Читайте также:
|
| Полировальный порошок | Ge | Si | GaAa | JnSb | JnAs |
| ACM 3/2 АСМ I/O Cr2Os | 3,0 2,0 1,0 | 2,5 1,5 0,8 | 2,4 1.6 | 2,8 2,2 | 2,8 2,0 |
2. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
2.1 Толщина оптических деталей
В большинстве случаев допуски на толщину линз и пластин, а также на воздушные промежутки между ними составляют десятые и сотые доли миллиметра. Допуски на толщину фазовых пластин более жесткие, их значения не превышают десятых долей микрометра. Известные способы измерения толщины различаются по точности и трудоемкости.
Механический метод широко применяется в цехах для измерения толщины линз, пластин и воздушных промежутков. Он реализуется на контактных длиномерах, оптиметрах, оптикаторах и контактных интерферометрах. Эти приборы, как правило, основаны на принципе Аббе, заключающемся в том, что при точных измерениях следует располагать известную длину (например, ось шкалы) и измеряемую длину на одной оси, т. е. одну за другой или одну над другой.
Длинномеры, обеспечивающие абсолютные измерения (рис. 2.1, а), имеют два вертикально расположенных измерительных стержня: подвижный 3 и неподвижный 1. Концы стержней выполняются сферическими или в виде опорных площадок малого размера. Измеряемую деталь 2 одной из рабочих поверхностей устанавливают на нижний неподвижный стержень 1 и центрируют на нем. Критерием центрировки служит устойчивость детали. Подвижный стержень 3 опускают до соприкосновения со второй рабочей поверхностью линзы. По шкале 4, соединенной с подвижным стержнем и освещенной лампой накаливания 5, снимают первый отсчет с помощью отсчетного микроскопа 6 со спиральным окулярным микрометром. Второй отсчет снимают по той же шкале в момент, когда оба стержня соприкасаются (без измеряемой детали). Разность отсчетов равна толщине детали. Погрешность измерений без учета поправок по аттестату шкалы определяется по формуле: Δd = ± (0,0014 + d/140 000) мм, где d – измеряемая толщина в миллиметрах. Выпускаемые промышленностью вертикальные длинномеры ИЗВ-1, ИЗВ-2, ИЗВ-3 и ИЗВ-21 предназначены для измерения толщины деталей до 100 мм абсолютным способом и до 250 мм способом сравнения с концевыми мерами. Приборы ИЗВ-2 и ИЗВ-21 имеют центрировочный микроскоп, который можно использовать для бесконтактных измерений. ИЗВ-3 снабжен устройством для проекции шкалы на экран, что облегчает работу оператора.
Недостаток длинномеров заключается в том, что при установке детали на нижний стержень и ее центрировке может быть повреждено покрытие рабочей поверхности детали. Поэтому разработан прибор (см. рис. 2.1, б), в котором измеряемую деталь 2 устанавливают на опорное кольцо 7 и центрируют с помощью призмы 8 и упора 9. Стержни 1 и 3 подвижны и при измерении их вводят в легкое соприкосновение с рабочими поверхностями детали, затем стержень 3 фиксируют винтом, деталь вынимают, и нижний стержень 1 под действием пружины входит в соприкосновение с верхним. Разность отсчетов, соответствующих двум положениям нижнего стержня, равна толщине детали.
Оптиметры снабжены столом для базирования детали и высокочувствительной рычажно-оптической системой, состоящей из подвижного измерительного стержня, соединенного с зеркалом, и автоколлимационной зрительной трубы. Диапазон перемещения измерительного стержня составляет доли миллиметра, а погрешность измерений – доли микрометра. Измерение толщины на оптиметрах обычно выполняют методом сравнения с концевой мерой или эталонной деталью. Серийно выпускают вертикальный ОВО-1 и горизонтальный ОГО-1 оптиметры, снабженные окулярной системой визирования шкалы, а также вертикальные оптиметры ОВЭ-1 и ОВЭ-02 с проекционным экраном. Диапазон перемещения измерительного стержня оптиметров ОВО-1, ОГО-1 и ОВЭ-1 составляет ±0,1 мм, вариации показаний по шкале – не более
0,1 мкм. Оптиметр ОВЭ-02 предназначен для измерений в пределах ±25 мкм, вариации показаний по шкале – 0,02 мкм.
Оптический метод. С помощью этого метода измеряют толщину без прикосновения мерительного инструмента к рабочим поверхностям детали. Рассмотрим автоколлимационный и поляризационный способы.
Автоколлимационный способ измерений выполняется с помощью оптического толщиномера, бесконтактного оптического микрометра и микроскопа. В процессе измерений световые пучки, выполняющие роль измерительного наконечника, фокусируют на рабочие поверхности детали. Погрешность измерения существенно зависит от числовой апертуры объектива измерительного прибора, поскольку значение апертуры влияет на чувствительность продольной наводки.
Оптический толщиномер (рис. 2.2) состоит из двух автоколлимационных микроскопов М1 и М2, установленных навстречу один к другому, и предметного столика 4. Микроскоп М2 неподвижен, микроскоп М1 может перемещаться в вертикальном направлении и снабжен стрелочным индикаторным устройством для отсчета значения перемещения.
