Построение лазерной измерительной информационной системы для контроля отклонений от прямолинейности на принципах поляризационной интерферометрии с дифракционной решеткой

Актуальность темы

Измерение отклонений от прямолинейности — одна из важнейших научно-технических задач, возникающих при разработке, изготовлении, калибровке и аттестации машиностроительного оборудования. Особенно это актуально для многокоординатного оборудования (станков, координатно-измерительных машин и других средств координатных измерений, робототехнических систем, реализуемых как в традиционной компоновке в комбинации декартовых и полярных координат, так и в системах с параллельной кинематикой на основе управляемой платформы Стюарта). Во всех этих устройствах, разнообразных по своему применению и кинематике, необходимо обеспечить прямолинейность движения подвижных узлов вдоль осей системы координат, что является важнейшим условием обеспечения точности обработки, контроля и транспортировки изделий в пространстве.

Средства измерений отклонений от прямолинейности используются для обеспечения прямолинейности профиля сечения поверхностей и для оценки прямолинейности перемещения исполнительных узлов систем (прямолинейность оси в пространстве). Первый вариант относится к оценке качества изготовления узлов. Второй вариант используется для определения прямолинейности направления, по которому происходит перемещение подвижных узлов оборудования.

Важность оценивания отклонения от прямолинейности как профиля изделий, так и осей перемещения привело к созданию большого количества средств измерений, анализ которых проводится в Главе 1 данной диссертации. Все известные методы базируются на методе сравнения измеряемой линии с образцовой [42]. При этом методы воспроизведения идеальной поверхности и способы определения отклонений измеряемых профилей от образцового профиля могут иметь различную природу. Анализ механических и оптико-механических средств измерения отклонений от прямолинейности показывает, что наиболее перспективными являются оптические методы, где в качестве эталона прямой линии рассматривается энергетическая ось светового пучка. Под последней понимается линия, представляющая собой геометрическое место точек, являющихся центром энергетического распределения светового потока в каждом поперечном сечении в направлении распространения.

В настоящее время оптические методы контроля отклонений от прямолинейности (коллимационные, автоколлимационные, интерференционные) достигли высокого совершенства и обеспечивают измерение этих отклонений с погрешностью до 1 мкм/м. Однако, анализ требований, предъявляемых к геометрическим параметрам непрямолинейности изделий и узлов в современном машинои приборостроении показывает, что при контроле прецизионного технологического и измерительного оборудования (станков классов В, А и С, КИМ и других средств координатных измерений высших классов точности) требуется дальнейшее повышение точности измерения до долей мкм/м.

Бурное развитие нанотехнологий, в том числе технологии изготовления изделий с нанометрической точностью, также требует в перспективе достижения погрешности измерения отклонений от прямолинейности на уровне десятых — сотых долей мкм/м.

Можно сказать, что потенциальная точность известных оптических методов измерения отклонений от прямолинейности практически достигнута, и дальнейшее повышение точности ограничивается свойствами, присущими оптическому измерительному каналу. Это ограничение принципиальное и связано с неоднородностью распределения показателя оптического преломления воздушной среды по трассе измерения. Показатель оптического преломления зависит от распределения температуры, влажности, давления, газового состава среды, в которой распространяется оптическое излучение, несущее измерительную информацию.

Дальнейшее повышение точности измерений в известных методах связано с необходимостью стабилизации параметров окружающей среды по трассе измерения, что весьма затратно, а во многих случаях практически невозможно.

Кроме того, предъявляются жесткие требования к параметрам излучаемого светового пучка. Энергетическое распределение по сечению пучка должно быть постоянно на всей трассе измерения, а диаграмма направленности светового потока и его расходимость должны сохраняться неизменными.

Для любого источника света, как теплового, так и лазерного, эти условия практически не осуществимы. Флуктуации энергетических распределений и направленности светового пучка эквивалентны эталонной линии.

