eng
Высокий уровень оптических технологий достижим только в том случае, когда производитель оптических деталей точно соблюдает конструкторские требования. Без соответствующего метрологического обеспечения угловых измерений эта задача не имеет решения. Повышение точности угловых измерений вскрыло серьезную потребность производителей в высокоточных цифровых измерителях угла. В статье дан сравнительный анализ моделей гониометров, представленных на отечественном рынке.
Теги: digital goniometers metrological supervision of the unity of angular measurements optical details manufacturing гониометры метрологическое обеспечение угловых измерений производство оптических деталей
В настоящее время, когда наука и техника развиваются гигантскими темпами, возникает очень серьезный вопрос о точности различных видов измерений, без которых невозможно проводить эксперименты, а значит двигаться дальше по неизведанной тропе научных исследований. В последние несколько лет возникла серьезная потребность в высокоточных цифровых измерителях угла. Для измерения различных оптических деталей и поверки угловых мер предназначены гониометры 1, 2 и 3 разряда. На российском рынке на сегодняшний день широким спросом пользуются устаревшие модели – визуальные гониометры производства Киевского завода "Арсенал" (модели ГС-2, Г5М и ГС-5) и современные – цифровые гониометры производства "НПК "Диагностика" (модели СГ-1Ц и СГ-3Ц) (рис.1, 2), а также ряд импортных аналогов (рис.3, 4).
Напомним процедуру метрологического обеспечения единства угловых измерений. Согласно государственной поверочной схеме для средств измерений (СИ) плоского угла ГОСТ 8.016-81 меры плоского угла призматические являются основными рабочими эталонами для передачи размера от эталона единицы плоского угла до рабочих средств измерений. Кроме того, с помощью угловых мер производят установку и градуировку измерительных приборов и инструментов, а также непосредственное измерение и разметку изделий, наладку станков и приспособлений и т.д. Поэтому меры плоского угла наиболее важный элемент метрологического обеспечения предприятий.
В соответствии с ГОСТ 2875-88 существуют четыре типа мер плоского угла: тип 1 и 2 – это меры с одним рабочим углом, тип 3 – с четырьмя рабочими углами и тип 4 – это правильная многогранная призма. Меры плоского угла типа 1, 2 и 3 изготавливают из стали марки ШХ15 по ГОСТ 801-78, меры типа 4 – из оптического ситалла марки СО115М или оптического стекла марок К8 или ЛК7 по ГОСТ 3514-76.
Специалистам хорошо известно, что передачу размера плоского угла от высшего разряда (рабочих эталонов) к низшему (образцовым средствам измерений) обеспечивает метод прямого измерения с помощью многогранной призмы. СКО отклонений результатов сличений рабочих эталонов с первичным эталоном составляет от 0,03" до 0,08".
Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых многогранных призм и образцовых средств измерений 1 разряда.
Доверительные абсолютные погрешности δ образцовых средств измерений 1 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,1" до 0,4". Их применяют для поверки образцовых угловых мер типов 1, 2 и 3, образцовых многогранных призм, рабочих гониометров с Δ = 1 – 2", визуальных АК с Δ = 0,6 – 6" и уровней с Δ = 0,2 – 0,8" методом прямых измерений. Поверку рабочих теодолитов, оптических делительных головок, оптических квадрантов и измерительных преобразователей с Δ = 1 – 3" осуществляют непосредственным сличением.
В качестве образцовых средств измерений 2 разряда применяют: гониометры, угловые меры типов 1, 2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности образцовых средств измерений 2 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,4" до 2,0". Образцовые средства измерений 2 разряда применяют для поверки угловых мер типов 1, 2 и 3, рабочих многогранных призм класса точности 00 и 0, гониометров с Δ = 3 – 5", визуальных автоколлиматоров АК с Δ = 5–30" и экзаменаторов 3 разряда методом прямых измерений. Поверку рабочих теодолитов, оптических делительных головок, оптических квадрантов и измерительных преобразователей с Δ = 5–7", измерительных преобразователей угла поворота с Δ = 5–10" – непосредственным сличением.