Перед началом измерений микроскоп М1 устанавливают таким образом, чтобы предметные плоскости обоих микроскопов и их оси были совмещены. В этом случае изображения перекрестий сеток 1 и 5, а также 2 и 6 будут совмещены и видны одинаково резко. В этом положении микроскопа М1 по шкале индикатора снимают первый отсчет. После этого измеряемую деталь 3 устанавливают на
столик 4, перемещением которого добиваются резкого автоколлимационного изображения перекрестия сетки 6 в плоскости сетки 5 микроскопа М2. Перемещая микроскоп М1 в направлении от детали, добиваются резкого изображения перекрестия сетки 6, после чего по шкале индикатора снимают второй отсчет. Разность отсчетов равна толщине детали. Погрешность измерений составляет ±0,02 – 0,03 мм. Если поверхности детали шлифованные, то в микроскопы М1 и М2 наблюдают изображения самих поверхностей.
С помощью обычного или автоколлимационного микроскопов, снабженных устройством для точного отсчета продольных перемещений, можно измерять толщину пластин, линз и воздушных промежутков путем последовательной фокусировки микроскопа на оптические поверхности, расстояние между которыми нужно измерить.
При измерении толщины плоскопараллельной пластины 2 (рис. 2.3, а) микроскоп 1 фокусируют на поверхности Р1 и Р2, причем при фокусировании на Р2 предметную точку микроскопа совмещают с точкой В' – изображением точки В. Толщину пластины 2 определяют по формуле d = nz, где n – показатель преломления пластины, z – значение перемещения микроскопа вдоль шкалы 3.
Измерение толщины d линзы 2 (см. рис. 2.3, б) выполняют аналогичным способом с последующим вычислением по формуле
где r – радиус кривизны поверхности Р1.
Толщину воздушного промежутка (см. рис. 2.3, в) измеряют путем фокусирования микроскопа 1 на поверхности Р1 и Р2, принадлежащие двум соседним линзам 2.
Очевидным недостатком автоколлимационного способа является необходимость предварительного точного измерения конструктивных параметров, входящих в расчетные формулы.
2.2. Измерение децентрировки
и контроль центрировки линзовых систем
Децентрировкой линзы со сферическими поверхностями называется несовпадение оптической оси линзы с геометрической осью ее посадочной цилиндрической поверхности. У асферической линзы каждая из поверхностей имеет собственную оптическую ось, при децентрировке эти оси не совпадают. Поэтому для асферической линзы необходимо рассматривать децентрировку каждой поверхности относительно геометрической оси. Децентрированная линза обладает разнотолщинностью Δd по краю и клиновидностью, поэтому может быть представлена как совокупность центрированной линзы и клина с углом
θ = Δd/D, где D – диаметр линзы.
Механический метод. Этот метод применяется при измерении децентрировки и при склейке линз диаметром 150 – 200 мм со сферическими и асферическими поверхностями. Здесь используется индикаторный контактный косинометр, в котором измеряют толщину d1 и d2 диаметрально противоположных краев линзы или склеенной системы по нескольким сечениям и вычисляют разнотолщинность: Δd = d1 – d2.
Оптический метод. В процессе измерения важную роль играет способ базирования линзы. Наиболее употребительно базирование с помощью устройства в виде опорного фторопластового кольца, призмы и бокового упора (см. рис. 2.1, б). При таком базировании нижняя поверхность линзы центрирована относительно оси прибора, а измеренная децентрировка приписывается верхней поверхности по отношению к нижней. На результат измерений влияет децентрировка нижней базирующей поверхности и овальность сечения цилиндрической поверхности. Измерения практически сводятся к определению «биения» изображения, построенного децентрированной линзой при ее вращении вокруг оси прибора. Иногда для базирования используют высокоточный трехкулачковый патрон, в котором геометрическая ось линзы совмещена с осью патрона с помощью базирования по ее цилиндрической поверхности.
При контроле центрировки серийных линз на измерительную сетку прибора наносят поле допуска, рассчитанное заранее для линзы с определенными конструктивными параметрами. Тогда годность линз по центрировке определяется быстро и надежно. Коллимационный способ реализуют на приборе (рис. 2.4), состоящем из лампы 1 с матовым стеклом 2, объектива 4 коллиматора, в фокальной плоскости которого расположена сетка 3, окуляра 10 с сеткой 8 и базирующего устройства 5, 6 для измеряемых линз 7. Зеркало 9 служит для излома оптической оси. Для увеличения чувствительности способа окуляр заменяют микроскопом. Прибор используют для измерения децентрировки положительных и отрицательных
линз диаметром 70–150 мм, а также при центрировке линз в процессе склейки или сборки в оправы.
Измеряемая положительная линза совместно с объективом коллиматора формирует в задней фокальной плоскости изображение А' точки А, совпадающей с центром перекрестия сетки 3. Окуляр наводят на резкое видение А'. Если измеряемая линза центрирована, то при ее вращении точка А' неподвижна. При вращении децентрированной линзы точка А' описывает в ее фокальной плоскости окружность.
