CC BY
15
УДК 681.2.084
Е. в. лЕУн
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
вопросы построения многоканальных гибридных 3D измерительных головок для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий
Статья посвящена вопросам построения многоканальных гибридных 3D измерительных головок (ИГ) для контактных и бесконтактных координатных измерений на координатных измерительных машинах (КИМ). В такой головке внутри полого рубинового сферического наконечника радиусом гн размещен многоканальный волоконно-оптический преобразователь (ВОП), состоящий из п волоконных каналов с одним центральным и набором из q окружающих его рядов световодов с суммарной угловой апертурой ±п/2. Проведен анализ работы ИГ в режиме контактных измерений, осуществляемых традиционно за счет механического контактирования рубинового наконечника с поверхностью изделия и работы ИГ при бесконтактных измерениях волоконными каналами за счет их переключения.
Рассмотрены конструктивные вопросы создания двух вариантов ВОП: т.н. «грибовидного», выпуклого и чашевидного, вогнутого.
Ключевые слова: координатная измерительная машина, координатные измерения, измерительная головка, головка касания, волоконно-оптический преобразователь, микролинза, низкокогерентный интерферометр.
введение. Повышение точности и функциональных возможностей измерительных головок (ИГ) для координатных измерений размеров изделий сложной формы на координатно-измерительных машинах (КИМ) является актуальной задачей для ракетно-космических отрасли, а также машино-, станко- и приборостроения.
Работы [1, 2] посвящены вопросам создания и исследования бесконтактных одноканальных ИГ и гибридной 3Б измерительной головки на её основе [3] с формированием пространственно-чувствительной полусферы. Существенным ограничением такого направления являются большая диаграмма направленности (угловая апертура) излучения и приема света, равная ±п/2 и, соответственно, малые уровень полезного сигнала и соотношение сигнал/шум, обусловливающие необходимость повышения мощности источника излучения до сотен мВт [3]. Альтернативное направление может быть связано с развитием многоканальных ИГ, вопросам построения которых посвящена данная статья.
1. Конструкция многоканальной гибридной 3D измерительной головки и принцип её работы. Многоканальная гибридная 3Б измерительная головка является механическим устройством, реализующим возможности контактной ИГ и встроенного многоканального ВОП с полусферической угловой апертурой и возможностями бесконтактной ИГ. Они осуществляют два разных принципа действия, описание каждого из которых представлено далее.
1.1. Измерения размеров изделий в режиме контактной ИГ.
Проведение контактных измерений данной измерительной головкой во многом подобны одноименному процессу для одноканальной ИГ [3]. В процессе этого используется механическая конструкция ИГ (рис. 1), состоящая из электромеханического формирователя сигнала 1, измерительного стержня 2 со сферическим рубиновым наконечником 3 радиусом гн.
При подведении рубинового наконечника 3 к поверхности изделия 4, в момент касания с ней формирователем сигнала 1 формируется триггер-ный выходной сигнал Uвыx ~ 1(г—гн) для измерения и оцифровывания точки касания по трем координатам КИМ: х 1у, и ^. Весь процесс измерений состоит из последовательности подобных измерений с формированием набора оцифрованных точек: (1х1; l.; l.), С о; l о; l о) — С ; l ; l ), с помощью которых
у1' > х2' у2 z2' > хп' уп т'' 1 1
оцениваются отклонения от заданных размеров изделия.
1.2. Измерения размеров изделий в режиме бесконтактной ИГ.
Часть многоканальной гибридной 3Б измерительной головки, работающей в режиме бесконтактной ИГ (рис. 1, 2), включает следующие узлы: бесконтактный измеритель 5, оптический переключатель 10, фотоприемники ПЗС 11, светодиод 12, сканирующий интерферометр 13 и управляемую линию задержки 14.
Рис. 1. Схема ИГ с измерительным наконечником на основе семиканального воП при проведении бесконтактных измерений
Рис. 2. Схема многоканальной гибридной 3D измерительной головки
Принцип действия многоканальной 3Б измерительной головки основан на переключении каналов ВОП (последовательно или по специальному алгоритму) и проведении измерений во время подключения каждого канала бесконтактным измерителем 5.
Это реализовано при совместном использовании с одним низкокогерентным интерферометром, подобным используемым в [4, 5], нескольких переключаемых оптическим переключателем 10 каналов ВОП 6 и фотоприемников ПЗС 12, создаваемых за счет выбора управляющего кода Мупр соответственно.
