eng
Выпуск #2/2025
Е. М. Захаревич, В. В. Лапшин, М. А. Шавва, Р. А. Пошехонов, П. В. Волков
Измерительная система для контроля асферических линз из германия на ультрапрецизионных станках серии УТМ‑250
Измерительная система для контроля асферических линз из германия на ультрапрецизионных станках серии УТМ‑250
Просмотры: 2061
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.2.116.129
В статье описана встраиваемая измерительная система отечественной разработки для контроля формы оптических деталей, которая может быть использована на ультрапрецизионных станках, предназначенных для алмазного точения. Система контроля имеет в составе контактный и бесконтактный датчики, низкокогерентный интерферометр, преобразователь сигнала и программное обеспечение, позволяющее проводить расчет отклонений формы сферических и асферических поверхностей и корректировать код управляющей программы для исключения систематических отклонений формы. Приведены примеры использования контактного датчика для повышения точности формы P-V асферических линз из германия диаметром 90 мм с 1,4 мкм до 100 нм после компенсации систематических отклонений формы. Описаны возможности использования бесконтактного датчика входящего в измерительную систему для выполнения юстировки ультрапрецизионного станка, а также контроля плоских и цилиндрических поверхностей.
В статье описана встраиваемая измерительная система отечественной разработки для контроля формы оптических деталей, которая может быть использована на ультрапрецизионных станках, предназначенных для алмазного точения. Система контроля имеет в составе контактный и бесконтактный датчики, низкокогерентный интерферометр, преобразователь сигнала и программное обеспечение, позволяющее проводить расчет отклонений формы сферических и асферических поверхностей и корректировать код управляющей программы для исключения систематических отклонений формы. Приведены примеры использования контактного датчика для повышения точности формы P-V асферических линз из германия диаметром 90 мм с 1,4 мкм до 100 нм после компенсации систематических отклонений формы. Описаны возможности использования бесконтактного датчика входящего в измерительную систему для выполнения юстировки ультрапрецизионного станка, а также контроля плоских и цилиндрических поверхностей.
Теги: air pressure bearings diamond turning germanium aspherical lenses inspection of aspherical lens integrated measuring system optical parts processing ultra-precision machines алмазное точение асферические линзы из германия аэростатические подшипники встроенная измерительная система контроль асферических линз. обработка оптических деталей ультрапрецизионные станки
Измерительная система для контроля асферических линз из германия на ультрапрецизионных станках
серии УТМ‑250
Е. М. Захаревич 1, В. В. Лапшин 1, М. А. Шавва 1, Р. А. Пошехонов 2, П. В. Волков 3
1. ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
2. МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
3. ООО «Научно-производственное предприятие ТЭОС», г. Нижний Новгород, Россия
В статье описана встраиваемая измерительная система отечественной разработки для контроля формы оптических деталей, которая может быть использована на ультрапрецизионных станках, предназначенных для алмазного точения. Система контроля имеет в составе контактный и бесконтактный датчики, низкокогерентный интерферометр, преобразователь сигнала и программное обеспечение, позволяющее проводить расчет отклонений формы сферических и асферических поверхностей и корректировать код управляющей программы для исключения систематических отклонений формы. Приведены примеры использования контактного датчика для повышения точности формы P-V асферических линз из германия диаметром 90 мм с 1,4 мкм до 100 нм после компенсации систематических отклонений формы. Описаны возможности использования бесконтактного датчика входящего в измерительную систему для выполнения юстировки ультрапрецизионного станка, а также контроля плоских и цилиндрических поверхностей.
Ключевые слова: встроенная измерительная система, ультрапрецизионные станки, аэростатические подшипники, алмазное точение, обработка оптических деталей, асферические линзы из германия, контроль асферических линз.
Статья поступила: 21.01.2025
Статья принята: 20.02.2025
Введение
Точность формы оптических деталей составляет доли микрометров, что определяет ряд требований к конструкции ультрапрецизионных станков алмазного точения, на которых выполняется их обработка. Такие станки должны быть изготовлены с использованием аэро- или гидростатических опор, безжелезных синхронных двигателей для шпинделей и суппортов линейных перемещений, систем термостабилизации и виброизоляции, что уменьшает влияние случайных факторов на форму детали. Однако остаются факторы, приводящие к систематической погрешности формы детали, влияние которых может быть снижено, если использовать контроль формы обработанных деталей и коррекцию кода управляющей программы.
Для серийного производства процедура обмера детали и коррекции формы должна осуществляться на станке за счет встроенных средств контроля формы детали. В статье [1] выполнен обзор станочных систем измерения, действующих на основе атомно-силовых микроскопов, интерферометров, конфокальной микроскопии, голографии, контактных стилусов. Например, ультрапрецизионные станки модели Nanoform для алмазного точения оптических деталей компании Precitech [2] имеют встроенный контактный датчик с дифференциальным преобразователем перемещений (LVDT) и штоком на аэростатических опорах, что исключает трение при смещении штока и позволяет проводить измерение с постоянной прижимающей силой с разрешением 0,1 нм. Усилие прижима измерительного щупа поддерживается постоянным и может быть установлено от 0,1 грамм.