Измерение децентрировки отрицательных линз осуществляют совместно с центрированной положительной компенсационной линзой, при этом двухлинзовая система в целом положительна и исправлена на сферическую аберрацию. При центрировке линз в процессе склейки обеспечивают точную центрировку базовой линзы и ее соосность оси центрировочного патрона
2.3. Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей
Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей и проверка их формы – важная и обязательная контрольная операция при изготовлении оптических деталей. Отклонение поверхностей от заданной кривизны приводит к нарушению конструктивных характеристик оптических систем и ухудшению качества изображения. В технологическом процессе необходимо контролировать как шлифованные, так и полированные поверхности. Шлифованные поверхности контролируют чаще всего методом притирки их к чашке или грибу. Иногда используют плоские шаблоны.
Контролировать такими методами полированные поверхности невозможно без их повреждения.
В настоящее время в практике цехов и лабораторий чаще всего используются следующие методы измерения радиусов кривизны полированных поверхностей: при радиусе кривизны от 37,5 мм до 750 мм – на кольцевом сферометре ИЗС-7, при радиусе кривизны от 750 мм до 5000 мм – методом автоколлимации из центра кривизны, свыше 5000 мм – методом колец Ньютона, очень большие радиусы кривизны, образовавшиеся в результате отступления от плоскости, измеряют, как правило, методом автоколлимации.
Допуски на отклонение радиусов кривизны сферических поверхностей обычно составляют доли процента номинальных значений радиусов. При обработке сферических поверхностей основным цеховым инструментом для контроля радиусов кривизны служит рабочее пробное стекло. Для измерения радиусов кривизны поверхностей готовых изделий используют различные приборы, применяемые при механическом и оптическом методах.
Механический метод. Для измерений этим методом используют радиусные шаблоны и сферометры.
Радиусные шаблоны используют для контроля радиусов в процессе шлифования. Их изготовляют из латуни или стали парами: шаблон и контршаблон. Радиусы шаблонов соответствуют восьмому квалитету точности. Шаблон накладывают на проверяемую поверхность и наблюдают просвет между поверхностями детали и шаблона. Отклонение контролируемого радиуса от эталонного r в зависимости от толщины d просвета определяют по выражению
где ℓ – длина хорды, на которой наблюдается просвет.
Так как опытный наблюдатель видит просвет толщиной 2 мкм, то надежно обнаруживаемое отклонение, выраженное в микрометрах,
Сферометры позволяют измерять стрелку прогиба шарового сегмента поверхности контактным способом. Основное преимущество сферометров – высокая точность и стабильность измерений. В соответствии с ГОСТ 11194 – 76 сферометры изготовляют двух типов: CСO – стационарные с оптическим отсчетным устройством и СHО – накладные с оптическим отсчетным устройством. ССО предназначены для измерения радиусов поверхностей в диапазоне 10 – 1000 мм на деталях диаметром 20 – 130 мм; СНО – в диапазоне 80 – 40 000 мм деталей диаметром не менее 120 мм.
К основным элементам сферометра (рис. 2.5) относятся комплект опорных колец с тремя стальными шариками 1, измерительный стержень 2 со шкалой 3, подсвеченной лампой 4, и отсчетный микроскоп 5. К сферометру прилагается стеклянная пластина, рабочая поверхность 6 которой выполнена плоской с точностью 0,1 – 0,25 интерференционного кольца.
Радиус на сферометре ССО измеряют следующим образом. Из набора опорных колец выбирают кольцо, диаметр которого на 5 – 10 мм меньше диаметра детали, и устанавливают его на сферометр. Деталь базируют на шарики опорного кольца и вводят измерительный стержень в соприкосновение с измеряемой поверхностью 7, при этом по шкале снимают отсчет а1. Затем на место детали устанавливают пластину, вводят стержень в соприкосновение с ее плоской поверхностью и снимают отсчет а2. Разность отсчетов а1 – а2 = h, где h – стрелка прогиба поверхности.
Из геометрических соотношений (см. рис. 2.5) следует, что искомый радиус
где rк – радиус кольца и ρ – радиус шарика – величины высокой точности, так как являются константами прибора. Знаки «+» и «–» в формуле соответствуют вогнутой и выпуклой поверхностям.
Оптический метод. Измерение и контроль радиусов кривизны выполняют интерференционным и автоколлимационным способами. Интерференционный способ обеспечивает высокую точность измерений, но является контактным. При автоколлимационном способе точность измерений ниже, однако деталь не контактирует с измерительным инструментом.
