Линейные штриховые меры контролируются визуально на компараторах или на высокоточных интерферометрах.
Для контроля прецизионных штриховых мер применяются высокоточные приборы, принцип действия которых основан на интерференционном методе измерения. Измерение шкал на интерференционном компараторе позволяет значительно увеличить точность по сравнению с измерением на обычном компараторе, так как на нем может производиться компарирование как с образцовых шкал, так и шкал с концевой мерой. Ошибка измерения отсчитывается в длинах световой волны. При измерении шкал с помощью концевой меры используется принцип интерференции двух световых потоков.
В основу универсального интерференционного компаратора положена схема двухлучевого компаратора Майкельсона (рис. 114, а), состоящего из осветительного устройства 15, неподвижных зеркал 10, 8, 5, 2, разделительной пластинки 9 и окуляра 1. Концевая мера К и плоскость зеркала Б, жестко связанные с подвижной кареткой 14 и микроскопом 11, перемещается при помощи ходового винта 13 в направлении хода лучей. Каретка при перемещении поворачивается в двух плоскостях. Для устранения погрешности от поворотов каретки используют интерференционную коррекцию, для чего из основного пучка света, падающего на разделительную пластинку, выделен пучок света, который вспомогательными зеркалами направляется на дополнительное зеркало. Получаемая интерференционная картина служит для коррекции поворотов каретки. Стол со штриховой мерой имеет плавное перемещение в пределах ±5 мм.
Отсчетная часть прибора состоит из отсчетного микроскопа 11, интерференционного индикатора 11 и автоколлимационного индикатора 1. Интерференционный индикатор предназначен для точных измерений, а автоколлимационный — для менее точных.
Параллельный пучок от коллиматора 15, отразившись от зеркала 10, разделяется на полупрозрачной пластинке 9. Отраженная часть света падает на плоскость Б зеркала и плоскость А концевой меры, притертой к зеркалу Б. Отразившись от плоскостей А и Б и пройдя пластинку 9, луч попадает в наблюдательный окуляр 1. Другая часть пучка, пройдя пластинку 9,падает на зеркало 7, укрепленное на тубусе микроскопа 11, отразившись от которого также поступает в окуляр 1.
Подвижное зеркало 7 интерференционного индикатора жестко связано с кареткой, и при ее перемещении относительно начального положения (зафиксированного в окуляре интерференционного индикатора) вызовет смещение черной интерференционной полосы, по размеру которого с высокой точностью может быть определено смещение каретки со штриховой мерой.
Автоколлимационный индикатор 1 соединен с кареткой штифтом, воздействующим на поворотное зеркало 6. Перемещение каретки фиксируется по шкале 4 в окуляре 3. Наблюдатель винтом совмещает бабку 12, на которой укреплено зеркало 7 и тубус микроскопа 11, и нулевой штрих штриховой меры. Затем, перемещая каретку 13 с концевой мерой до появления интерференционной картины от зеркала 7 и плоскости А концевой меры, устанавливает нулевую полосу на перекрестке окуляра. После этого бабку 12 с зеркалом 7 и микроскопом 11 перемещают вдоль оси штриховой меры до появления интерференционной картины от плоскости зеркала 6. Снова совмещают нулевую полосу с перекрестием окуляра. При этом бабка 12 переместится на размер, равный длине концевой меры.
Если интервал от нулевого штриха до соответствующего штриха равен размеру концевой меры, то штрих шкалы совместится с перекрестием окуляра микроскопа 11. Если же перекрестие не совпадает с соответствующим штрихом меры, то каретку перемещают винтом до совпадения штриха окулярной сетки микроскопа со штрихом меры, а разность между длиной концевой меры и соответствующим интервалом штриховой меры отсчитывают по индикаторам I или II. Совместив с перекрестием окуляра микроскопа И нулевую полосу интерференционной картины от зеркала 7 и плоскости А концевой меры и нулевой штрих штриховой меры, перемещают бабку 12 с укрепленными на ней зеркалом 7 и микроскопом И до совмещения нулевой полосы интерференционной картины от зеркала 7 и 5 с перекрестием окуляра микроскопа. При равенстве интервала от нулевого до соответствующего штриха штриховой меры размеру концевой меры штрих совместится с перекрестием окуляра. При отклонении интервала штриховой меры от размера концевой меры каретку со штриховой мерой перемещают до совмещения штриха меры и перекрестия окуляра микроскопа, а разность отсчитывают по интерференционному или автоколлимационному индикаторам.