Схожую конструкцию имеет контактный датчик, разработанный компанией Lion Precision [3], имеющий диапазон измерения 0,5 мм и разрешение 1 нм и обеспечивающий контактное усилие от 0,2 до 100 грамм. Для снижения износа и коэффициента трения при скольжении по детали контактный датчик имеет алмазный наконечник щупа.
Компания ООО «НПО Асферика» производит обработку ответственных оптических деталей различного назначения, а также разрабатывает и изготавливает ультрапрецизионные станки серии УТМ для проведения такой обработки алмазным точением, фрезерованием и шлифованием [4–5]. К настоящему моменту компанией накоплен значительный опыт алмазного точения цветных металлов и сплавов, различных кристаллов (кремний, германий, КРС, KDP и др.), пластиков и т. д. Форма поверхностей может варьироваться от плоских и цилиндрических до сферических и асферических.
Для комплектации станков серии УТМ в ООО «НПО Асферика» совместно с ООО «НПП ТЭОС» создана встраиваемая измерительная система на базе низкокогерентного интерферометра для контроля детали контактным (рис. 1а) и бесконтактным (рис. 1b) датчиком, позволяющая проверять форму детали сразу после обработки без снятия заготовки. Эта измерительная система служит для контроля формы детали, а также для коррекции управляющей программы, в случае если необходимо выполнить повторную обработку для повышения точности формы.
Контактный датчик предназначен для контроля сферических и асферических поверхностей. Бесконтактный датчик может быть использован для контроля цилиндрических и плоских поверхностей с оптическим качеством поверхности без повреждения обработанной поверхности.
Основные характеристики измерительной системы на базе низкокогерентного интерферометра приведены в табл. 1.
1. Описание конструкции контактного датчика
Конструкция контактного датчика содержит корпус, в котором встроены две аэростатических опоры с независимой подачей воздуха с давлениями P1 и P2 и шток, к которому крепится измерительный щуп с рубиновым наконечником. При подаче воздуха в аэростатические опоры шток может свободно скользить практически без трения, износа, люфта и фрикционных колебаний. Для контроля осевых и радиальных смещений штока служат датчики «А» и «В» (рис. 2). Во время измерения рубиновый шарик упирается в деталь за счет подачи регулируемого давления PSUP в полость прижима. Для регулирования радиальной жесткости в точке контакта с деталью можно изменить давление подачи воздуха в одну из опор.
Измерение смещения штока осуществляется с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии (ТНКИ). В ТНКИ реализуется схема сравнения, в которой два последовательно соединенных интерферометра освещаются светом с малой длиной когерентности. При этом один из интерферометров является измеряемым объектом, а второй имеет возможность контролируемой перестройки разности длин плеч. Малая длина когерентности источника света (в нашем случае суперлюминесцентного диода с длиной волны 1 310 нм и шириной спектра около 60 нм) приводит к формированию узкого интерференционного пика при совпадении оптических задержек в опорном и сенсорном интерферометре, положение которого может быть определено с точностью вплоть до единиц нм. В результате ТНКИ позволяет производить высокоточное дистанционное измерение толщины объектов, представляющих собой две отражающих квазипараллельных поверхности, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. В нашем случае измеряемый объект представляет собой зазор между полированным торцом одномодового оптического волокна и штоком, а опорный интерферометр реализован в полностью волоконном варианте, что обеспечивает его стабильность и возможность быстрого изменения скорости и диапазона модуляции.
Таким образом, информация с датчиков «А» и «В» поступает в преобразователь, оцифровывается, передается в компьютер, и в окне специальной программы выводится информация о смещении штока в осевом и радиальном направлениях.
2. Особенности использования контактного датчика для контроля линз
2.1. Привязка контактного датчика к системе координат станка
Контактный датчик устанавливается на каретке перемещений оси Х только для измерения и не находится на станке во время обработки изделий. Для точной установки контактного датчика разработан жесткий ложемент, обеспечивающий быструю установку с погрешностью базирования не более 1–2 мкм. Ложемент устанавливается на каретке оси Х рядом с резцедержкой. Если станок переналаживается на другой тип деталей и ложемент смещается на каретке, то требуется выполнить привязку датчика, при которой совмещается положение центра рубинового шарика с осью вращения шпинделя. Для предварительной привязки с точностью 1 мкм используется цифровой микроскоп.
Для привязки датчика с точностью около 100 нм используется схема, приведенная на рис. 3. Для этого рубиновый шарик подводится к обработанной поверхности с двух сторон в симметричных точках и фиксируются показания контактного датчика. По разности показаний контактного датчика ΔUZ можно определить погрешности привязки:
ΔX = ,
где β – угол наклона нормали поверхности к оси Z. Изменяя привязку шарика по Х в системе ЧПУ станка, можно добиться разности показаний ΔUZ не более 100 нм.
Привязку датчика по оси Z проводят по касанию обрабатываемой поверхности.
2.2. Калибровка контактного датчика
Калибровка контактного датчика за счет обмера эталонной сферы позволяет исключить погрешности, обусловленные следующими факторами:
При проведении калибровки и измерении деталей на ультрапрецизионных станках серии УТМ‑250 не рассматриваются погрешности, связанные с отклонением от прямолинейности и отклонением от перпендикулярности линейных осей станка в связи с тем, что они имеют значения около 20–30 нм на длине хода 100 мм.