Факторы, влияющие на отклонения эталонной линии оптического пучка от прямолинейности являются источниками погрешности, целиком входящие в погрешность измерения отклонения от прямолинейности.

Таким образом, повышение точности измерения отклонения от прямолинейности связано с поиском такого принципа измерения, при котором влияние этих факторов существенно снижается или исключается.

Целью данной работы является поиск такого принципа построения оптического средства измерения, при котором перечисленные выше факторы существенно меньше влияют на погрешность измерения и, тем самым, открывается путь к достижению погрешности измерения на уровне десятых-сотых долей мкм/м.

Цель диссертационной работы заключается в повышении точности измерений отклонений от прямолинейности по сравнению с традиционными интерферометрическими методами на основе использования принципов поляризационной лазерной интерферометрии с дифракционной решёткой, базирующихся на физическом явлении дифракции когерентного лазерного излучения на фазовой дифракционной решётке, являющейся подвижным индикатором отклонения профиля поверхности или оси от прямолинейности, поляризационном выделении дифракционных порядков соответствующих номеров с одновременным преобразованием их поляризации в ортогональные, коллинеарной интерференции этих дифракционных порядков и последующим гомодинным или гетеродинным детектированием поля интерференции с амплитудным или фазовым цифровым электронным преобразованием измерительной информации.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. Исследование фазовой позиционной чувствительности дифракционных решёток.

2. Построение математической модели оптических преобразований и исследование схем поляризационной интерферометрии с целью обеспечения коллинеарной интерференции дифракционных порядков с ортогональными поляризациями.

3. Рассмотрение факторов, влияющих на точность и разрешающую способность ИИС.

4. Рассмотрение факторов, ограничивающих длину трассы измерения и диапазон измерений ИИС.

5. Исследование перспектив развития предложенного метода с целью измерения других параметров геометрических отклонений многокоординатного оборудования (станков, координатно-измерительных машин, роботов и т. п.).

Методологической базой исследований послужили работы В. П. Линника, Б. М. Левина, М. А. Палея, В. В. Леонова, Т. Pfeifer (ФРГ) и др. в области геометрических измеренийработы Ю. В. Коломийцова, В. И. Телешевскош, R. R. Baldwin (США), D. R. McMurtry (Великобритания) и др. в области интерференционных измерений отклонений от прямолинейности.

Методы исследования. В работе использованы принципы апланометрии для оценки геометрических отклонений, дифракционной оптики на основе аппарата фурье-оптики, акустооптики, поляризационной оптики с применением матричного аппарата Джонса, Мюллера и Стокса, интерференции света, оптического детектирования и гетеродинирования, теории погрешностей измерений. Математическое моделирование выполнено в средах Maple и MathCAD в сочетании с экспериментальными исследованиями макетных образцов.

Научная новизна работы заключается в:

1. определении свойств фазовой позиционной чувствительности дифракционной решётки как индикатора отклонения от прямолинейности;

2. создании архитектуры поляризационного преобразования порядков дифракции на решётке с целью получения коллинеарного поля их интерференции в процессе распространения света с одновременным обеспечением ортогональности их поляризаций;

3. определении способа детектирования поля коллинеарной интерференции ортогонально поляризованных дифракционных порядков на основе гомодинного и гетеродинного акустооптического метода;

4. установлении закономерностей влияния девиации геометрических параметров дифракционной решётки, явления рефракции света по трассе измерения, отклонения характеристик поляризационных элементов и флуктуаций геометрических параметров лазерного излучения на точность и диапазон измерения отклонений от прямолинейности.