При этом из излучения светодиода 11, проходящего через опорный сканирующий интерферометр 13, за счет разности хода ¡ои формируются две пространственно совмещенные оптические компоненты с временным сдвигом между собой, вносимым управляемой линией задержки 14.
Конструкция ВОП 6 выполнена в виде набора соединенных многомодовых 8 волокон с созданными на их торцах микролинзах 7, осуществляющих излучение и прием света. Общая диаграмма угловая апертура для ВОП 6 достигает полусферы ±п/2 и поделена на угловые сектора кратно числу используемых световодов. Многомодовые 8 и одно-модовые 9 световоды ВОП 6 проложены внутри измерительного стержня 2, а торцевая приемно-из-лучательная часть ВОП 6 с микролинзами 7, выполненная криволинейной поверхностью: выпуклой, грибовидной или вогнутой, чашевидной, расположена внутри прозрачного рубинового наконечника 3.
В статье рассматривается использование круглых волокон, хотя по ряду параметров, например, для уменьшения зазоров, возникающих в разных конструкциях в ВОП, рассмотренных далее, более
перспективны созданные недавно квадратные световоды. Для уменьшения возникающих зазоров, в первую очередь, в приемно-излучательной части ВОП 6 с многомодовых волокон удалена «родная» оболочка и по бокам нанесено внешнее отражающее покрытие, преимущественно из алюминия (Л!) толщиной - 5 — 20 мкм. Для увеличения угловой апертуры многомодовых волокон ВОП 6 у них создана небольшая спиральная закрутка, приводящая к повышению доли сагиттальных (косых) лучей относительно меридиональных, проходящих через ось световода [6].
Итак, в процессе работы сформированный двух-компонентный оптический поток направляется оптическим переключателем 10 на выбранные и последовательно оптически соединенные одномодовое 9 и многомодовое 8 волокна ВОП 6, микролинзу, следует через рубиновый наконечник 3 и локально, в пределах малого углового сектора, освещает поверхность изделия 4.
Часть оптического потока, отраженного по нормали от освещаемой области поверхности изделия 4, следует в обратном направлении, добавляя к исходным двум компонентам еще две оптические компоненты с дополнительным сдвигом, образованным зазором ¡з между поверхностями рубинового наконечника 3 и изделия 4.
Доля этого четырехкомпонентного оптического потока отводится на вход выбранного кодом Мупр фотоприемника ПЗС 11 и в результате интерференции формирует на его выходе цифровой электрический сигнал N .
вых
Вблизи равенства разности хода первой ¡ои и второй ¡з пар оптических компонент на входе фотоприемника ПЗС 11 интенсивность «по огибающей» формирующейся интерференционной картины увеличивается с достижением ее максимума при полном равенстве ¡п-=1з- Фиксация этого максимума используется для формирования триггерного сигнала, так же как и в режиме контактных измерений, и позволяет реализовать «грубые» (на уровне долей мкм), но «быстрые» измерения. При неполном равенстве ¡оu.~¡з в пределах малого диапазона с ±5...7Н реализуются «медленные», но «точные» фазовые измерения, кратные долям X, на уровне десятков нанометров [3].
1.3. Физические основы бесконтактных измерений.
Работа бесконтактного измерителя 5 (рис. 2), реализованного с участием волоконного низкокогерентного интерферометра [4, 5], включающего сканирующий интерферометр 13, основана на применении светодиода 12, спектральная плотность мощности 5(ю) которого описывается функцией Гаусса:
5 (ю) =
1
•^(Лд
.ехр
(д - до)(
2(Лю)2
(1)
где д0 и Лд — центраехная дл-на волны иширина спектра светод(ода 12 соответстденно, а интенсивность интерферирующих оп-ичеоких потоков, освещающих фдроприемник ПЗС 11, будет и мет ь вид
100 = 1( ехр| - (/°"2-(И )( | со4_к(1оп - 13)] -
(2)
где ¡ои — розность длин плеч сканирующего интерферометра 13, ¡з — толщина зазора по нормали между рубиновым наконечником 3 и поверхностью
а)
б)
в)
Рис.3. Три варианта пространственного располож ения то рцов световодов однорядного воП (вид сверху):
— с наклоненными под разными углами боковыми торцами,
примыкающими к центральному (а) и (б);
— с фронбяжьным примыканием всех торцов и продольным
расположением всех световодов (в)
из деляж 4, I — длина когерентномти свето диода 12, к н 2о/П , гдб 0 — центральная длина волны светодиода 12.