Калибровка выполняется по эталонной сфере, с точностью формы не хуже 50 нм и радиус которой указан в паспорте. Эталонная сфера устанавливается на шпиндель ультрапрецизионного станка, после чего выполняется обмер эталонной сферы. Для этого станок воспроизводит движение центра рубинового шарика по эквидистанте к номинальной поверхности эталона (рис. 4 а, b), а показания контактного датчика UZ выводятся в окно специальной программы.
В идеальном случае, если бы отсутствовали факторы, перечисленные в начале раздела, на графике показаний датчика UZ(X) были бы нулевые значения. По виду графика UZ(X) можно сделать выводы об источниках погрешности и скорректировать программу обмера. Например, отклонение радиуса рубинового шарика от номинального значения приводит к симметричному графику UZ(X) в виде дуги, изогнутой вверх либо вниз.
Оценку радиуса шарика r можно определить по его номинальной величине rНОМ и стрелке дуги S графика UZ(X):
r = rном − . (1)
Изменяя радиус рубинового шарика в программе обмера, можно за несколько итераций подобрать реальный радиус с точностью до 100–200 нм. При этом показания датчика UZ(X) снижаются за счет исключения составляющей, отвечающей за погрешность радиуса измерительного шарика. На рис. 5 показаны результаты калибровки контактного датчика по эталонной сфере с радиусом 20 мм. На оси абсцисс графика показано перемещение каретки с датчиком вдоль оси Х, а нулевое значение совпадает с осью эталонной сферы. По рис. 5 видно, что величина систематической компенсируемой погрешности может составлять порядка 100 нм.
Результаты калибровки контактного датчика используются в дальнейшем при измерении обрабатываемых поверхностей и коррекции управляющей программы.
2.3. Контроль и коррекция формы обрабатываемых поверхностей
2.3.1. Ошибки формы, которые могут быть скомпенсированы
Обработка деталей с последующей коррекцией формы позволяет устранить систематические погрешности, которые обусловлены следующими факторами:
Некоторые виды погрешностей имеют свою характерную форму и могут быть обнаружены по виду графика данных с датчика UZ(X).
Так, если при обработке реальный радиус режущего инструмента не совпадает с радиусом, который задан в программе обработки, то график UZ(X) будет в виде дуги изогнутой либо вверх, либо вниз, что может быть скорректировано по уравнению выше (1).
При ошибке привязки центра радиуса инструмента к системе координат станка по оси Х график UZ(X) приобретет либо V-образную (рис. 7b), либо ω-образную (рис. 7а) форму.
Волнистость режущей кромки также приводит к тому, что профиль обработанных деталей будет искажен. Кроме того, при точении хрупких материалов (кристаллы, германий и т. п.) наилучшее качество поверхности достигается при использовании алмазных резцов с отрицательным передним углом. Таким образом, режущая кромка представляет собой пересечение задней поверхности (конуса) и наклонной плоскости, а ее проекция на горизонтальную плоскость представляет собой эллипс. В то же время при формировании кода управляющей программы режущая кромка описывается окружностью. Отличие эллипса от окружности приводит к искажению обрабатываемой поверхности от номинального профиля, которое будет повторяться для каждой детали.
Упругие деформации деталей от сил резания и отжим резца могут быть исключены после измерения, если усилие прижима контактного датчика на 1–2 порядка меньше сил резания. Для этого осуществляется регулировка силы прижима штока от 0,5 до 20 г давлением прижима PSUP (рис. 2).
Упругие деформации заготовки от центробежных сил исключаются, поскольку измерение детали проводится без вращения.
Упругие деформации от зажима детали могут быть снижены, если используется вакуумный зажим, и измерение детали осуществляется при наименьшем возможном вакууме.
Таким образом, за счет контактного датчика и процедуры коррекции исключается влияние перечисленных факторов. Однако при переустановке или смене инструмента, при изменении режимов обработки (величина подачи на оборот, глубина резания, скорость вращения) или изменении величины вакуума прижима детали систематические погрешности складываются по-разному и процедуру коррекции необходимо повторять.
2.3.2. Обработка асферических германиевых линз на станке УТМ‑250 с коррекцией
Измерение обработанной асферической линзы выполняется при помощи контактного датчика по эквидистанте к обработанной поверхности. Схема измерения и процесс измерения показаны на рис. 6 а, b. Результатом обмера является график отклонения реального профиля от заданного. Примеры измерения асферических линз, обработанных разными резцами, показаны на рис. 7 а, b.
На рис. 7 представлены показания контактного датчика UZ в зависимости от перемещения каретки с датчиком вдоль оси Х. Нулевое значение X совпадает с осью вращения заготовки. После первого точения отклонение профиля от заданного составляет более 1 мкм.
Для устранения погрешности формы на станке проведены повторные проточки деталей с коррекцией траектории движения инструмента, выполненной при помощи специально разработанного в ООО «НПО Асферика» программного обеспечения (ПО) GCode_correction. Для этого в ПО были загружены данные о калибровке, данные замера формы обработанной поверхности и исходный код управляющей программы, после чего ПО сгенерировала новый код, по которому выполнена повторная проточка.
Основные функции ПО G.Code_correction:
Примеры формы поверхностей, полученных после обработки с коррекцией, показаны на рис. 7 а, b. Из рисунков видно, что точность формы P-V улучшается с 1 мкм до 0,23 мкм (рис. 7 а) и с 1,4 мкм до 0,1 мкм (рис. 7b).