В продольном компараторе (рис. 114, б) с параллельным расположением контролируемой и образцовой мер для точной коррекции перемещения рабочего органа применяется двухлучевой интерферометр. Компаратор состоит из подвижной каретки 25, на которой расположены два микроскопа 26 и два зеркала 20 и 24. Эти зеркала совместно со светоразделительной пластинкой 21 и вспомогательными зеркалами 18, 19, 22 и 23 позволяют наблюдать интерференцию двух пучков в белом свете.
Аттестуемую меру устанавливают на каретку параллельно образцовой мере таким образом, чтобы первые штрихи обеих мер были бы совмещены с оптической осью микроскопов. С помощью регулировочных винтов поворачивают в небольших пределах зеркала 26 и 24 до тех пор, пока в поле зрения окуляра не появится интерференционная картина. Зафиксировав в окуляре черную интерференционную полосу, перемещают каретку совместно с микроскопами на размер деления образцовой шкалы. Если в процессе настройки из-за непараллельности направляющих изменится положение микроскопов, то из поля зрения окуляра исчезнет зафиксированная интерференционная полоса, которая восстанавливается при повороте зеркала 20 и 24. Затем перемещением рабочего органа с помощью винта 17 доводят штрих поверяемой шкалы до совмещения с оптической осью другого микроскопа. Рабочий орган со штриховыми мерами имеет свободу движения в небольших пределах. Размер перемещения контролируется интерференционным индикатором 16. Контроль необходимо повторить.
Рассмотренные приборы не могут быть широко применены в условиях серийного производства и для автоматизации процесса измерения, так как они не позволяют исключить наблюдателя в процессе визирования.
В целях повышения производительности контрольных операций широко применяются автоматические контрольно-измерительные приборы и устройства. В этих приборах, построенных на принципе поперечного или продольного компаратора, широко используются фотоэлектрические микроскопы, в которых оптимальное сочетание оптических, механических и электронных устройств позволяет полностью автоматизировать процесс измерения.
Для автоматической аттестации линейных штриховых мер длиной до 200 мм служит интерференционный компаратор (рис. 115) с источником монохроматического излучения. Лампа, охлаждаемая дистиллированной водой, возбуждается генератором высокой частоты 2. Свет от источника 1 конденсором 26 фокусируется на входную щель 25г расположенную в фокальной плоскости объектива 23. Для выделения света одной волны в схеме предусмотрен светофильтр 24. Из объектива свет параллельным пучком зеркалом 22 направляется на разделительную пластину 21, которая пропускает часть света на зеркала 18 и 20. Зеркало 20 располагается на вспомогательной каретке 19, а зеркало 18 — на рабочем органе 15, на котором в юстировочном приспособлении находится контрольная шкала 16. Шкала устанавливается так, чтобы нулевой штрих ее располагался по оси фотоэлектрического микроскопа 17. Отраженные от зеркал 20 и 18 лучи, пройдя разделительную пластину, интерферируют, образуя полосы равной толщины, которые вспомогательными зеркалами направляются в объектив коллиматора 27, а затем на фотоэлектрические преобразователи, расположенные за щелями 6. Интерференционную картину можно наблюдать в окуляр 5, для чего используется откидное зеркало 4. Преобразователи 7 и 13, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 шага служат для преобразования световой энергии в электрическую. При перемещении рабочего органа от реверсивного электродвигателя 14 на фотоэлементах будут модулироваться электрические сигналы, которые радиотехнической измерительной системой 8 и 12 преобразовываются в дискретно-цифровую форму.
Реверсивный двигатель перемещает каретку на шаг грубо, а точное перемещение осуществляется механизмом тонких подач с пьезоэлектрическим элементом. Дискретные импульсы после формирователя 10 поступают в реверсивный декатронный счетчик 11. Для определения направления перемещения каретки используется схема Брайнина, по которой для осуществления реверса необходимо иметь два сигнала, сдвинутых по фазе на 90°. С этой целью используют полупрозрачную пластинку 3, которая разделяет световые лучи на две части, направляя их на фотоэлементы. Сдвиг потоков относительно щелей производят юстировкой зеркала. Точность отсчета повышается за счет использования индикатора 9 дробных частей интерференционной полосы. В качестве индикатора служит электронно-лучевая трубка, на которую от фотоэлектрических преобразователей поступает два синусоидальных сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90°. Принцип определения дробных частей основан на измерении фазы геометрической суммы двух синусоидальных сигналов. Так как размер входных диафрагм оказывает влияние на точность работы прибора, то рекомендуется ширину щели брать равной половине ширины полосы.
