CC BY
172
УДК:681.786.3 В.П. Кирьянов
КТИ НП СО РАН, Новосибирск
ВЫСОКОТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ПРОЗРАЧНЫХ НОСИТЕЛЯХ
В данном сообщении анализируются основные различия в процедурах контроля и аттестации углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачный носитель, и готовых углоизмерительных приборов. Отмечается, что при контроле углоизмерительных структур, необходимо учитывать специфические источники погрешности: клиновидность прозрачного
носителя, неплоскостность рабочих и нерабочих поверхностей носителя, несбалансированность ротора шпиндельного узла измерительной машины. Оценивается их вклад в общий бюджет погрешностей контроля и аттестации.
1. Введение
К настоящему времени уже в ряде стран мира созданы ультра прецизионные углоизмерительные системы, предназначенные для аттестации особо точных угловых датчиков и преобразователей углов [1 - 5]. И в это же время практически полностью отсутствуют публикации о создании аналогичных систем для контроля точности изготовления важнейших узлов фотоэлектрических угловых датчиков: растров, лимбов, шкал, кодовых дисков. В настоящем сообщении эти объекты контроля объединены как углоизмерительные структуры. Потребность в создании высокоточных измерительных систем для данных объектов остро испытывают производители различного углоизмерительного оборудования (теодолитов, тахеометров, гониометров и т.д.) [6, 7].
Аналогичную потребность испытывают производители линейных фотоэлектрических датчиков и преобразователей. И для них созданы соответствующие компараторы, обеспечивающие прецизионный контроль и готовых изделий, и подготовленных к сборке линейных шкал и растров [8, 9].
Процедура контроля углоизмерительных структур имеет ряд существенных особенностей по сравнению с контролем точности готовых угловых датчиков. Некоторые из проблем высокоточного автоматизированного контроля углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачные носители, рассмотрены в данном сообщении.
2. Обзор методов построения автоматизированных систем для контроля точности углоизмерительных приборов
Большинство из созданных в настоящее время прецизионных систем для контроля точности углоизмерительных приборов реализует т.н. динамический метод измерений и имеет схожую схему построения. В них используется прецизионный вал (шпиндель), на котором соосно установлены прецизионный референтный датчик угла поворота и контролируемый прибор. В качестве контролируемого прибора может выступать готовый фотоэлектрический преобразователь, либо многогранная призма, либо оптический лимб, растр или многоразрядный кодовый диск. В качестве референтного датчика угла поворота используют фотоэлектрические
преобразователи [3, 4], магнитные датчики [2] или датчики на основе кольцевых лазеров [5]. Для измерений точности призм или шкал система должна иметь соответствующий узел считывания данных. Для контроля готовых датчиков в ней должен быть специальный столик и набор гибких прецизионных муфт.
Важнейшей задачей при создании ультра прецизионных углоизмерительных систем является обеспечение высокой точности референтных датчиков. Для этой цели широко используется процедура самокалибровки референтного датчика, чаще всего в сочетании с принципом многоточечного считывания данных [2]. Последний известен также как принцип путевого усреднения [10]. Его широкое использование основано на эффекте подавления важнейших гармоник Фурье-спектра погрешности шкалы референтного датчика при сложении выходных сигналов считывающих головок, расположенных заданным образом вдоль образующей кругового растра. Эффект подавления зависит от числа дополнительно применяемых головок считывания данных. Так, добавление второй считывающей головки, размещённой диаметрально противоположно основной, обеспечивает подавление первой гармоники и всех остальных нечётных гармоник. Добавление третьей головки, размещённой со сдвигом на 90° относительно основной, обеспечивает подавление второй гармоники. Добавление четвёртой головки, размещаемой диаметрально противоположно третьей, позволит подавить вклад всех чётных гармоник, номера которых получаются путём умножения числа 2 на все остальные нечётные числа, т.е. (6, 10. 14 и т.