При калибровке и при измерении должны совпадать настройки системы измерения: усилие прижима датчика к детали и давления подачи в аэростатические опоры штока P1 и P2.
3. Использование бесконтактного датчика
Измерительная система на базе низкокогерентного интерферометра имеет в своем составе датчик, позволяющий выполнять измерения без касания с обрабатываемой поверхностью. Датчик может работать в точном диапазоне с частотой измерения 10 Гц на расстоянии 1 мм ±0,5 мм и 11 мм ±0,5 мм от контролируемой поверхности.
Бесконтактный датчик может быть использован на станке для контроля плоских и цилиндрических поверхностей обрабатываемых деталей, а также для проведения процедуры точной юстировки взаимного расположения узлов станка. Так, при помощи бесконтактного датчика можно провести юстировку перпендикулярности линейных осей станка, а также юстировку оси шпинделя параллельно или перпендикулярно оси перемещения каретки, на которой он установлен.
Процедура юстировки состоит из следующих основных этапов:
При необходимости повторение пунктов 3–4 до достижения необходимого уровня точности.
Также бесконтактный датчик может быть использован для следующих измерительных операций на ультрапрецизионном станке (рис. 8 а–c):
Данные с бесконтактного датчика также выводятся на экран при помощи специального программного обеспечения, в котором заложена возможность проводить анализ полученных графиков отклонения формы. Пример проведения замера цилиндрической поверхности показан на рис. 9. Более подробно примеры использования контактного и бесконтактного датчика были изложены в презентации [6].
Выводы
Результатом проведенной работы является создание отечественной измерительной системы для контроля и коррекции формы деталей с параметрами точности на уровне зарубежных аналогов.
Использование бесконтактного датчика на станке УТМ‑250 позволило выполнить юстировку перпендикулярности линейных осей до величины 20–30 нм на базе 100 мм.
Разработанная измерительная система контроля деталей может быть изготовлена и поставлена как самостоятельное изделие для ультрапрецизионных и прецизионных станков.
В настоящее время ООО «НПО Асферика» занимается разработкой измерительной системы с дополнительным радиальным датчиком «В» (рис. 2), которая позволит выполнять контроль линейных размеров наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Такая конфигурация датчика позволит создать отечественный аналог контактных датчиков таких фирм, как Renishaw, Hexagon, Blum.
Использование контактного датчика на станке УТМ‑250 при обработке германиевых асферических линз позволило достигнуть наилучшей точности обработки по параметру P-V 100 нм.
REFERENCES
Gao W., Haitjema H., Fang F., Leach R. K., Cheung C. F., Savio E., Linares J. M. On-machine and in-process surface metrology for precision manufacturing. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2019. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.05.005.
Automated form error compensation. URL: https://www.precitech.com/precision-optics-technology/application-notes/automated-form-error-correction.
AIR BEARING C-LVDT USER’S GUIDE. Capacitive LVDT-Type Contact Sensor. URL: https://www.lionprecision.com/user-manual-air-bearing-c-lvdt/ (Дата посещения 01.02.2025).
Бурдак С. В., Захаревич Е. М., Лапшин В. В., Шавва М. А., Пошехонов Р. А. Инновационные разработки в области российского ультрапрецизионного станкостроения. Фотоника. 2024;18(2):116–120, DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.116.120.
Burdak S. V., Zakharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Poshekhonov R. A. Innovative Developments in the Field of Russian Ultra-precision Machine Tools. Photonics Russia. 2024; 18(2): 116–120, DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.116.120.
Лапшин В. В., Захаревич Е. М., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Осипов А. В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования. Фотоника. 2021;15(1):18–29.
Lapshin V. V., Zakharevich E. M., Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Osipov A. V. Technology of Machining Optical Parts Made of KRS5 Crystals by Diamond Turning and Milling. Photonics Russia. 2021;15(1):18–29.
Захаревич Е. М., Пошехонов Р. А., Лапшин В. В., Шавва М. А. Метрологическое обеспечение ультрапрецизионных станков для обработки оптики и точной механики. Презентация с демо-дня индустр. центра компетенций «Метрология и измерительная техника», Госкорпорации Ростех. М. 2024. URL: https://aspherica.ru/publications. (Дата посещения 10.02.2025).
Zaharevich E. M., Poshekhonov R. A., Lapshin V. V., Shavva M. A. Metrologicheskoe obespechenie ul’traprecizionnyh stankov dlya obrabotki optiki i tochnoj mekhaniki. Prezentaciya s demo-dnya industr. centra kompetencij ”Metrologiya i izmeritel’naya tekhnika”, Goskorporacii Rostekh. M. 2024. URL: https://aspherica.ru/publications. (10.02.2025).