Определение положения максимума аналогично измерениям «по о гиб ающей» сигнала, описываемой фонмулой
А(ое = У0 дер
(о -а
212.
(3)
ВОП может быть только целым числом и определяется отношением длины окружности Ьокр. радиусом Яокр, соединяюуей =еутде1 бо^о^ых (коаксиальных) окружающих световодов, к диеметру световода ~2Ясв, доже=ое можно ерисажь следующим эмпирическим выраженном:
—
Зокок о0ор
1_20Св ] [. 0св 0
(5)
и соответствует езмериниям «по фазе» интерференционного сигнала и цифрового выходного кода N , созданного на основе оигннла с учетом
двойного хода л^о:
— = 2иаНиА1Ип
(4)
Максимально е влияние на расчет утло вой япер -туры торцов световодов, 20ставляющих ВОП, оказывает число каналов д по сечению головки вдоль осей, связанное с числом ряоо= р и определяемое как
д = 2 1 + 1.
(6)
где кинт — коэффициент интерполяции периода ин-терференционн—Н нартиноо
Уравнения (3) и (4) п с казывают возможность работы вдвухрежимам измерений: «поогибающей» — «быстрые», но грнбые исмерения, «мо фани» — «медленные» с вримпнем осмерения для одного канала > 100 мс [7], но «точные» измерения. Точ-ностьизмерени— длн т.н. «быстным» и «медленных» измерений может достигать долей мкм и десятков нанометров соответс твенно [3], а время таких измерений будеп -ценено пал= е.
2. Конструктивные особенности воП. Многоканальный ВОП является основным приемно-излуча-ющим элементом ИГ.Число световодяв в 1-ом ряду
2.1. Конструкция ВОП с одним рядом световодов.
Для конструкции ВОП, созданной с примыка-ющимн ннклонецнымо тоццами световодов к центральному (^оЗ- пы=ожение (5) записывается как
N'
2о • 0СВ(1 ВнияП.)' 2П
= [о(1 в нияПо)],
(7)
где в — )нол натлояо торцов боковых световодов к плоскости центнального.
В снучае использооания световодов с одинаковыми торцами имеем в1 = 60° и после расчетов по-
луч сем N5 с [1,57т] = [4,71] = в. 1Е» э вом сар-ансе вОП имеем 1 центральный и 4 бокивых евоца св7е,0150е.а, проитранственно распределенных в виде структуры 1— 4 общим числом, равным УУобр1 = В (рис. 3^а).
Можно =остичь увеличения числа окружных светов(иов до 5, реаошоу= дат ннх щвостранствен-ную структурв ВОВ[ —06 (рис. 3б). Для этого после решено ураваенно о(( аесэе!) = '5 находим, что У' = агеесэее2 - (| не с3.7° , а рсзнов=ь Ц - = 65,3° может быть скомивнсир=вана увеличениемугловой аиерт(]выкавг^(^го световода.
Для конструкциа 0ОП е торцами взетоводов, улож енными —р одо=ьн о вдоль центрального, выражении е (5] привбретаетвид
У," а" [(оД ,
(8)
аобщеечисло светов-дно в До П с^1с()5у^елится фор-
мулей
-о*=да во ^(о=
(9)
В сеатветствии 2 этим число световодов в ВОП с од—им =ядом (гс=1) (определяется как
(оУ.,
-С''
Ус
= [",(8] = Д , можно реализовать гек-
сагональную простра н сивенную структуру ( — 6 (рис. 3в), а при учете цент°ального аветовода их общее число —У- " 7.
Недостатком этогл в(нианта является увеличение площадиторцв световодаприегокосом срезе. Однако его можно существенно уменьшить технологически при изготовлении микролинзы на поверхностях боковых световодов, равных по площади центральному—.
Во всех вариантах ВОП (рис. 4а — в) световоды должны формироватьоптический поток в пределах телесного угла, равр о го (= = 60° ^А=8т©/2 = 0,5), и это вполне достижимо за счет совместного использования спиральной закрутки световодов с внешней металлизированной оболочкой [8] и микролинз разных форм [9—13].