д. гармоники). В [2] приводится пример использования 6 считывающих головок, расположенных на позициях 0°, 12,25°, 22.5°, 45°, 90° и 180°. Их использование позволяет подавить вклады 26 первых гармоник. Недостатком метода является быстрое нарастание сложности считывающего узла системы в зависимости от повышения требований по фильтрации гармоник. Несомненным достоинством метода является его быстродействие. В тех случаях, когда требования быстродействия не являются определяющими, широко используют фазо-статистический метод [11]. Он известен также как метод Хэвелинка [12], или метод двух шкал [13]. Суть метода состоит в использовании п циклов измерений. После завершения измерений взаимного сдвига всех т штрихов контролируемой шкалы относительно соответствующих т штрихов референтной шкалы, контролируемая и референтная шкалы сдвигаются на угол 360°/ п относительно их первоначального положения и повторяют цикл измерений. Затем шкалы проворачивают ещё раз на угол 360°/ п и снова производят цикл измерений. Процедуру измерений повторяют п раз, пока одна шкала не провернётся относительно другой на 360°. Затем производят обработку матрицы из т х п результатов, состоящей в построчном усреднении результатов измерений. Если измерения были привязаны к началу отсчёта контролируемой шкалы, то результат обработки будет представлять собой новый файл данных, характеризующий погрешность каждого штриха
контролируемой шкалы. Вклад погрешности референтной шкалы в этом файле данных будет снижен практически до нуля. Главное достоинство метода состоит в том, что он позволяет использовать не очень точные шкалы для выполнения высокоточных измерений. Главный недостаток метода -большое время измерений. Для того, чтобы реализовать потенциальные возможности данного метода, необходимо снижать случайные составляющие погрешности, сопутствующие процессу измерений. Среди прочих важное значение имеет погрешность квантования. Известна плохая сходимость данной погрешности в ходе процесса усреднения [14]. Поэтому её вклад снижают за счёт уменьшения абсолютной величины ошибки квантования. Поэтому в данных приложениях важно использовать высокоэффективные методы интерполяции, обеспечивающие высокую разрешающую способность референтного датчика.
Совместное использование указанных методов позволило аттестовать готовые угловые приборы с погрешностью (0,02 - 0,03)" при разрешении до 0,001" [3, 4]. Однако, в случае контроля углоизмерительных структур достигнутые успехи существенно ниже.
3. Особенности процедуры контроля углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачные носители
3.1. Структурная схема установки и алгоритм измерений Особенности процедуры контроля углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачные носители, рассмотрим на примере автоматизированной системы АС-700 [15, 16].
На рис. 1 приведена упрощённая структурная схема установки. В состав установки входят: аэростатический шпиндель 1, двигатель вращения 2, лимб
3, установленные на нижнем торце шпинделя, оптико-электронная система 4 считывания данных с эталонного лимба 3, электронный блок формирования опорной сетки частот 5, блок формирования виртуальной опорной шкалы 6, контролируемый лимб 7, устанавливаемый на верхнем торце шпинделя, оптическая система считывания данных 8 с контролируемого лимба 7 и
электронный блок 9 формирования счётных импульсов из выходных сигналов системы 8. На рабочей поверхности лимба 3 нанесена метка начала оборота и регулярный растр, имеющий 108 000 штрихов. Оптико-электронная система 4 состоит из пяти считывающих головок, из которых четыре - предназначены для считывания данных с регулярного растра, а одна - для считывания метки начала оборота. Измерение погрешности лимба 7 происходит при непрерывном вращении шпинделя 1.
Априорная информация о контролируемом лимбе вносится в блок 6, который синтезирует выходные импульсы, соответствующие импульсам идеальной шкалы (виртуальная шкала), используемые для сравнения с выходными сигналами блока 9. В управляющем компьютере 10 формируются 2 файла данных, несущих информацию о взаимном сдвиге чётных и нечётных импульсов на выходах блоков 6 и 9:
Б1 = (АФ1 .. АФ21-1 .. АФ2п-1}, Б2 = (АФ2 .. АФ21 .. АФ2п}
(1)
где АФ1 = Аф0 + 5ф1 + 5ф2 - регистрируемые сдвиги, Аф0 - постоянный сдвиг, 5ф1 и 5ф2 - случайные сдвиги фаз фронтов импульсов,
сформированных от штрихов референтной и контролируемой шкал, соответственно.
3.2. Систематическая погрешность референтного лимба АС-700
Так как условия считывания штрихов шкалы датчика угла АС-700 достаточно стабильны, то составляющую 5ф1 можно было бы считать систематической погрешностью установки АС-700. Учитывая состав узла считывания данных с референтного лимба (четыре считывающих головки данных и пятая головка формирования импульса начала оборота), можно было бы прогнозировать спектральный состав сигнала погрешности от референтной шкалы в виде следующей спектрограммы (рис. 2).
Г-1 * • -105 0. се* 001 ..... : 1? :::::::: ::
п
3 ш и : 1 ... и^|
1 I ° £;: 1 1^: -й
0 1 * 3 * 8 7 « » 10 .1 13 ,3 14 и «
Рис. 2. Типовой спектр гармоник датчика с 4 головками считывания
На самом деле ситуация совсем иная. Так, используя фазостатистический метод измерений с привязкой данных к началу оборота референтного лимба, были получены несколько файлов данных, характеризующих вклад референтного лимба 3 в результаты контроля точности изготовления лимбов для теодолитов (число штрихов 360, диаметр 90 мм) (рис. 3, а и в) и их спектральный состав (рис. 3, б и г).