АВТОРЫ
Захаревич Евгений Мефодьевич, директор по науке и инновациям ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия; e-mail: zaharev@gmail.com.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Лапшин Василий Владимирович, старший инженер-исследователь, ООО «НПО Асферика» Москва, Россия; e-mail: lapshin_v@aspherica.ru.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Шавва Мария Александровна, к. т. н., главный конструктор, ООО «НПО Асферика» Москва, Россия; e-mail: shavva_m@aspherica.ru
ORCID: 0000-0002-4676-2567
Пошехонов Роман Александрович, к. т. н., доцент, МГТУ им. Н.Э Баумана (НИУ), Москва, Россия; e-mail: poshekhonov_r@aspherica.ru
ORCID: 0000-0003-2188-7854
Волков Петр Витальевич, к. ф.‑ м. н., директор, НПО «Технологические электронные оптические системы», г. Нижний Новгород, Россия; e-mail: p.volkov.79@yandex.ru.
ORCID: 0000-0003-2479-0716
серии УТМ‑250
Е. М. Захаревич 1, В. В. Лапшин 1, М. А. Шавва 1, Р. А. Пошехонов 2, П. В. Волков 3
1. ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
2. МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
3. ООО «Научно-производственное предприятие ТЭОС», г. Нижний Новгород, Россия
В статье описана встраиваемая измерительная система отечественной разработки для контроля формы оптических деталей, которая может быть использована на ультрапрецизионных станках, предназначенных для алмазного точения. Система контроля имеет в составе контактный и бесконтактный датчики, низкокогерентный интерферометр, преобразователь сигнала и программное обеспечение, позволяющее проводить расчет отклонений формы сферических и асферических поверхностей и корректировать код управляющей программы для исключения систематических отклонений формы. Приведены примеры использования контактного датчика для повышения точности формы P-V асферических линз из германия диаметром 90 мм с 1,4 мкм до 100 нм после компенсации систематических отклонений формы. Описаны возможности использования бесконтактного датчика входящего в измерительную систему для выполнения юстировки ультрапрецизионного станка, а также контроля плоских и цилиндрических поверхностей.
Ключевые слова: встроенная измерительная система, ультрапрецизионные станки, аэростатические подшипники, алмазное точение, обработка оптических деталей, асферические линзы из германия, контроль асферических линз.
Статья поступила: 21.01.2025
Статья принята: 20.02.2025
Введение
Точность формы оптических деталей составляет доли микрометров, что определяет ряд требований к конструкции ультрапрецизионных станков алмазного точения, на которых выполняется их обработка. Такие станки должны быть изготовлены с использованием аэро- или гидростатических опор, безжелезных синхронных двигателей для шпинделей и суппортов линейных перемещений, систем термостабилизации и виброизоляции, что уменьшает влияние случайных факторов на форму детали. Однако остаются факторы, приводящие к систематической погрешности формы детали, влияние которых может быть снижено, если использовать контроль формы обработанных деталей и коррекцию кода управляющей программы.
Для серийного производства процедура обмера детали и коррекции формы должна осуществляться на станке за счет встроенных средств контроля формы детали. В статье [1] выполнен обзор станочных систем измерения, действующих на основе атомно-силовых микроскопов, интерферометров, конфокальной микроскопии, голографии, контактных стилусов. Например, ультрапрецизионные станки модели Nanoform для алмазного точения оптических деталей компании Precitech [2] имеют встроенный контактный датчик с дифференциальным преобразователем перемещений (LVDT) и штоком на аэростатических опорах, что исключает трение при смещении штока и позволяет проводить измерение с постоянной прижимающей силой с разрешением 0,1 нм. Усилие прижима измерительного щупа поддерживается постоянным и может быть установлено от 0,1 грамм.
Схожую конструкцию имеет контактный датчик, разработанный компанией Lion Precision [3], имеющий диапазон измерения 0,5 мм и разрешение 1 нм и обеспечивающий контактное усилие от 0,2 до 100 грамм. Для снижения износа и коэффициента трения при скольжении по детали контактный датчик имеет алмазный наконечник щупа.
Компания ООО «НПО Асферика» производит обработку ответственных оптических деталей различного назначения, а также разрабатывает и изготавливает ультрапрецизионные станки серии УТМ для проведения такой обработки алмазным точением, фрезерованием и шлифованием [4–5]. К настоящему моменту компанией накоплен значительный опыт алмазного точения цветных металлов и сплавов, различных кристаллов (кремний, германий, КРС, KDP и др.), пластиков и т. д. Форма поверхностей может варьироваться от плоских и цилиндрических до сферических и асферических.
Для комплектации станков серии УТМ в ООО «НПО Асферика» совместно с ООО «НПП ТЭОС» создана встраиваемая измерительная система на базе низкокогерентного интерферометра для контроля детали контактным (рис. 1а) и бесконтактным (рис. 1b) датчиком, позволяющая проверять форму детали сразу после обработки без снятия заготовки. Эта измерительная система служит для контроля формы детали, а также для коррекции управляющей программы, в случае если необходимо выполнить повторную обработку для повышения точности формы.
Контактный датчик предназначен для контроля сферических и асферических поверхностей. Бесконтактный датчик может быть использован для контроля цилиндрических и плоских поверхностей с оптическим качеством поверхности без повреждения обработанной поверхности.
Основные характеристики измерительной системы на базе низкокогерентного интерферометра приведены в табл. 1.