Автоколлимационный способ осуществляется с помощью автоколлимационных микроскопов и зрительных труб. Автоколлимационный микроскоп используют в основном для измерения малых радиусов кривизны вогнутых и выпуклых поверхностей (рис.2.6). Измеряемую деталь 1 устанавливают в приспособление, обеспечивающее ее про дольное перемещение с отсчетом по шкале 2. Иногда деталь устанавливают неподвижно, а микроскоп 3 перемещают. Погрешность отсчета перемещения детали не ниже 0,001 мм, а длина перемещения должна быть не меньше значения измеряемого радиуса.
 |
В процессе измерений микроскоп последовательно фокусируют на измеряемую поверхность и в центр ее кривизны (рис. 2.6, а, точка С). В обоих случаях наблюдают резкое автоколлимационное изображение перекрестия. Разность отсчетов двух положений детали (или микроскопа) равна измеряемому радиусу кривизны r. Максимальный радиус измеряемой выпуклой поверхности не должен превышать 27 мм, так как он не может быть больше рабочего расстояния микрообъектива. Диапазон, измеряемых радиусов вогнутых поверхностей органичен лишь диапазоном перемещения детали или микроскопа. Используя ИЗМ-13, можно обеспечить перемещение r ≤ 6000 мм, причем погрешность измерения Δz, выраженная в миллиметрах, для всех измерительных машин определяется выражением
Так как z = r, то погрешность измерения радиуса ввиду неточности шкалы, выраженную в микрометрах, определяют по формуле
где r – измеряемый радиус кривизны, мм.
Точность фокусирования микроскопа на поверхность детали и в центр кривизны зависит от чувствительности продольной наводки, т. е. от действующей числовой апертуры рабочего пучка лучей: sinσ=D/(2r), где D – диаметр измеряемой детали. В целях повышения чувствительности наводки выбирают микрообъектив с апертурой, близкой к вычисленному значению.
Тогда погрешность вследствие неточности продольной наводки, выполняемой дважды, мкм,
Суммарную погрешность измерения радиуса определяют выражением
где числовые значения r и D выражены в мм, a dr – в мкм.
Все эти методы имеют ряд существенных недостатков, заключающихся в том, что при использовании кольцевого сферометра и пробных стекол предусматривается контакт с контролируемой поверхностью, что часто вызывает повреждение последней. Интерферометрический метод дает хорошие результаты, но требует сложной аппаратуры и исключения влияния на интерферометр тряски и вибраций, что очень сложно обеспечить в цеховых условиях.
В связи с этим имеется настоятельная необходимость в разработке новых бесконтактных методов измерения радиусов кривизны сферических полированных поверхностей, основанных на современной элементной базе. В качестве современных функциональных устройств, которые успешно используются при решении аналогичных задач, можно назвать позиционно-чувствительные фотоприемники (квадрантные фотодиоды), координатно-чувствительные приемники типа линеек фотодиодов или линеек на ПЗС структурах, датчики линейных перемещений на круговых или линейных растровых шкалах.
2.4. Измерение средних и больших радиусов кривизны полированных поверхностей
Для измерения радиусов кривизны сферических полированных поверхностей возможен вариант установок с использованием позиционно- чувствительных фотоприемников. Один из вариантов установки представлен на рис. 2.7.
В данном случае свет от источника света 1 проходит конденсор 2 и параллельным пучком равномерно освещает щель 3, установленную в передней фокальной плоскости объектива 4 коллиматора. Объектив коллиматора формирует широкий пучок параллельных лучей. Щели непрозрачного экрана 5, расположенные параллельно щели коллиматора и перпендикулярно плоскости чертежа, вырезают из широкого пучка два узких пучка лучей, симметричных оптической оси объектива.
Расстояние между пучками равно 2 r. Узкие пучки лучей падают на зоны контролируемой сферической поверхности и отражаются, согласно правилам геометрической оптики, под углом 2α, где α – угол падения пучка на контролируемую поверхность относительно нормали к поверхности в точке падения пучка лучей. Нормалью в данном случае является радиус кривизны поверхности. Если известно расстояние r и угол α, то по формуле R=r/sin α легко найти радиус кривизны поверхности. Так как нам известно расстояние r, то необходимо измерить только угол α.
Для этого контролируемый компонент располагается на столике 6, который может перемещаться вдоль оптической оси системы. Перемещение осуществляется при помощи электродвигателя 13. Величина перемещения измеряется при помощи датчика линейных перемещений 12. В отраженном ходе лучей устанавливается два позиционно-чувствительных фотоприемника 7 и 8, расстояние между разделительными гранями которых равно k.
Электродвигатель 13 непрерывно перемещает столик вдоль оптической оси, а датчик линейных перемещений непрерывно выдает информацию о величине перемещения столика в блок обработки информации
(арифметическое цифровое пересчетное устройство) 11. В результате этого в плоскости установки фотоприемников следы узких пучков лучей смещаются в горизонтальном направлении. При совмещении энергетического центра узкого пучка лучей с линией раздела фотоприемника 7 в блоке обработки информации фиксируется отсчет с датчика линейных перемещений. Затем след узкого пучка лучей смещается дальше, и в момент, когда энергетический центр его совпадает с линией раздела фотоприемника 8, в блоке обработки информации фиксируется второй отсчет с датчика линейных перемещений. Разность этих отсчетов l равна величине перемещения столика, что соответствуюет перемещению следа узкого пучка лучей с одного фотоприемника на второй.
Из рис. 2.7 видно, что tg 2 α = k/l, откуда
.