На этих графиках обращают на себя внимание две особенности, первая -неповторяемость формы кривой, характеризующей вклад одного и того же лимба 3 в суммарную погрешность измерений, и вторая - её спектральный состав. В отличие от типовой спектрограммы на рис. 2 здесь можно наблюдать значительный вклад второй и третьей гармоник. Последнее особенно неожиданно, т.к. референтный лимб имеет четыре считывающие головки, которые призваны давить действие второй и третьей гармоник. Природа возникающих искажений в графике погрешности будет обсуждена ниже.
а) б)
Рис. 3. Вклад от референтного лимба в суммарную погрешность (а, в); Спектральный состав сигнала (б, г)
3.3. Случайные компоненты погрешности считывания данных с контролируемого лимба
В [15] и [16] исследованы основные источники погрешности контроля точности изготовления углоизмерительных структур, в том числе вносимые установкой из-за присутствия в измерениях прозрачного носителя -стеклянной подложки.
3.3.1. Погрешность эксцентриситета
Наиболее существенной случайной составляющей погрешности 5ф2 является компонента 5фэкс, обусловленная неточным совмещением центра
шкалы с осью вращения шпинделя (известная как погрешность эксцентриситета). Эта составляющая погрешности меняется периодически, один раз за оборот шкалы. Как правило, эта составляющая не характеризует качество изготовления контролируемой шкалы, а определяется неточностью установки её на оправке шпинделя. Считается, что данный тип погрешности может быть устранён в конечном изделии при тщательной юстировке шкалы и двух головок считывания. По этой причине в стандартной программе измерений погрешность эксцентриситета не принимают во внимание при оценке качества изготовления шкал и за счёт использования специального алгоритма обработки данных её программно устраняют из дальнейшего анализа.
3.3.2. Погрешность от неортогональности установки лимба
Неортогональность установки лимба относительно оси вращения
приводит к торцевым биениям рабочей поверхности лимба и порождает два вида погрешностей. Первый - связан с изменением траектории движения считывающего луча. Амплитуду этой составляющей можно оценить из следующего выражения:
АЯ = , (2)
где АН - ход поверхности заготовки в торцевом направлении при вращении оправки шпинделя вследствие неточной установки заготовки. Тангенциальная проекция данного вектора даст составляющую угловой погрешности, частота которой вдвое выше частоты вращения контролируемого лимба (вторая гармоника погрешности). Для основной продукции, контролируемой на установке, К = 45 мм и АН < 10мкм эта составляющая достигает 0,4".
Вторая составляющая связана с проходом считывающего луча через стеклянную основу лимба. Примем, что подложка лимба, толщиной й, плоскопараллельная. В этом случае падающий луч выходит из стекла смещённым на АЯ.
АЯ = -^Ш—АН (3)
К ■ п
ст
При вращении пластины прошедший луч описывает круг радиуса АЯ вокруг своего неискажённого положения. Тангенциальная проекция вращающегося вектора даёт составляющую погрешности, синхронную с частотой вращения.
При й = 5 мм и АН = 10мкм АК достигает 0,7 мкм, что обуславливает угловую погрешность около 3,2".
3.3.3. Влияние клиновидности подложек на погрешность измерений
Согласно чертежам при изготовлении подложек лимбов допускается
клиновидность до 30'. Клиновидность подложки приводит к изменению ориентация луча на выходе. При вращении подложки луч на выходе из неё выписывает конус, основание которого в плоскости передней линзы
считывающего объектива Ь блока 8, (рис. 1) представляет круг, диаметр которого пропорционален углу клина Р и расстоянию от подложки до объектива фотоприёмника Н:
Аг = Н ■ tgР (4)
Тангенциальная проекция вращающегося вектора даёт составляющую погрешности, синхронную с частотой вращения. При Н = 20 мм Аг может достигать 180 мкм, что на радиусах 45 мм соответствует угловой погрешности порядка (10 - 12)'.