В фотоэлектрическом компараторе (рис. 116) контролируемая 4 и образцовая 16 меры устанавливаются на столе 2, перемещение которого по направляющим станины 1 осуществляется электродвигателем 3 грубой передачи. Каретка И с фотоэлектрическими микроскопами 16 и 9, механизмом 13 тонкой подачи, двумя системамй компенсации измерительных импульсов и с устройством относительного отсчета положения штрихов образцовой и поверяемой мер закреплена на станине на плоских пружинах 10 и 12. Системы компенсации состоят из электродвигателя, управляемого сигналом с микроскопа, редуктора 7 и датчика. С датчика сигнал поступает на фотоэлектрический микроскоп для поворота компенсационной пластины.
Рис. 116. Фотоэлектрический компаратор для аттестации штриховых мер
В процессе аттестации с помощью механизма грубой подачи рабочий орган перемещается на шаг контролируемой меры, а механизмом 13 тонкой подачи каретка 11 перемещается до тех пор, пока штрих образцовой меры не установится на оптической оси фотоэлектрического микроскопа 15. Разность длин образцовой и поверяемой мер фиксируется с помощью сумматора 5.
Прибор может работать без механизма тонкой подачи, для чего плоскопараллельные пластинки обоих микроскопов необходимо поворачивать.
При отключенном механизме тонкой подачи и периодическом прохождении светового луча поперек штрихов шкалы на фотоэлементах возникают импульсы тока. Если погрешности изготовления контролируемой меры отсутствуют, импульсы появляются через одинаковые промежутки времени при прямом и обратном прохождении световых лучей штриха. Наличие разности времени между импульсами характеризует погрешность штриховой меры. Импульсы тока через электронные блоки 8 и 14 поступают на электродвигатели, управляющие редукторами 7 и датчиками 6, а это приводит к изменению токов, поступающих с компенсирующих блоков и с обмоток, расположенных на плоскопараллельных пластинках микроскопов. Пластинки поворачиваются на угол, пропорциональный размеру ошибки, которая фиксируется сумматором 5. Затем цикл измерения повторяется.
Фотоэлектрический компаратор, у которого измеряемая и образцовая шкалы располагаются параллельно и близко друг от друга имеет меньшую длину (рис. 117). Влияние перекосов при движении салазок компенсируется электронной схемой. Образцовая 3 и поверяемая 2 штриховые меры, расположенные на рабочем органе, освещаются проходящим светом от источника. Сигналы с фотоэлектрических микроскопов 4 поступают в формирователи импульсов 5, а затем в логическую схему 6 обработки данных, которая запускается по сигналу с формирователя.
Рис. 117. Принципиальная схема фотоэлектрического компаратора с параллельным расположением мер
Логическая схема позволяет определить знак ошибки и подает сигнал в блок 7 измерения интервалов времени и цифровой индикации. В системе имеется автоматическое печатающее устройство 8 для записи на бумажной ленте результатов измерения. Кроме того, предусмотрены устройство 9 для преобразования временного параметра в амплитуду, электрический переключатель полярности 10 и устройство 11 аналоговой индикации и регистрации. Для устранения влияния на результат измерения перекосов при движении каретки служит устройство 12 коррекции перекосов. Система питается от сети 14 через блок печатания 13 с элементами управления и обслуживания.
Учитывая важность проблемы автоматизации контроля штриховых мер, многие фирмы стремятся создать автоматические приборы. При разработке приборов в большинстве случаев используются измерительные системы со счетом интерференционных или муаровых полос в двухлучевых интерферометрах или растровых датчиках. Диапазон измеряемых перемещений в интерференционных приборах в основном определяется источниками излучения. Существующие изотоп-излучатели позволяют аттестовать штриховые меры длиной не более 200 мм. В качестве источника излучения в последние годы применяют оптические квантовые генераторы. Для точной установки рабочего органа по штриху поверяемой шкалы применяют фотоэлектрический микроскоп, а для контроля размера перемещения каретки служит интерферометр Керстера с электрическим счетно-вычислительным устройством. Результат контроля представляют на перфорированной ленте, на которой записаны сведения о температуре и влажности воздуха и атмосферное давление в момент контроля.
