eng
Выпуск #1/2014
В.Горохов, Е.Захаревич, М.Скворцова
Повышение точности деталей металлооптики при алмазном точении на ультрапрецизионном оборудовании
Повышение точности деталей металлооптики при алмазном точении на ультрапрецизионном оборудовании
Просмотры: 5488
Представлены результаты экспериментальной работы по созданию методики контроля профиля поверхности металлооптических деталей, созданных методом алмазного точения на трех координатном ультрапрецизионном токарном станке.
Теги: metal optics smoothness measurement surface profile control измерение шероховатости контроль профиля поверхности металлооптика
Метод алмазного точения в производстве металлооптических деталей (зеркал, призм отражателей) имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами получения оптических поверхностей методами притирки [1, 2]. Среди них:
более высокая производительность (повышается от 5 до 50 раз);
отсутствие шаржированного слоя на обрабатываемой поверхности;
возможность получения деталей любой формы (полином до 33 порядка);
более высокая точность, особенно для деталей сложной формы (PV (Peak to Valley) 0,1 мкм на диаметре 100 мм);
возможность раздельного управления точностью формы и величиной шероховатости поверхности детали.
В целом метод алмазного точения является более прогрессивным, чем притирка, и активно внедряется в ведущих промышленно развитых странах. В РФ эта технология сдерживается отсутствием специального ультрапрецизионного оборудования и отсутствием программного обеспечения управлением качества во время алмазного точения. Для достижения высокого качества изображений, получаемых с помощью металлооптических элементов, необходимо получить заданную форму оптической поверхности сферических и асферических металлооптических элементов с эффективной шероховатостью в диапазоне Ra от 0,2 мкм до 1 мкм, в зависимости от рабочей длины волны. Традиционные технологии глубокой шлифовки-полировки обеспечивают шероховатость Ra более 1,5 мкм. В ходе экспериментальных исследований найдены ограничения традиционных методов измерений шероховатости и формы поверхности: разработанный датчик обеспечивает решение технических заданий на уровне качества, предъявляемого элементам металлооптики для построения изображений.
Разработан способ контроля и управления точностью формы и шероховатостью деталей металлооптики при помощи бесконтактного оптического датчика. Он позволяет измерять точность формы и соответствие шероховатости поверхности заданным параметрам. Оптический датчик укреплен на станке, что обеспечивает возможность контроля обрабатываемой поверхности без изменения рабочей позиции детали. Управляющая программа станка постоянно корректируется внесением поправок после анализа результатов измерений параметров обрабатываемой поверхности. Цепь итераций не прекращается до момента достижения требуемых результатов. Эта процедура направлена на повышение точности детали.
Работу измерительного датчика иллюстрирует рис.1. Осветительный модуль с красной светодиодной лампой формирует измерительное пятно на контролируемой поверхности. Он засвечивает большую часть обрабатываемой площади. Поэтому рассеянный при отражении свет, фокусируемый с помощью объектива на фотодиодную линейку, несет в себе интегральную характеристику качества поверхности. Далее сигнал поступает в микропроцессор для последующей обработки и формирования управляющего сигнала. У такого принципа измерений, несомненно, есть несколько преимуществ: во-первых, оценка общей площади поверхности интегральная; во-вторых, вибрации не влияют на результаты измерений; в-третьих, метод проявляет надежность при работе в жестких производственных условиях.
Физическая основа метода измерений широко известна: параметры индикатрисы отраженного от поверхности света – угол рассеяния и пространственное распределение интенсивности ‒ зависят от макронеровностей поверхности (рис.2). Оба эти параметра при попадании рассеянного излучения на матрицу фотоприемников анализируются. Отклонения геометрической формы и волнистость определяются отклонением угла макропрофиля (рис.3). Процедура измерения шероховатости поверхности состоит в следующем: параллельный световой пучок формирует на контролируемой поверхности световое пятно диаметром от 0,01 до 0,9 мм (в зависимости от конфигурации датчика).
При суммировании углов по всей измеряемой поверхности (рис.4) получают геометрическую форму поверхности(рис.5). Отклонения от заданной формы поверхности можно измерить на хорошо отражающих видимое излучение поверхностях с Rz от 1,6 (рис.6).
Экспериментально подтверждено повышение качества изготовления элементов металлооптики, выполненной на алюминиевых цилиндрических образцах, – некруглость изготовленных деталей не превышала 0,08 мкм. Результаты были также верифицированы другими методами, построенными на иных физических принципах.