3.3.4. Влияние неплоскостности рабочей поверхности подложки
В общем случае, неплоскостность рабочей поверхности подложки при вращении её вместе со шпинделем на одном обороте даёт несколько изменений направления нормали к поверхности подложки. В каждой точке поверхности подложки неплоскостность проявляет себя как локальная клиновидность, вклад которой в общую погрешность измерения можно оценить по формуле, аналогичной (4), в которой параметр клиновидности Р представлен углом между нормалью к поверхности и вертикалью. Для случая, когда угол Р меняет свой знак два раза за оборот, максимальное искажение результатов может достигать:
Аг2 = Н АН (5)
где Ак=А ■ А/2, А =0,55 мкм. Удельный вклад анализируемой компоненты составляет - 0,11 мкм/полосу или 0,5"/полосу при вдвое большей частоте, чем частота вращения (вторая гармоника погрешности).
3.3.5. Влияние неплоскостности нерабочей поверхности подложки Нерабочая поверхность лимба также искажает ход зондирующего луча.
Выражение для смещения луча в плоскости передней линзы считывающего объектива для простейшего случая будет выглядеть следующим образом:
Аг = - И/Я- пст Ак (6)
где пст - показатель преломления стекла.
3.3.6. Влияние локальных искажений поверхности
Вклад локальной неплоскостности А также определяется параметром клиновидности Р, абсолютное значение которого обратно пропорционально размеру локального искажения L. Смещение луча от локальной неплоскостности можно представить в виде:
Аг =2И/Ь■ Ак = И/Ь■ Ат-А (7)
Локальные искажения вносят более высокочастотные составляющие в спектре помех, чем искажения глобальные.
4. Повышение точности контроля углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачный носитель
4.1. Инвариантность формирования данных к неидеально стям прозрачных носителей
В [15, 16] рассмотрен метод статистического разделения составляющих погрешности формирования углоизмерительных структур по их
принадлежности к технологической и измерительной системам. Метод
позволил с достаточно высокой достоверностью определить вклады каждой системы в результаты измерений. Но метод достаточно дорогой и чрезвычайно времяёмкий. При создании обеспечить технологических установок необходимо прямое подавление обнаруженных источников погрешностей, т.е. обеспечить процесс измерений, инвариантный к неидеальностям прозрачных носителей.
Видимо следует признать, что использование методов измерений на «проход» в данном приложении является менее предпочтительным, чем на отражение, т.к. во втором случае действует меньше дестабилизирующих факторов, чем в первом. Но в обоих случаях целесообразно воспользоваться наработками в области создания измерительной аппаратуры, созданной для работы с большим ходом излучения в атмосфере. Здесь нередко используют приём повторного прохождения излучения через среду [17]. По аналогии с [17] в [18] нами предложено использовать адаптивное зеркало (или возвращатели излучения типа «кошачий глаз» или триппель-призмы) для повторного прохождения зондирующего луча через прозрачный носитель (рис. 4).
В этом случае процесс формирования сигналов о прохождении краёв штрихов шкалы не будет возмущаться паразитным влиянием материала подложки лимба.
4.2. Повышение точности шпиндельного узла измерительной системы
Тот факт, что в экспериментах, обсуждаемых в п. 3.2, были зарегистрированы вторая и третьи гармоники сигнала погрешности референтного лимба говорит о том, что контролируемый лимб совершает движение более сложное, чем простое вращение. И так как эти искажения оказались приписанными референтному лимбу, то это указывает на то, что эти движения синфазны с движением референтного лимба. Можно также утверждать, что искажения спектра связаны с усложнённой траекторией движения зондирующего луча по поверхности тестируемой структуры. И то, что регистрируемые искажения формы кривой погрешности референтного лимба весьма индивидуальны для каждого тестируемого лимба, указывает на то, что большое влияние имеют случайные параметры самого носителя. Например, такие как собственная масса стеклянной пластины, положение растра относительно физических границ пластины, на которой он нанесён, или положение центра масс пластины. При высоко расположенном центре масс ротора установки АС-700 и нестрогой вертикальности оси вращения ротора эти факторы приводят к изменению степени разбалансировки шпинделя. В свою очередь, это ведёт к появлению паразитного движения центра вращения ротора, параметры которого зависят от многих факторов. Для тестируемых структур смещение центра вращения на 0,2 мкм приводит к появлению погрешности порядка 1 ". Следовательно, для получения воспроизводимости результатов контроля на уровне 0,01" необходимо обеспечить стабильность положения оси вращения ротора на уровне 0,002 мкм. И для обеспечения этого требования необходимо создать соответствующие технические средства.
Рис. 4. Компенсация влияния материала контролируемого лимба с помощью
адаптивного зеркала:
1 - контролируемый лимб, 2 - шпиндель, 4 - референтный лимб,., 14 -адаптивное
зеркало, 15 - двухкоординатный привод зеркала, ...