Практическая значимость работы заключается в:

1. создании практических схем оптического канала ИИС с подвижной дифракционной решёткой, используемой как индикатор отклонения от прямолинейности, и двулучепреломляющими поляризационными элементами, обеспечивающими коллинеарную интерференцию выделенных дифракционных порядков с ортогональными поляризациями;

2. снижении влияния неизбежных в оптических методах погрешностей, связанных с неоднородностью оптических свойств среды в процессе распространения света и флуктуации параметров источника лазерного излучения, что обеспечивает потенциально более высокую точность измерения по сравнению с известными оптическими методами;

3. создании практических схем детектирования поля коллинеарной интерференции дифракционных порядков на основе гомодинного и гетеродинного акустооптического детектирования;

4. создании методики моделирования и экспериментального исследования разработанной лазерной ИИС для контроля отклонений от прямолинейности на принципах поляризационной интерферометрии с подвижной дифракционной решёткой;

5. определении геометрических и оптических параметров фазовой дифракционной решётки для достижения наибольшей чувствительности и точности измерений;

6. определении путей дальнейшего развития разработанной ИИС применительно к задачам измерения отклонений от параллельности, перпендикулярности осей, отклонения от плоскостности, углов поворота и комплексного отклонения от прямолинейности движения.

Реализация работы.

Материалы работы использованы при выполнении государственного контракта с Минпромторгом России № 7410.1 003 702.06.006 от 19.09.2007 г. «Разработка технологий производства отечественных импортозамещающих лазерных интерференционных измерительных устройств как базовой системы для контроля точности в составе прецизионных станков, координатно-измерительных машин и измерительных приборов».

Теоретические исследования, проведённые в данной работе, используются в учебном процессе по направлению 200 100 «Приборостроение».

Апробация работы и публикации.

Основные положения работы докладывались на конференциях:

1. «Машиностроение — традиции и инновации», МГТУ «Станкин», ноябрь-декабрь 2010 г.

2. «Состояние и проблемы измерений», МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2628 апреля, 2011 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в трех статьях в изданиях, включённый в перечень ВАК.

Для разработанной ИИС получено два патента на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

— Принципы построения, структура и архитектура информационной измерительной системы для измерения отклонения от прямолинейности на основе поляризационной интерферометрии с дифракционной решёткой;

— Параметры дифракционной решётки, выбранные с точки зрения энергетической эффективности;

— Математическая модель системы для измерения отклонений от прямолинейности;

— Результаты реализации измерительной информационной системы в гомодинном и гетеродинном исполнении;

— Результаты метрологического анализа влияния различных факторов на результат измерения и возможность измерения;

— Метод уменьшения, влияния рефракции света на результат измерений;

— Пути дальнейшего развития измерительной системы с возможностью расширения номенклатуры измеряемых геометрических величин с сохранением основных принципов построения системы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы из 75 наименований и приложения. Общий объём работы 164 страницы.

4.7. Выводы.

Исходя из вышеизложенного можно заключить следующее:

1. Приведённые оптические схемы можно достаточно легко изменять с целью получения новых полезных свойств измерительной системы.

2. Для построения схем измерения поляризационные элементы могут быть использованы в различных сочетаниях и занимать различные положения в последовательности производимых оптических преобразований без потери функциональности системы в целом.

3. Метод измерений, основанный на изменении фазового сдвига оптического излучения может быть использован для построения измерительных информационных систем, предназначенных для измерения различных линейных и угловых величин.

4. На основе этого метода возможно построение измерительной системы, предназначенной для измерения комплексных величин отклонений.

5. Изменяя форму нарезания штрихов в пространстве можно изменять алгоритм вычисления комплексной величины отклонения от номинального расположения в пространстве, то есть изменять величину вклада проекций отклонения на оси координат в конечный результат измерений.

Таким образом, рассматриваемая измерительная система обладает достаточной гибкостью и может быть применена для решения широкого круга измерительных задач, возникающих в машиностроении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами работы являются:

1. В результате исследований установлено, что сдвиг дифракционной решетки в пространстве вызывает пропорциональный ему сдвиг фазы колебаний пучка света ненулевых дифракционных порядков, детектирование которого можно осуществить амплитудным и фазовым методами. Это позволяет использовать дифракционную решетку как индикатор отклонения от прямолинейно ста.