1. Описание конструкции контактного датчика
Конструкция контактного датчика содержит корпус, в котором встроены две аэростатических опоры с независимой подачей воздуха с давлениями P1 и P2 и шток, к которому крепится измерительный щуп с рубиновым наконечником. При подаче воздуха в аэростатические опоры шток может свободно скользить практически без трения, износа, люфта и фрикционных колебаний. Для контроля осевых и радиальных смещений штока служат датчики «А» и «В» (рис. 2). Во время измерения рубиновый шарик упирается в деталь за счет подачи регулируемого давления PSUP в полость прижима. Для регулирования радиальной жесткости в точке контакта с деталью можно изменить давление подачи воздуха в одну из опор.
Измерение смещения штока осуществляется с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии (ТНКИ). В ТНКИ реализуется схема сравнения, в которой два последовательно соединенных интерферометра освещаются светом с малой длиной когерентности. При этом один из интерферометров является измеряемым объектом, а второй имеет возможность контролируемой перестройки разности длин плеч. Малая длина когерентности источника света (в нашем случае суперлюминесцентного диода с длиной волны 1 310 нм и шириной спектра около 60 нм) приводит к формированию узкого интерференционного пика при совпадении оптических задержек в опорном и сенсорном интерферометре, положение которого может быть определено с точностью вплоть до единиц нм. В результате ТНКИ позволяет производить высокоточное дистанционное измерение толщины объектов, представляющих собой две отражающих квазипараллельных поверхности, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. В нашем случае измеряемый объект представляет собой зазор между полированным торцом одномодового оптического волокна и штоком, а опорный интерферометр реализован в полностью волоконном варианте, что обеспечивает его стабильность и возможность быстрого изменения скорости и диапазона модуляции.
Таким образом, информация с датчиков «А» и «В» поступает в преобразователь, оцифровывается, передается в компьютер, и в окне специальной программы выводится информация о смещении штока в осевом и радиальном направлениях.
2. Особенности использования контактного датчика для контроля линз
2.1. Привязка контактного датчика к системе координат станка
Контактный датчик устанавливается на каретке перемещений оси Х только для измерения и не находится на станке во время обработки изделий. Для точной установки контактного датчика разработан жесткий ложемент, обеспечивающий быструю установку с погрешностью базирования не более 1–2 мкм. Ложемент устанавливается на каретке оси Х рядом с резцедержкой. Если станок переналаживается на другой тип деталей и ложемент смещается на каретке, то требуется выполнить привязку датчика, при которой совмещается положение центра рубинового шарика с осью вращения шпинделя. Для предварительной привязки с точностью 1 мкм используется цифровой микроскоп.
Для привязки датчика с точностью около 100 нм используется схема, приведенная на рис. 3. Для этого рубиновый шарик подводится к обработанной поверхности с двух сторон в симметричных точках и фиксируются показания контактного датчика. По разности показаний контактного датчика ΔUZ можно определить погрешности привязки:
ΔX = ,
где β – угол наклона нормали поверхности к оси Z. Изменяя привязку шарика по Х в системе ЧПУ станка, можно добиться разности показаний ΔUZ не более 100 нм.
Привязку датчика по оси Z проводят по касанию обрабатываемой поверхности.
2.2. Калибровка контактного датчика
Калибровка контактного датчика за счет обмера эталонной сферы позволяет исключить погрешности, обусловленные следующими факторами:
- отклонениями формы (волнистость) и размера рубинового шарика;
- упругими деформациями щупа и штока;
- податливостью аэростатических опор штока.
При проведении калибровки и измерении деталей на ультрапрецизионных станках серии УТМ‑250 не рассматриваются погрешности, связанные с отклонением от прямолинейности и отклонением от перпендикулярности линейных осей станка в связи с тем, что они имеют значения около 20–30 нм на длине хода 100 мм.
Калибровка выполняется по эталонной сфере, с точностью формы не хуже 50 нм и радиус которой указан в паспорте. Эталонная сфера устанавливается на шпиндель ультрапрецизионного станка, после чего выполняется обмер эталонной сферы. Для этого станок воспроизводит движение центра рубинового шарика по эквидистанте к номинальной поверхности эталона (рис. 4 а, b), а показания контактного датчика UZ выводятся в окно специальной программы.
В идеальном случае, если бы отсутствовали факторы, перечисленные в начале раздела, на графике показаний датчика UZ(X) были бы нулевые значения. По виду графика UZ(X) можно сделать выводы об источниках погрешности и скорректировать программу обмера. Например, отклонение радиуса рубинового шарика от номинального значения приводит к симметричному графику UZ(X) в виде дуги, изогнутой вверх либо вниз.
Оценку радиуса шарика r можно определить по его номинальной величине rНОМ и стрелке дуги S графика UZ(X):
r = rном − . (1)
Изменяя радиус рубинового шарика в программе обмера, можно за несколько итераций подобрать реальный радиус с точностью до 100–200 нм. При этом показания датчика UZ(X) снижаются за счет исключения составляющей, отвечающей за погрешность радиуса измерительного шарика. На рис. 5 показаны результаты калибровки контактного датчика по эталонной сфере с радиусом 20 мм. На оси абсцисс графика показано перемещение каретки с датчиком вдоль оси Х, а нулевое значение совпадает с осью эталонной сферы. По рис. 5 видно, что величина систематической компенсируемой погрешности может составлять порядка 100 нм.
Результаты калибровки контактного датчика используются в дальнейшем при измерении обрабатываемых поверхностей и коррекции управляющей программы.