5. Заключение
Проанализированы основные дестабилизирующие факторы, сопутствующие процессу контроля точности изготовления растров, лимбов, шкал на прозрачных носителях, которые ограничивают точность известных измерительных систем на более низком уровне по сравнению с системами, созданными для аттестации готовых угловых преобразователей или углоизмерительных приборов. Показано, что многие из отмеченных факторов вносят искажения, достигающие единиц угловых секунд. Предложены технические решения, позволяющие повысить точность контроля углоизмерительных структур. Чтобы поднять точность систем до уровня систем, разработанных для контроля готовых приборов, необходимо коренным образом изменить техническое вооружение для вспомогательных операций, например, таких как динамическая балансировка ротора шпиндельного узла.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. R. Probst, A. Just. Recent developments in angle encoder calibration at the PTB. Proceeding of the PTB-Seminar, Braunschweig, Germany, 2003.
2. T. Masuda, M. Kajitani. An automatic calibration system for angular encoders. Precision Engineering, 1989, v. 11, No 2, p. 95.
3. T. Watanabe, H.Fujimoto, K. Nakayama, T. Masuda, M. Kajitani. Automatic high-precision calibration system for angle encoder. Proc. SPIE, Vol. 4401, 2001, p. 267.
4. T. Kojoima, Y. Kikuchi, S. Seki, T. Masuda, H. Wakiwaka. Development of High-precise Angle Calibrating Apparatus and High-precise Angular Sensor. Proc. 1-st Intern. Conference on Positioning Technology. Hamamatsu, Japan, 2004. p. 417.
5. М.Н. Бурнашов, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов. Развитие методов и средств лазерной динамической гониометрии. Квантовая электроника, т. 30, № 2, 2000, с. 141.
6. Б.Ц. Яхилевич, Ю.Г. Микуцкий, Б.Г. Лобанов, В.Ф. Безобразои, К.Н. Назарбаев, Б.А. Казаков. Устройство для контроля дорожек лимбов угломерных приборов. Авторское свидетельство СССР № 1049736, 1981.
7. Б.Ц. Яхилевич, А.С. Поляк. Способ определения осреднённой погрешности прозрачного лимба углоизмерительного прибора. Авторское свидетельство СССР № 1659702, 1988.
8. В.М. Ведерников, А.И. Ерышов, Ю В.П. Кирьянов, С.А. Кокарев, В.М. Тараканов. Лазерные измерительные системы для аттестации растровых преобразователей линейных перемещений. Датчики и системы. № 3, 1999 г., с. 24- 27.
9. M. Savabe, F. Maeda, Y. Yamarya, T. Simomura, Y. Saruki, T. Kubo, H. Sakai, S. Hoyagi. A new vacuum interferometric comparator for calibrating the fine linear encoders and scales. Precision Engineering, 2004, v. 28, No 3, p. 320.
10. В.Ф. Ионак. Приборы кинематического контроля. М. «Машиностроение», 1981, 129 стр.
11. V. Portman, B. Peschansky. Phase-statistical method and device for high precise and high-efficiency angular measurements. Precision Engineering, 2001, v. 25, p. 309.
12. Е.С. Парняков. Методы и средства автоматизированного контроля круговых мер. ЦНИИТЭ, 1989.
13. В.Я. Эйдинов. Измерение углов в машиностроении. М., Стандарт ГИЗ, 1963, 414
с.
14. В.М. Ефимов. Ошибки квантования по уровню при цифровых измерениях. Автометрия, № 6, 1967.
15. V.P. Kiryanov, A.V. Kiryanov, C.A. Kokarev, V.G. Nikitin, S.A. Bartik, S.E. Frizin, D.Yu. Kruchinin, O.B. Yakovlev. Development of technique for determination of metrological parameters of technological system CLWS-300/C for synthesis of high precision angular measuring structures. Proc. 10th IMEKO TC7 International Symposium on Advances of Measurement Science, S.-Petersburg, 2004, v. 2, p. 316.
16. V.P. Kiryanov, A.V. Kiryanov, S.A. Kokarev, V.G. Nikitin, V.M. Vedernikov. Determination of metrological performance technology for forming the precision angular measuring structures using laser image generators with circular scanning. Proc. 2-nd International Symposium Mechanical Measurements, Beijing, China, p. 129.
17. А.В. Алексеев, М.В. Кабанов, И.Ф. Куштин. Оптическая рефракция в земной атмосфере. Новосибирск, 1982, 180 с.
18. В.П. Кирьянов, А.В. Кирьянов. Способ измерения точности изготовления углоизмерительных структур, нанесённых на прозрачный носитель. Патент РФ на изобретение № 2242715, 2003.
©В.П. Кирьянов, 2005
