничен как наличием
материальных мер, так и другими, например, экономическими причинами.
5. Выводы
5.1 Разработанный ГПСЭ создает условия для обеспечения единства измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы на современном мировом
уровне.
5.2 Исследования эталона показали, что единица длины в области измерений
геометрических параметров поверхностей сложной формы воспроизводится со
средней квадратической погрешностью результата, не превышающей S = 2,5·10-1
мкм и н.с.п., не превышающей θ = 1,5·10-1 мкм, что соответствует основным наиболее
жестким отечественным и международным нормам.
5.3 Сопоставление метрологических характеристик ГПСЭ с соответствующими
показателями лучших зарубежных исходных средств измерений позволяет сделать
вывод, что достигнутый уровень точности соответствует современному мировому
уровню, имеет достаточный запас точности и будет удовлетворять потребности
промышленных предприятий на ближайшие 10 лет.
Опубликовано 15 июля 2012 года в журнале «Законодательная и прикладная
метрология» №4-2012.