2.3. Контроль и коррекция формы обрабатываемых поверхностей
2.3.1. Ошибки формы, которые могут быть скомпенсированы
Обработка деталей с последующей коррекцией формы позволяет устранить систематические погрешности, которые обусловлены следующими факторами:
- волнистость режущей кромки инструмента;
- расхождение реальной величины радиуса инструмента с заданным в управляющей программе;
- погрешность привязки инструмента к системе координат станка по оси Х;
- наличие отрицательного переднего угла у резца;
- упругие деформации заготовки от центробежных сил, сил зажима и сил резания;
- упругий отжим резца.
Некоторые виды погрешностей имеют свою характерную форму и могут быть обнаружены по виду графика данных с датчика UZ(X).
Так, если при обработке реальный радиус режущего инструмента не совпадает с радиусом, который задан в программе обработки, то график UZ(X) будет в виде дуги изогнутой либо вверх, либо вниз, что может быть скорректировано по уравнению выше (1).
При ошибке привязки центра радиуса инструмента к системе координат станка по оси Х график UZ(X) приобретет либо V-образную (рис. 7b), либо ω-образную (рис. 7а) форму.
Волнистость режущей кромки также приводит к тому, что профиль обработанных деталей будет искажен. Кроме того, при точении хрупких материалов (кристаллы, германий и т. п.) наилучшее качество поверхности достигается при использовании алмазных резцов с отрицательным передним углом. Таким образом, режущая кромка представляет собой пересечение задней поверхности (конуса) и наклонной плоскости, а ее проекция на горизонтальную плоскость представляет собой эллипс. В то же время при формировании кода управляющей программы режущая кромка описывается окружностью. Отличие эллипса от окружности приводит к искажению обрабатываемой поверхности от номинального профиля, которое будет повторяться для каждой детали.
Упругие деформации деталей от сил резания и отжим резца могут быть исключены после измерения, если усилие прижима контактного датчика на 1–2 порядка меньше сил резания. Для этого осуществляется регулировка силы прижима штока от 0,5 до 20 г давлением прижима PSUP (рис. 2).
Упругие деформации заготовки от центробежных сил исключаются, поскольку измерение детали проводится без вращения.
Упругие деформации от зажима детали могут быть снижены, если используется вакуумный зажим, и измерение детали осуществляется при наименьшем возможном вакууме.
Таким образом, за счет контактного датчика и процедуры коррекции исключается влияние перечисленных факторов. Однако при переустановке или смене инструмента, при изменении режимов обработки (величина подачи на оборот, глубина резания, скорость вращения) или изменении величины вакуума прижима детали систематические погрешности складываются по-разному и процедуру коррекции необходимо повторять.
2.3.2. Обработка асферических германиевых линз на станке УТМ‑250 с коррекцией
Измерение обработанной асферической линзы выполняется при помощи контактного датчика по эквидистанте к обработанной поверхности. Схема измерения и процесс измерения показаны на рис. 6 а, b. Результатом обмера является график отклонения реального профиля от заданного. Примеры измерения асферических линз, обработанных разными резцами, показаны на рис. 7 а, b.
На рис. 7 представлены показания контактного датчика UZ в зависимости от перемещения каретки с датчиком вдоль оси Х. Нулевое значение X совпадает с осью вращения заготовки. После первого точения отклонение профиля от заданного составляет более 1 мкм.
Для устранения погрешности формы на станке проведены повторные проточки деталей с коррекцией траектории движения инструмента, выполненной при помощи специально разработанного в ООО «НПО Асферика» программного обеспечения (ПО) GCode_correction. Для этого в ПО были загружены данные о калибровке, данные замера формы обработанной поверхности и исходный код управляющей программы, после чего ПО сгенерировала новый код, по которому выполнена повторная проточка.
Основные функции ПО G.Code_correction:
- исключение влияния на результаты измерений погрешности установки контактного датчика;
- исключение систематических погрешностей измерительной системы, определенных при калибровке датчика;
- фильтрация шума и выпадающих значений данных с датчика;
- подбор параметра кривизны R0 и конической константы k для асферического профиля;
- определение параметров P-V относительно номинального профиля или профиля с подобранными значениями R0, k.
Примеры формы поверхностей, полученных после обработки с коррекцией, показаны на рис. 7 а, b. Из рисунков видно, что точность формы P-V улучшается с 1 мкм до 0,23 мкм (рис. 7 а) и с 1,4 мкм до 0,1 мкм (рис. 7b).
При калибровке и при измерении должны совпадать настройки системы измерения: усилие прижима датчика к детали и давления подачи в аэростатические опоры штока P1 и P2.
3. Использование бесконтактного датчика
Измерительная система на базе низкокогерентного интерферометра имеет в своем составе датчик, позволяющий выполнять измерения без касания с обрабатываемой поверхностью. Датчик может работать в точном диапазоне с частотой измерения 10 Гц на расстоянии 1 мм ±0,5 мм и 11 мм ±0,5 мм от контролируемой поверхности.
Бесконтактный датчик может быть использован на станке для контроля плоских и цилиндрических поверхностей обрабатываемых деталей, а также для проведения процедуры точной юстировки взаимного расположения узлов станка. Так, при помощи бесконтактного датчика можно провести юстировку перпендикулярности линейных осей станка, а также юстировку оси шпинделя параллельно или перпендикулярно оси перемещения каретки, на которой он установлен.