В компараторе фирмы СИП (Швейцария), служащем для поверки штриховых мер длиной до 1 м, сравниваемые меры в процессе всего контроля остаются неподвижными, а два фотоэлектрических микроскопа установлены на подвижной каретке. В этом компараторе используется импульсный фотоэлектрический микроскоп, позволяющий осуществлять контрольные операции с погрешностью не более 0,1 мкм. На точность измерения влияют непостоянство положения диафрагмы микроскопа, изменение ширины ее изображения, наличие вторичных отражений и смещение центра сканирования ее изображения щели.
Фотоэлектрические компараторы с микроскопами фирмы «Иоганнес Хайденхайн» (Франция), разработанные в Федеральном физико-техническом институте, аналогичны по принципу действия компаратору фирмы СИП и имеют погрешность измерения, не превышающую ±0,16 мкм. На таком же принципе работает компаратор, разработанный на народном предприятии «Сезимово усти» (Чехословакия).
Существует несколько визуальных приборов для контроля круговых штриховых мер. Процесс контроля на этих приборах утомителен и требует много времени, поэтому естественно стремление ученых разработать автоматические контрольные устройства, позволяющие определять угловые ошибки и ошибки диаметров без участия наблюдателя.
Принцип работы этих устройств основан на фотоэлектронных методах измерения разницы расположения штрихов на контролируемой и образцовой мерах.
При визуальном контроле круговая штриховая мера устанавливается на бесшкальный или со шкалой стол измерительной машины. Для аттестации используются две пары микроскопов-микрометров, контролируемая мера устанавливается в юстировочном приспособлении, позволяющем нивелировать ее относительно оптической оси микроскопов-микрометров. Во избежание влияния на точность аттестации эксцентриситета установки поверяемой шкалы необходимо отсчет снимать по двум диаметрально противоположным штрихам. Погрешности штриха можно найти аналитическим методом в зависимости от угловых погрешностей, но расчеты трудоемки, и для определения погрешностей диаметра с необходимой точностью требуется много времени. Поэтому в практике аттестации круговых мер погрешности диаметров не определяют, а производят измерение угловых погрешностей в некоторых угловых секторах.
В Ленинградском институте точной механики и оптики разработаны устройства, служащие для контроля лимбов с компенсацией погрешностей делений образцового лимба. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 118.
Рис. 118. Установка для контроля лимбов с компенсацией погрешностей
Вращение вала 2, находящегося в подшипниках качения 3, от электромотора 1 передается образцовому 4 и поверяемому 13 лимбам. У образцового лимба располагаются две считывающие системы CC1 и СС2, состоящие из лампы накаливания 5, конденсора 6, сетки 7, микрообъективов 8 и фотоэлектрического умножителя 9. Сетка состоит из S штрихов, аналогичных штрихам образцового лимба, и служит для устранения случайной составляющей погрешности штрихов образцового лимба. Вторая считывающая система, расположенная через 180° относительно первой, предназначена для компенсации погрешности от эксцентриситета образцового лимба и части систематической составляющей погрешности штрихов.
При вращении вала световые потоки модулируются и на фотоэлементах возникают импульсы фототока, которые направляются для суммирования в устройства УУ. В конструкцию введена система выявления установочного эксцентриситета У, имеющая импульсную лампу 10, конденсор 11 и микрообъектив, который освещает участок центрирующей окружности, концентричной штрихам лимба. Освещенный участок масштабным преобразователем МП проецируется в виде синусоиды, амплитуда и фаза которой отражает размер и направление установочного эксцентриситета, на фотопленку 14 регистрирующего участка РУ.