Все вычисления производятся в блоке обработки информации по заданной программе, куда в качестве постоянных параметров вводятся значения r и k.
Как известно, отцентрировать контролируемую сферическую поверхность относительно оси коллиматора возможно с какой-то конечной точностью, т. е. контролируемая сферическая поверхность будет всегда децентрирована относительно оптической оси коллиматора. Вследствие этого будет вводиться погрешность в измерение угла α, а следовательно, и в измеренное значение радиуса кривизны R.
Для устранения этой погрешности диаметрально противоположно приемникам 7 и 8 установлено два позиционно-чувствительных фотоприемника 9 и 10, расстояние между разделительными линиями которых также равно k. В результате этого в блоке обработки информации 11 фиксируется две пары отсчетов с датчика линейных перемещений и вычисляется два радиуса кривизны контролируемой поверхности, а затем его среднее значение.
Результаты измерений могут выводится на цифровое табло блока индикации 14 или ленту цифропечатающего устройства 15.
Время измерения фактически зависит только от времени перемещения столика из одного положения во второе и с учетом подготовительных операций составит 12 мин.
2.5. Определение фокусных расстояний оптических элементов
В настоящее время в практике физических и цеховых лабораторий приборостроительных предприятий оптического профиля используются, в основном классические, хорошо известные методы определения фокусных расстояний оптических элементов. При этом следует отметить, что не все методы дают возможность измерения непосредственно фокусных расстояний. Чаще всего измеряются вершинные отрезки, так как на используемых для измерений приборах затруднительно, а зачастую просто невозможно определить положение задней главной плоскости, а подавляющее большинство приборов построено на методе непосредственных измерений, т. е. измерений отрезка от задней главной точки контролируемого оптического элемента до точки заднего фокуса.
Наиболее широко в настоящее время используется метод увеличения, автоколлимационный метод, метод угловых измерений и коинцидентный метод.
2.5.1. Измерение фокусных отрезков
Фокусные отрезки линз измеряют с помощью оптической скамьи, схема которой приведена на рис. 2.8. Она состоит из коллиматора 1.микроскопа 3 со стойкой и направляющей 4 со шкалой. В фокальной плоскости коллиматора помещена шкала или мира. Проверяемая линза 2 размещается непосредственно за объективом коллиматора на соответствующей подставке. Изображение шкалы (миры) образуется точно в фокальной плоскости линзы 2, проведенной через ее фокус F. Измерение фокусного отрезка сводится к последовательному наведению микроскопа 3 на указанное изображение и на вторую по ходу лучей поверхность линзы. В обоих положениях микроскопа снимают отсчеты по шкале. Разность отсчетов определяет длину измеряемого фокусного отрезка. Для уверенной фокусировки на поверхности линзы мазком наносят немного ликоподия, пудры или мела.
При измерении фокусных отрезков отрицательных линз на короткофокусный объектив микроскопа надевают насадку с длиннофокусной линзой
. В этом случае наведение на фокус проверяемой линзы осуществляется через саму линзу. Погрешность измерения отрезка редко бывает меньше 1 %.
Наиболее перспективными с точки зрения их дальнейшего усовершенствования и использования в качестве базовых являются метод Аббе и метод Юдина – Фабри.
2.5.2. Усовершенствованный метод Юдина – Фабри.
В ряде работ рассматривается возможность усовершенствования метода Юдина – Фабри на современной элементной базе. В качестве современных функциональных устройств, которые можно использовать, это координатно-чувствительные приемники или линейки на ПЗС структурах.
Метод основан на определении расстояния между следами узких пучков лучей, построенных в задней фокальной плоскости вспомогательного объектива, установленного в сходящемся пучке лучей за контролируемым объективом.
Наиболее простым вариантом усовершенствования установки по методу Юдина – Фабри является отказ от использования глаза наблюдателя и переход на объективные фотоэлектрические методы определения положения следов узких пучков лучей. Схема установки представлена на рис. 2.9.
Источник света 1 при помощи конденсора 2 освещает равномерно параллельным пучком щель 3, установленную в передней фокальной плоскости объектива 4 коллиматора. Объектив коллиматора формирует широкий пучок параллельных лучей, из которого щели непрозрачного экрана 5 вырезают два узких пучка лучей. Расстояние между центрами щелей примем равным «а». При отсутствии контролируемого компонента 6 вспомогательный объектив 7 построит изображение щели коллиматора в своей задней фокальной плоскости. При установке в ход лучей контролируемого компонента 6 узкие пучки лучей наклонятся по отношению к первоначальному положению на угол α, определяемый расстоянием а и фокусным расстоянием проверяемого компонента. Таким образом, задача сводится к определению угла α.
 |
, а 
,
Следовательно, f’=a·f’об/d,
где f ' – фокусное расстояние контролируемого компонента;
f 'об – фокусное расстояние вспомогательного объектива.
В классической установке Фабри – Юдина расстояние d определяется при помощи винтового окулярного микрометра, что дает субъективные результаты невысокой точности. Для повышения точности измерения и получения объективных результатов в фокальной плоскости вспомогательного объектива устанавливается позиционно-чувствительный фотоприемник 8, представляющий собой линейку фотодиодов или линейку ПЗС приемников.