2. Разработана методика построения лазерных ИИС для контроля отклонений от прямолинейности, обладающих коллинеарной интерференцией дифракционных порядков с взаимно ортогональной поляризацией. На основе построенной математической модели оптических преобразований, производимых такими системами, установлена потенциальная нанометрическая разрешающая способность измерений.

3. Выявлены основные факторы, влияющие на точность измерений и разрешающую способность системы: точность геометрических размеров поляризационных элементов и дифракционной решетки. Установлено значение глубины фазовой модуляции дифракционной решетки, обеспечивающее максимальную точность измерений. Определены функциональные зависимости между значениями влияющих факторов и погрешностью измерений.

4. Предложенный в работе метод дополнительного снижения влияния рефракции позволит увеличить точность измерения отклонений от прямолинейности.

5. Выявлены основные факторы, ограничивающие длину трассы измерения отклонений от прямолинейности: точность угловых параметров поляризационных элементов и клиновидность подложки дифракционной решетки. Определены зависимости влияния этих факторов на потенциальную длину трассы измерений.

6. Установлена возможность применения разработанной ИИС для измерения комплексного отклонения от прямолинейности движения, отклонений от перпендикулярности осей, отклонений от параллельности осей, отклонения от плоскостности поверхности и угловых отклонений.

7. На основе проведенных исследований установлено, что применение методов построения измерительных систем на основе поляризационной интерферометрии, обладающих свойством коллинеарной интерференции дифракционных порядков позволяет повысить точность измерений отклонений от прямолинейности более, чем в два раза по сравнению с традиционными интерференционными средствами измерения.

Исходя из проведённого анализа и полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Анализ известных /0 -методов измерения отклонений от прямолинейности показывает, что оптические методы, в том числе и интерференционные обеспечивают наивысшую точность измерений, достигающие погрешности до 1 мкм/м.

2. Основным ограничением дальнейшего повышения точности измерения оптическими методами является наличие оптических неоднородностей, расположенных по трассе измерений.

3. Формирование коллинеарной интерференции пучков, движущихся по общей трассе, но несущие информацию о смещении дифракционной решётки, обеспечивает существенное снижение влияния оптической неоднородности среды.

4. Наиболее перспективным индикатором измерений отклонений от прямолинейности по /0-методу является дифракционная решётка, фаза света дифракционных порядков которой несет информацию о смещении поверхности по трассе измерений.

5. Схема из поляризационных элементов обеспечивает эффективное выделение и коллинеарную интерференцию дифракционных порядков, несущих информацию об измеряемой величине.

6. Гомодинное фотоэлектрическое детектирование обеспечивает амплитудное преобразование значения отклонения от прямолинейности в уровень электрического сигнала.

7. Гетеродинное акустооптическое преобразование обеспечивает преобразование значения отклонения от прямолинейности в фазу выходного электрического сигнала на высокой несущей частоте.

8. Разрешающая способность метода определяется шагом решётки и может достигать субмикронных и нанометрических значений, а использование фазовых пропускающих дифракционных решёток с определённой глубиной модуляции и профилем обеспечивает эффективное использование светового потока.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтверждают основные положения диссертационного исследования.

10. Метрологический анализ погрешностей показывает, что применение коллинеарной интерференции порядков дифракции на измерительной дифракционной решётке позволяет сократить область влияния рефракции до части пространства, расположенного между источником лазерного излучения и подвижным узлом системы.

11. Предложенный шаговый метод позволяет снизить влияние рефракции оптического излучения в атмосфере на результат измерений.

12. Предложенная методология построения лазерной измерительной системы на принципах поляризационной интерферометрии с дифракционной решёткой позволяет создавать разнообразную архитектуру измерительных систем, использующие различные типы поляризующих элементов и различное взаимное расположение измерительной дифракционной решётки.

13. Разработанная ИИС может быть использована для измерений различных отклонений формы и расположения поверхностей — отклонений от плоскостности поверхности, отклонений от перпендикулярности и параллельности осей в пространстве.