Суммарное напряжение поступает на вход преобразователя Я, где отсекаются опорные напряжения, которые после усиления и деления поджигают импульсную лампу 10. Эта лампа через конденсор 11 и микрообъектив 12 проецирует участок контролируемого лимба на масштабный преобразователь. Если в момент вспышки лампы 10, характеризующей угловое положение штрихов лимба 4, штрих измеряемого лимба займет определенное положение относительно оси ИУ, то вспышка лампы от следящего сигнала осветит второй штрих лимба 13. Если измеряемый лимб имеет погрешности, то выявленная разность с помощью масштабного преобразователя проецируется на плоскость фотопленки 14. Отсчет погрешности производится от нулевой линии, которая образуется на пленке специальной оптической системой. На пленке фиксируются две кривые, одна из которых характеризует погрешность штрихов, а вторая — появляется из-за эксцентриситета. Определение погрешности штрихов не представляется сложным. В приборе используется дорогостоящий образцовый лимб.
Контроль лимбов осуществляется фотоэлектрическими микроскопами методом сравнения расположения делений на контролируемом и образцовом лимбах. Для этого на столе прибора в специальных юстировочных приспособлениях закрепляют образцовый и контролируемый лимбы, так что пояски их делений располагаются концентрично оси вращения (рис. 119, а). Фотоэлектрические микроскопы 2, 3, 5 и 6 устанавливают над лимбами таким образом, что микроскопы 2 и 6 располагаются над диаметрально противоположными штрихами образцового лимба 1, а микроскопы 3 и 5 — под соответствующими штрихами поверяемого лимба 9.
Лимбы в приспособлениях нивелируются в целях обеспечения перпендикулярности осей фотоэлектрических микроскопов к плоскости лимба, на которой нанесены деления. В начальный момент микроскоп 6 располагают над нулевым градусным штрихом образцовой шкалы, а поворотом плоскопараллельной пластинки сервомотором 12 устанавливают оптическую ось микроскопа 2 на штрих, расположенный под углом 180°. Для этого напряжение с фотоэлементов микроскопов 2 и б для проверки точности их установки после усиления подается на электронный коммутатор, а затем на однолучевой осциллограф, на экране которого можно наблюдать две осциллограммы с противоположных микроскопов. Поворотом от сервомотора 12 плоскопараллельной пластинки добиваются сормещения осциллограмм. Совпадение осциллограмм указывает на то, что оптические оси микроскопов 2 и 6 располагаются по противоположным штрихам образцового лимба. Затем подключаются последовательно к измерительному устройству микроскопы 5 и 3.
Вращением оси сервомотора 10 плоскопараллельной пластинки добиваются совпадения штриха поверяемого лимба с осью микроскопа 5. Сигнал об угле поворота пластинки, пропорциональной угловой ошибке поверяемого лимба, подается после усиления в усилителе 13 на измерительное устройство 4. После этого сервомотор 11 поворотом коррекционной пластинки переводит изображение штриха в диафрагму микроскопа 3. Сигнал, пропорциональный углу рассогласования, подается на измерительное устройство. Среднее из отсчетов по шкале измерительного устройства позволяет определить ошибку диаметра. Затем подается команда на серводвигатель 7, который поворачивает рабочий орган 8 с лимбами на угол, заданный программой испытания, и процесс повторяется.
Кроме того, контролировать лимбы можно на бесшкальных машинах (рис. 119, б), для чего испытательный лимб 19 закрепляется на столе машины в юстировочном приспособлении. Два близлежащие штриха объективом 18 проецируются в плоскость выходных щелей микроскопа. Щели с помощью специального контрольного устройства устанавливаются относительно друг друга на расстоянии, равном точному расстоянию между штрихами. У щелей располагаются два фотоэлемента, включенных в измерительную систему.
Рис. 119. Схемы автоматических приборов для контроля лимбов
При контроле по сигналу со следящей системы включается серводвигатель 14 и поворачивает рабочий орган с поверяемым лимбом на одно деление. В момент заполнения штрихом левой щели сигналом с фотоэлемента 16 после усиления в усилителе 13 отключается серводвигатель и подается команда на включение серводвигателя 17, который поворачивает плоскопараллельную пластинку 15 до тех пор, пока соседний штрих поверяемого лимба не установится в правой щели микроскопа. Угол поворота, пропорциональный ошибке контролируемого лимба, фиксируется в специальном печатающем устройстве или может быть сосчитан на измерительном устройстве. Для контроля штриховых мер можно применять цифровые двухи трехкоординатные измерительные машины, в том числе и машины с программным управлением.