Для анализа точностных характеристик прологарифмируем и продифференцируем формулу f’=a·f’об/d:
,
где относительные ошибки измерения:
Δ d / d –отрезка d;
Δ а / а –расстояния а;
Δ f 'oб/ f 'oб –фокусного расстояния вспомогательного объектива.
При Δ а = 0,002 мм; а = 50 мм; Δ d = 0,002 мм; d = 15 мм получим
Δ a / a = 0.002/50 =0.004 %; Δ d/d =0,002/15=0,013 %.
Фокусное расстояние вспомогательного объектива можно измерить с относительной ошибкой Δ f’об/f’об= 0,1 %. Тогда предельная относительная ошибка измерения фокусного расстояния составит Δ f’/f’ =0,004+0,013+0,1=0,117 %, что вполне приемлемо для большинства серийных объективов, для которых в настоящее время задается погрешность фокусного расстояния 1%.
Из анализа формулы видно, что для получения минимальной погрешности необходимы большие отрезки а и очень тщательное определение фокусного расстояния вспомогательного объектива.
При реализации такого устройства необходимо иметь коллиматор с объективом высокой коррекции аберраций, особенно сферической, так как объектив работает двумя зонами (примерно 0,7 радиуса объектива), и поэтому сферическая аберрация будет непосредственно вносить погрешность в результаты измерений фокусного расстояния контролируемого компонента.
Кстати, данным недостатком обладают практически все методы измерения фокусных расстояний, применяемые в настоящее время на практике.
Кроме того, при использовании такой схемы требуется сравнительно большое фокусное расстояние объектива коллиматора и большой его диаметр. Это обусловлено тем, что при относительно большом отверстии и малом фокусном расстоянии усложняется коррекция аберраций. С другой стороны, идея заключается в предположении, что выделенные щелями непрозрачного экрана узкие пучки лучей должны быть строго параллельными. Непараллельность этих пучков можно интерпретировать как дополнительную фокусность, т.е. непосредственную погрешность в измерении фокусного расстояния контролируемого компонента.
Для исключения влияния рассмотренных выше факторов (аберраций и непараллельности узких пучков лучей) целесообразно, чтобы объектив коллиматора работал узким осевым пучком, а разведение пучка лучей на два узких пучка с заданным расстоянием между ними производилось при помощи системы призм.
Одним из вариантов может служить схема установки, представленная на рис. 2.10. В данном случае источник света 1 через конденсор 2 освещает узкую щель 3, установленную в передней фокальной плоскости объектива
коллиматора 4. Диафрагма непрозрачного экрана 5, установленная на оси объектива, вырезает из широкого пучка узкий пучок параллельных лучей. Пучок попадает на блок призм, состоящий из ромб-призмы 6 и приклеенной к ней прямоугольной призмы 7. Гипотенузная грань склейки имеет полупрозрачное покрытие, делящее пучок на два пучка. Дальнейшее устройство установки аналогично показанному на рис. 2.9.
В результате введения в схему ромбической призмы (рис. 2.10) при такой же схеме резко упрощается коллиматор.
2.6. Приборы для одновременного определения размеров, формы и текстуры оптической поверхности
 |
2.6.1. Измерение элементов поверхностей
Три элемента поверхности – размер, форма и текстура неразделимы при функционировании детали. Поэтому измерение одного элемента безотносительно другого может ввести в заблуждение и привести к неправильным выводам.
Что такое размер, форма?Это размеры (радиусы, расстояния, углы), которые используют для определения функциональной формы поверхности. Многие объекты, такие как шары подшипников, линзы, имеют явно выраженную форму, в то же время ряд деталей имеет номинально плоские функциональные поверхности. Параметры формы (радиусы и углы), а также линейные расстояния могут быть оценены при помощи мощного программного обеспечения.
Что такое отклонение от формы? Это отклонение от номинальной, заданной чертежом формы поверхности при исключении отклонений, определенных как волнистость и шероховатость. Все объекты имеют отклонения от номинальной формы, которые обусловливаются рядом факторов:
• во время обработки деталь зажата слишком сильно либо недостаточно сильно,
· погрешности направляющих обрабатывающих станков,
· прогиб детали под собственным весом,
· термопроцессы при обработке детали,
· другие факторы.
Отклонения от номинальной формы влияют на функциональные свойства и долговечность деталей.
Что такое волнистость? Типичные отклонения, которые почти всегда возникают в процессе обработки деталей. Это периодически проявляющиеся неровности, имеющие шаги гораздо большие по сравнению с шероховатостью. Причиной появления волнистости также может быть несовершенство обрабатывающего оборудования. Для уменьшения этой составляющей отклонения профиля рекомендуется уменьшать
· вибрации, вызванные недостаточной плавностью подачи и проблемами балансировки.