Итак, как видно для данного варианта ВОП, возможно реализовать пространственные структуры расположения световодов: 1—4, 1—5 и 1 — 6. И последний вариант является наиболее перспективным
иа-за симметричности а мексимальног— чнсла све-товодов.
2.2. Конетрущ" ВОП с двумя рядами световодов.
При пос-poсноD В ОП с двумя рядами окружных св втоводов (д=5) пелуефе рич еская угловая ап ер-тете а ИГ ир-дполагеьт вып(онение условий Р21 = 36° и Р22 = 72° для торцов ссе(оиодов первого и второго рядов к центраиному соответственно. Исходя из =тсгго, ф-pинpyевзя си[^"'(мв удa(нeвит дги рте-чета количества световодов в первом и втором ря-ах:
- -'У с [О(( ассрЦ^)] []У-'( с[о(( а (соэВ(( а есэе(()] , ^
и для вышеукадмн ныв значений Р21 и Р22 получаем
[в,дм] ув
[(,(=] = Ли
(11)
Таким об-азом, дия дннюго варианта ВОП об-щ-е косн(дьс2ес ввеаoвoдoо составляет 15, и они распределены по рядам следующим образом: 1-5-9.
Дм] конструкции ВОП с торцами aвдмтвоувв, уложднными продольно, число световоди(в о втором ряду (г = 2) по выражению (7) определится как
НоУ
я.
= [((,вд] = (( , формируя ссрувотуру
ВОП 1-6-12, а их общее число в ВОП при учете центрального и первого ряда соответствует = (И .
Как видно, подобное соединение световодов обладает преимуществом по общему числу световодов. Однако существенным недостатком этого варианта является появление зазора между микрооптическими элементами первого и второго ряда.
3. Основные компоненты многоканальных гибридных 3D измерительных головок. Конструкции и технологии изготовления сферического рубинового полого наконечника с капилляром и много-модовых световодов со спиральной закруткой, являющиеся общими как для одноканальных, так и для многоканальных гибридных 3Б измерительных головок рассмотрены ранее в [3]. В данном разделе обсуждаются современные варианты реализа-
а)
б)
в)
Рис. 4. Приемно-излучательная часть ВОП (виды сбоку): грибовидной (а) и чашевидной (б) форм, с продольным расположением световодов (в)
f I
i J
б)
в)
г)
д)
Рис. 5. варианты формирования несимметричной угловой апертуры световодов: косым срезом торца световода (а), боковой каплевидной микролинзой (б) и с нужной угловой апертурой (в), вытягиванием и изгибом для ближнепольных оптических зондов (г, д)
ции ВОП, оптических переключателей и фазовых модуляторов.
3.1. Несимметричные микрооптические элементы, фотополимерные микролинзы и металлосте-клянные нанозонды.
Формирование несимметричной угловой апертуры у многомодовых световодов для рассматриваемых ВОП может быть обеспечено созданием косого среза световода (рис. 5а) [12], микрооптической линзы с нужными параметрами апертуры, в т.ч. каплевидной (рис. 5б, в) [11], или несимметричных, или изогнутых световодов для ближнепольных оптических зондов (рис. 5г, д) [8]. В процессе последней создаются металлостеклянные нанозонды с нужным изгибоми напыленной на световоды металлической пленкой.
Еще одна из новых технологий создания микролинз на торцах оптических волокон основана на фотолимеризации (затвердевания) жидкого фотополимера на основе органических красителей, таких как родамин Б, Кумарин 120 [13] или метиле-новый голубой [9, 10] и превращения в прозрачное утолщение.
3.2. Оптические переключатели.
Для переключения оптического сигнала могут быть использованы выполненные в виде микросхем волоконно-оптические переключатели 1xN, где N — число каналов, достигающее 128 и 64 для одно- и многомодовых световодов [14]. Так, фирма DiConFiberoptics, Inc. (США) выпускает подобные переключатели на основе управляемых ТТЛ-сигналами микрозеркал с временем переключения не более 10 — 30 мс с общим ресурсом не менее 109 переключений.
3.3. Фазовые модуляторы.
Наиболее перспективными для обсуждаемых устройств можно считать волоконные фазовые модуляторы с частотой модуляции I' , как минимум, до 300 кГц, т.е. с циклом сканирования до «3 мкс и разностью хода до -6000 рад, что для Хо«1,5 мкм составляет около 1,5 мм [15].