литература
Brodmann R., Brodmann B., Gräbeet J. et al. Kenngrossen der Mikrostruktur definiert.– QZ, 2008, №5, p. 46–49.
Захаревич Е.М. Ультрапрецизионная обработка резанием: алмазный инструмент – оптическая точность. – Фотоника, 2007, №5, c. 38–39.
более высокая производительность (повышается от 5 до 50 раз);
отсутствие шаржированного слоя на обрабатываемой поверхности;
возможность получения деталей любой формы (полином до 33 порядка);
более высокая точность, особенно для деталей сложной формы (PV (Peak to Valley) 0,1 мкм на диаметре 100 мм);
возможность раздельного управления точностью формы и величиной шероховатости поверхности детали.
В целом метод алмазного точения является более прогрессивным, чем притирка, и активно внедряется в ведущих промышленно развитых странах. В РФ эта технология сдерживается отсутствием специального ультрапрецизионного оборудования и отсутствием программного обеспечения управлением качества во время алмазного точения. Для достижения высокого качества изображений, получаемых с помощью металлооптических элементов, необходимо получить заданную форму оптической поверхности сферических и асферических металлооптических элементов с эффективной шероховатостью в диапазоне Ra от 0,2 мкм до 1 мкм, в зависимости от рабочей длины волны. Традиционные технологии глубокой шлифовки-полировки обеспечивают шероховатость Ra более 1,5 мкм. В ходе экспериментальных исследований найдены ограничения традиционных методов измерений шероховатости и формы поверхности: разработанный датчик обеспечивает решение технических заданий на уровне качества, предъявляемого элементам металлооптики для построения изображений.
Разработан способ контроля и управления точностью формы и шероховатостью деталей металлооптики при помощи бесконтактного оптического датчика. Он позволяет измерять точность формы и соответствие шероховатости поверхности заданным параметрам. Оптический датчик укреплен на станке, что обеспечивает возможность контроля обрабатываемой поверхности без изменения рабочей позиции детали. Управляющая программа станка постоянно корректируется внесением поправок после анализа результатов измерений параметров обрабатываемой поверхности. Цепь итераций не прекращается до момента достижения требуемых результатов. Эта процедура направлена на повышение точности детали.
Работу измерительного датчика иллюстрирует рис.1. Осветительный модуль с красной светодиодной лампой формирует измерительное пятно на контролируемой поверхности. Он засвечивает большую часть обрабатываемой площади. Поэтому рассеянный при отражении свет, фокусируемый с помощью объектива на фотодиодную линейку, несет в себе интегральную характеристику качества поверхности. Далее сигнал поступает в микропроцессор для последующей обработки и формирования управляющего сигнала. У такого принципа измерений, несомненно, есть несколько преимуществ: во-первых, оценка общей площади поверхности интегральная; во-вторых, вибрации не влияют на результаты измерений; в-третьих, метод проявляет надежность при работе в жестких производственных условиях.
Физическая основа метода измерений широко известна: параметры индикатрисы отраженного от поверхности света – угол рассеяния и пространственное распределение интенсивности ‒ зависят от макронеровностей поверхности (рис.2). Оба эти параметра при попадании рассеянного излучения на матрицу фотоприемников анализируются. Отклонения геометрической формы и волнистость определяются отклонением угла макропрофиля (рис.3). Процедура измерения шероховатости поверхности состоит в следующем: параллельный световой пучок формирует на контролируемой поверхности световое пятно диаметром от 0,01 до 0,9 мм (в зависимости от конфигурации датчика).
При суммировании углов по всей измеряемой поверхности (рис.4) получают геометрическую форму поверхности(рис.5). Отклонения от заданной формы поверхности можно измерить на хорошо отражающих видимое излучение поверхностях с Rz от 1,6 (рис.6).
Экспериментально подтверждено повышение качества изготовления элементов металлооптики, выполненной на алюминиевых цилиндрических образцах, – некруглость изготовленных деталей не превышала 0,08 мкм. Результаты были также верифицированы другими методами, построенными на иных физических принципах.
литература
Brodmann R., Brodmann B., Gräbeet J. et al. Kenngrossen der Mikrostruktur definiert.– QZ, 2008, №5, p. 46–49.
Захаревич Е.М. Ультрапрецизионная обработка резанием: алмазный инструмент – оптическая точность. – Фотоника, 2007, №5, c. 38–39.
Отзывы читателей