· отклонения от траектории перемещения инструмента, связанные с асимметрией сил резания.
 |
Что такое шероховатость?Это результат воздействия на поверхность режущего инструмента либо иного процесса обработки. Функциональное назначение детали – скольжение, уплотнение, вращение и т. д. определяет требования к шероховатости поверхности. Последующие технологические операции по обработке детали, такие как покраска, напыление, химическое покрытие, также могут являться факторами, определяющими требования к шероховатости.
Геометрия режущего инструмента в сочетании с режимами обработки (подача, глубина и скорость резания) влияют на соответствующие параметры шероховатости:
• амплитудные – расстояния по вертикали между выступами и впадинами;
• шаговые – расстояния по горизонтали между выступами и впадинами;
• углы, характеризуюие «остроту» отдельных выступов и впадин.
Калибровка систем. Элементы текстуры поверхности составляют одно целое, каждый узел измерительного прибора разрабатывается для выполнения определенной функции, и в сочетании с другими узлами они составляют измерительную систему.
Калибровка системыпроводится на специальном устройстве приведенном на рис. 2.13.
Процедура калибровки. Как у большинства приборов такого типа, щуп прибора при проведении измерений перемещается по дуге. Фирмой Тейлор Хобсон (Англия) был впервые использован метод линеаризации характеристики преобразователя при подобном перемещении щупа. Этот метод предусматривает применение полиномиального разложения к результатам, полученным с преобразователя. Погрешность проведения калибровки напрямую сказывается на точности измерений радиусов, формы и текстуры поверхности. Коэффициенты полиномиального ряда определяются путем проведения калибровки измерения прецизионной сферы с аттестованным радиусом. Этот метод калибровки запатентован фирмой Тейлор Хобсон. Что касается наконечника щупа, то во многих измерительных системах размер, форма и состояние щупа считаются неизменными в процессе его использования. На практике наконечник щупа имеет допуск на изготовление, износ, также возможно появление сколов и дефектов. Эти отклонения легко выявляются при проведении калибровки (измерении калибровочной сферы).
Все мотоприводы приборов серии Форм Талисурф имеют программируемый режим управления и позволяют проводить определение размеров, формы и текстуры поверхности (рис. 2.14).
 |
Основание и колонна из искусственного гранита (рис. 2.15) обеспечивают хорошую термостабильность и виброзащиту. Т-образные пазы в основании позволяют устанавливать крепежные приспособления. Стальная рама (112/3101) предназначена для надежной установки основания и колонны системы и в сочетании с четырьмя пневматическими изолирующими подложками (112/3110)позволяет значительно снизить влияние внешних шумов в цеховых условиях.
Рис. 2.15. Колонна из искусственного гранита для измерительной станции
.7 Измерение и контроль углов призм, клиньев и клиновидности пластин
В оптических приборах широко используют отражательные и преломляющие призмы, оптические клинья и многогранники. Все эти детали образованы плоскими преломляющими и отражающими поверхностями, расположенными под различными углами одна к другой. Ребра между рабочими гранями призм, разворачивающихся в плоскопараллельные пластины, должны быть параллельны между собой, их непараллельность приводит к пирамидальности призмы. На чертежах призм задают предельные отклонения углов Δθ, предельную разность одинаковых углов δ и допустимую пирамидальность π, причем указанные отклонения обычно составляют несколько угловых секунд или минут. При контроле призм и клиньев измеряют не только углы между их гранями, но и углы отклонения лучей, прошедших через эти детали.
На рабочих чертежах плоскопараллельных пластин задают допуск на клиновидность θ, который определяет допустимую непараллельность между рабочими гранями пластины. Неточно изготовленная пластина практически является клином с малым преломляющим углом θ. Поэтому способы контроля пластин могут быть идентичны способам контроля оптических клиньев.
Механический метод. Для измерения углов на стадии шлифования призм в основном применяют контактные инструменты: регулируемый угольник, механический и оптический угломеры, длинномер, косиномер.
Регулируемый угольник и угломеры снабжены двумя металлическими линейками, одна из которых неподвижна и выполняет роль основания, а другая вращается. Угольник не имеет шкалы, поэтому определенный угол между линейками устанавливают по оптическим угольникам, которые обычно имеют углы 30, 45, 60 и 90°, выполненные с допуском 10 – 30". Угол детали сравнивается с установленным углом между линейками угольника. Погрешность в оценке отклонения угла зависит от длины грани детали и составляет 1 – 5'.Угломеры имеют шкалу, по которой отсчитывают поворот подвижной линейки. В механическом угломере есть неподвижная шкала и нониус, соединенный с подвижной линейкой. Оптический угломер УО-2 снабжен лимбом и лупой, через которую снимают отсчет поворота линейки. Для измерения угла деталь одной из граней устанавливают на неподвижную линейку, а подвижную линейку совмещают с другой гранью. Угломеры обеспечивают измерения с точностью 2,5' в диапазоне углов 0 – 180°.
 |
Коллимационный способ измерения углов призм реализуют на гониометре по схемам, приведенным на рис. 2.16. По схеме, приведенной на рис. 2.16, а, призму 1 базируют на неподвижном столе 2 гониометра так, чтобы ребро измеряемого угла θ разделяло приблизительно пополам пучок лучей, выходящий из коллиматора3. Затем зрительную трубу 4 последовательно устанавливают так, чтобы изображение А' щели коллиматора А, построенное при отражении лучей от рабочих граней призмы, совместилось с вертикальным штрихом сетки зрительной трубы.