Как видно, время переключения волоконно-оптических переключателей существенно превышает время цикла сканирования и определяет минимальное время измерений для «грубых», но «быстрых» измерений.
заключение. 1. Разработанные многоканальные гибридные 3Э головки могут работать как контактно, так и бесконтактно. При механическом контактировании рубинового наконечника с изделием такие ИГ работают в качестве контактной головки касания. При обеспечении зазора между рубиновым наконечником и изделием с переключением каналов волоконно-оптического преобразователя с зональным освещением поверхности изделия осуществляются бесконтактные измерения.
2. Многоканальная конструкция ВОП совместно с низкокогерентным волоконно-оптическим интерферометром позволяет реализовать два режима бесконтактных измерений: «быстрые», «грубые» и «медленные», «точные».
3. Общее число световодов в конструкции ВОП с продольно коаксиально уложенными световодами вокруг центрального, достигая 7 и 19 для одного и двух рядов соответственно, преобладает над конструкциями с наклонно примыкающими торцами световодов к центральному. Однако конструкции ВОП с двумя рядами имеют недостаток, связанный с необходимостью введения зазора между первым и вторым рядом.
а)
Библиографический список
1. Пат. 2235972 Российская Федерация, МПК G01B9/02. Способ оптического контроля геометрических параметров изделий / Леун Е. В. № 2000121726; заявл. 14.08.00; опубл. 10.09.04.
2. Пат. 157867 Российская Федерация, МПК G01B9/02. Бесконтактная оптическая головка для контроля геометрических параметров изделий / Леун А. Е., Юдин А. Д., Дмитриев А. О., Привезенцева И. В., Леун Е. В., Пчелкин С. Е. № 2015104149; заявл. 09.02.15; опубл. 20.12.15, Бюл. № 15.
3. Леун Е. В. Гибридная 3D измерительная головка для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий сложной формы // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 140-146.
4. Ахсахалян А. А., Ахсахалян А. Д., Волков П. В. [и др.]. Перспективы применения метода тандемной низкокогерентной интерферометрии для измерения формы асферических поверхностей // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 8. С. 1-4.
5. Волков П. В., Горюнов А. В., Лукьянов А. Ю. [и др.]. Измерение профиля поверхности протяженных асферических объектов // Нанофизика и наноэлектроника: материалы XXI Междунар. симпозиума, 13-16 марта 2017 г., Нижний Новгород. 2017. Т. 1. С. 379-380.
6. Пат. 2573661 Российская Федерация, МПК G01F 23/22, G01F 23/292. Способ измерения уровня жидкости и устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации (варианты) / Коренев М. С. № 2014111062; заявл. 24.03.14; опубл. 27.01.16, Бюл. № 3.
7. В России создано оптоволокно с квадратной сердцевиной: информ. сообщ. URL: https://se7en.ws/v-rossii-sozdano-optovolokno-s-kvadratnoy-serdcevinoy (дата обращения: 08.11.2017).
8. Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг. Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов: дис. ... канд. техн. наук: 05.27.03. СПб., 2007. 135 с.
9. Соколовский А. А. Микрооптические элементы и устройства для волоконно-оптических измерительных систем: дис. ... д-ра техн. наук: 01.04.01. М., 2009. 225 с.
10. Плеханов А. И., Шелковников В. В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 240-244.
11. Вейко В. П. Лазерное формирование микрооптических элементов. Разд. Новые лазерные технологии. URL: http:// books.ifmo.ru/file/pdf/291.pdf (дата обращения: 31.10.2017).
12. Петров А. А. Лазерное формирование микролинз на базе оптических волокон: дис. ... канд. техн. наук: 05.27.03. СПб., 2005. 112 с.
13. Фокина М. И. Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.05. СПб., 2012. 128 с.
14. Сайт фирмы DiCon Fiberoptics (США), производителя волоконно-оптических переключателей на основе MEMS-технологий URL: https://www.diconfiberoptics.com/main.php (дата обращения: 31.10.2017).
15. Коваленко В. Г. Цельноволоконные резонансные фазовые модуляторы для высокоточных интерферометрических датчиков: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. М., 2005. 20 с.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 10.11.2017 г. © Е. В. Леун