Процедура юстировки состоит из следующих основных этапов:
- Обработка на станке тестовой детали по цилиндрической или торцевой поверхности.
- Измерение обработанной поверхности бесконтактным датчиком.
- Юстировка выбранной оси при помощи встроенных приспособлений.
- Повторная обработка и измерение тестовой детали.
При необходимости повторение пунктов 3–4 до достижения необходимого уровня точности.
Также бесконтактный датчик может быть использован для следующих измерительных операций на ультрапрецизионном станке (рис. 8 а–c):
- измерение отклонения от прямолинейности плоских или цилиндрических поверхностей;
- измерение отклонения от круглости и плоскостности.
Данные с бесконтактного датчика также выводятся на экран при помощи специального программного обеспечения, в котором заложена возможность проводить анализ полученных графиков отклонения формы. Пример проведения замера цилиндрической поверхности показан на рис. 9. Более подробно примеры использования контактного и бесконтактного датчика были изложены в презентации [6].
Выводы
Результатом проведенной работы является создание отечественной измерительной системы для контроля и коррекции формы деталей с параметрами точности на уровне зарубежных аналогов.
Использование бесконтактного датчика на станке УТМ‑250 позволило выполнить юстировку перпендикулярности линейных осей до величины 20–30 нм на базе 100 мм.
Разработанная измерительная система контроля деталей может быть изготовлена и поставлена как самостоятельное изделие для ультрапрецизионных и прецизионных станков.
В настоящее время ООО «НПО Асферика» занимается разработкой измерительной системы с дополнительным радиальным датчиком «В» (рис. 2), которая позволит выполнять контроль линейных размеров наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Такая конфигурация датчика позволит создать отечественный аналог контактных датчиков таких фирм, как Renishaw, Hexagon, Blum.
Использование контактного датчика на станке УТМ‑250 при обработке германиевых асферических линз позволило достигнуть наилучшей точности обработки по параметру P-V 100 нм.
REFERENCES
Gao W., Haitjema H., Fang F., Leach R. K., Cheung C. F., Savio E., Linares J. M. On-machine and in-process surface metrology for precision manufacturing. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2019. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.05.005.
Automated form error compensation. URL: https://www.precitech.com/precision-optics-technology/application-notes/automated-form-error-correction.
AIR BEARING C-LVDT USER’S GUIDE. Capacitive LVDT-Type Contact Sensor. URL: https://www.lionprecision.com/user-manual-air-bearing-c-lvdt/ (Дата посещения 01.02.2025).
Бурдак С. В., Захаревич Е. М., Лапшин В. В., Шавва М. А., Пошехонов Р. А. Инновационные разработки в области российского ультрапрецизионного станкостроения. Фотоника. 2024;18(2):116–120, DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.116.120.
Burdak S. V., Zakharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Poshekhonov R. A. Innovative Developments in the Field of Russian Ultra-precision Machine Tools. Photonics Russia. 2024; 18(2): 116–120, DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.116.120.
Лапшин В. В., Захаревич Е. М., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Осипов А. В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования. Фотоника. 2021;15(1):18–29.
Lapshin V. V., Zakharevich E. M., Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Osipov A. V. Technology of Machining Optical Parts Made of KRS5 Crystals by Diamond Turning and Milling. Photonics Russia. 2021;15(1):18–29.
Захаревич Е. М., Пошехонов Р. А., Лапшин В. В., Шавва М. А. Метрологическое обеспечение ультрапрецизионных станков для обработки оптики и точной механики. Презентация с демо-дня индустр. центра компетенций «Метрология и измерительная техника», Госкорпорации Ростех. М. 2024. URL: https://aspherica.ru/publications. (Дата посещения 10.02.2025).
Zaharevich E. M., Poshekhonov R. A., Lapshin V. V., Shavva M. A. Metrologicheskoe obespechenie ul’traprecizionnyh stankov dlya obrabotki optiki i tochnoj mekhaniki. Prezentaciya s demo-dnya industr. centra kompetencij ”Metrologiya i izmeritel’naya tekhnika”, Goskorporacii Rostekh. M. 2024. URL: https://aspherica.ru/publications. (10.02.2025).
АВТОРЫ
Захаревич Евгений Мефодьевич, директор по науке и инновациям ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия; e-mail: zaharev@gmail.com.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Лапшин Василий Владимирович, старший инженер-исследователь, ООО «НПО Асферика» Москва, Россия; e-mail: lapshin_v@aspherica.ru.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Шавва Мария Александровна, к. т. н., главный конструктор, ООО «НПО Асферика» Москва, Россия; e-mail: shavva_m@aspherica.ru
ORCID: 0000-0002-4676-2567
Пошехонов Роман Александрович, к. т. н., доцент, МГТУ им. Н.Э Баумана (НИУ), Москва, Россия; e-mail: poshekhonov_r@aspherica.ru
ORCID: 0000-0003-2188-7854
Волков Петр Витальевич, к. ф.‑ м. н., директор, НПО «Технологические электронные оптические системы», г. Нижний Новгород, Россия; e-mail: p.volkov.79@yandex.ru.
ORCID: 0000-0003-2479-0716
Отзывы читателей