Угол θ = (а 1 – а 2)/2, где а 1 и а 2 – отсчеты по лимбу гониометра.
По схеме, приведенной на рис. 2.16, б, зрительную трубу 4 устанавливают так, чтобы ее оптическая ось составляла минимально возможный угол φ с осью коллиматора 3, и закрепляют неподвижно. Призму 1 базируют на вращающемся столе 2 и поворотом столика с призмой последовательно добиваются совмещения изображения щели коллиматора с вертикальным штрихом сетки зрительной трубы. Угол θ = 180° – (а1 – а2), где a1 и а2 – отсчеты по лимбу гониометра.
Погрешность угловых измерений определяется маркой выбранного гониометра и при использовании высокоточного гониометра ГС-Ш не
превышает 1". Кроме того, неперпендикулярность рабочих граней призмы плоскости стола вносит погрешность в измерения.
Пирамидальность призм измеряют на гониометре (см. рис. 2.16, в), в коллиматоре 3 которого вместо щели установлен автоколлимационный окуляр. Зрительная труба 4 снабжена окулярным микрометром, измерительную шкалу которого располагают вертикально. Призму 1 помещают на вращающийся стол 2 так, чтобы одно из ребер призмы было параллельно оси вращения стола. Коллиматор и зрительную трубу устанавливают под углом 90°. Поворачивая стол с призмой вокруг вертикальной оси, последовательно добиваются таких положений рабочих граней призмы, при которых изображения А' центра перекрестия А, полученные при отражении от этих граней, совпадут с вертикальным штрихом сетки окулярного микрометра (на рис. 2.16, в справа показаны перекрестие и шкала). Если призма пирамидальна, то эти изображения будут находиться на разной высоте. Совместив горизонтальный штрих сетки окулярного микрометра с центром каждого изображения, снимают отсчеты а 1
и а 2. Разность отсчетов а 1 – а 2 = γ, где γ – угол отклонения лучей вследствие пирамидальности. Угол пирамидальности π связан с углом γ зависимостью 
Погрешность измерения пирамидальности зависит от погрешности установки угла 90° и погрешности отсчета угла γ по шкале окулярного микрометра. При использовании гониометра ГС-1М и окулярного микрометра, цена деления которого в угловой мере составляет 1", погрешность измерения пирамидальности – не более 1,2".
Обычно призмы и оптические клинья предназначаются для отклонения проходящего через них пучка на заданный угол. Поэтому при аттестации таких деталей замеряют угол отклонения ω. Большие углы отклонения измеряют на гониометре, а малые (до 1°) можно замерить на оптической скамье.
Измерение и контроль углов отклонения отражательных призм на гониометре выполняют по схеме, приведенной на рис. 2.17, а. Сначала совмещают оптическую ось зрительной трубы 4, снабженной автоколлимационным окуляром, с осью коллиматора 1 и по лимбу снимают отсчет а 1. Затем на стол 2 гониометра устанавливают измеряемую призму 3 так, чтобы ее выходная грань была перпендикулярна к оси зрительной трубы (проверка по автоколлимации лучей от этой грани).
После этого вращают стол и зрительную трубу как единое целое, разворачивая их до совмещения вертикального штриха перекрестия трубы с изображением щели коллиматора. По лимбу снимают отсчет а 2. Угол отклонения ω = а 1 – а 2. 
Если призма имеет нечетное число отражающих граней, то неперпендикулярность ее к выходной грани оси зрительной трубы существенно влияет на результат измерений. При четном числе отражающих граней погрешность установки призмы мало влияет на результат измерений, так как угол отклонения равен удвоенному углу между отражающими гранями и не зависит от угла входа лучей в призму. Погрешность разности отсчетов угловых положений зрительной трубы зависит от марки гониометра.
Углы отклонения клиньев измеряют на гониометре аналогичным способом. Клин (см. рис. 2.17, б) устанавливают на стол гониометра так, чтобы его входная грань была перпендикулярна к оси коллиматора. Так как угол отклонения клина зависит от длины волны используемого света, щель коллиматоры освещают монохроматическим светом.
2.8. Автоколлиматоры
2.8.1. Визуальные и фотоэлектрические автоколлиматоры
Конструкция унифицированных автоколлиматоров. Конструктивно автоколлиматоры могут быть самыми разнообразными. В настоящее время промышленностью освоен серийный выпуск унифицированных автоколлиматоров АК-0.2У, АХ-0,5У, АК-1У, предназначенных для визуального измерения углов, непрямолинейности направляющих, а также для определения взаимного углового положения осей и плоскостей изделий в пространстве.
Автоколлиматоры имеют двухкоординатную окулярную головку, что позволяет одновременно производить измерения в двух плоскостях без дополнительной настройки. В сочетании с многогранной призмой могут быть
использованы для проверки угломерные приборы типа оптических Таблица 2.1
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 336 | Нарушение авторских прав