В качестве образцовых средств измерений 3 разряда применяются: гониометры, угловые меры типов 1, 2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности образцовых средств измерений 3 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 2" до 8". Их применяют для поверки образцовых угловых мер типов 1, 2, 3 и многогранных призм 4 разряда, рабочих СИ: угловых мер типов 1,2 и 3 класса точности 1 и 2, многогранных призм класса точности 1 и 2 – методом прямых измерений.
Документ МИ 1758-87 определяет процедуру поверки угловых мер. Поверка угловых мер визуальными гониометрами сопряжена с некоторыми трудностями, они ограничивают удобство проведения операций поверки угловых мер. Во-первых, необходима предварительная подготовка к измерениям (настройка плоскости поворотного столика с установленной мерой с оптической осью визуального автоколлиматора). Во-вторых, непосредственное измерение визуальными гониометрами связано с необходимостью выполнять большое количество действий и измерений, при этом надо учитывать трудоемкость визуального считывания и обработки результата измерений. В-третьих, кроме ручных измерений необходимо вручную сформировать протоколы измерений и математически их обработать.
Для измерения различных оптических деталей, плоской микро- и макрооптики, а также для поверки угловых мер типов 1–4 используются гониометры. Принцип измерения на гониометре заключается в том, что при совпадении оптической оси автоколлиматора и отраженного изображения автоколлимационной марки от грани контролируемой детали выполняется последовательная фиксация положения плоских поверхностей измеряемого угла с отсчетом их положения по отсчетному устройству гониометра.
На сегодняшний день большинство лабораторий и оптических предприятий России для поверки угловых мер и измерения выпускаемых оптических деталей используют технически устаревшие визуальные модели гониометров, такие как ГС-2 (соответствует СИ 2 разряда) и ГС-5 или Г5М (соответствует СИ 3 разряда).
Описанные модели обладают типичными для визуальных гониометров недостатками: низкая эффективность (обусловлена трудоемкостью юстировки и использованием визуального метода считывания); большая вероятность субъективных ошибок оператора (утомляемость); визуальный метод считывания негативно влияет на зрение оператора.
Учитывая, что все недостатки работы с визуальными гониометрами тесно связаны с их зависимостью от физиологических свойств оператора, а современный уровень развития техники предполагает широкое использование компьютера для проведения и обработки различных измерений, предприятие НПК "Диагностика" разработало серию гониометров, осуществляющих угловые измерения в автоматическом режиме. Это современные цифровые гониометры серии СГ-Ц (рис.5). Гониометры СГ-Ц внесены в ГосРеестр СИ, имеют Знак качества СИ. Гониометры, выпускаемые НПК "Диагностика" с успехом используют, например, такие профильные оптические предприятия, как ОАО "ЛОМО", ОАО "НИИ "ПОЛЮС", ОАО "РПЗ", ОАО "ПО "УОМЗ", а также целый ряд коммерческих организаций. Гониометрами серии СГ-Ц также оснащены центры стандартизации и метрологии: ФБУ Ростест-Москва, ФБУ Тест-СПб, ФБУ Кировский ЦСМ и многие другие метрологические центры.
Выпускаемые гониометры СГ-Ц обеспечивают автоматический режим угловых измерений объекта в статическом положении. При этом в основе измерений прибора лежит работа двухкоординатного цифрового автоколлиматора и высокоточного цифрового углового преобразователя.
На оптическом рынке известны и цифровые гониометры, выпускаемые немецкими фирмами: Moeller-Wedel GmbH и Trioptics GmbH.
Оценим рассмотренные выше модели гониометров по трем основным параметрам: точности, эффективности и экономичности (см.таблицу).
Точность
Цифровой гониометр СГ-1Ц (НПК "Диагностика"), соответствует СИ 2 разряда. Высокая точность измерения обеспечивается за счет совместного использования высокоточного преобразователя угла с разрешением 0,036", применяемых алгоритмов обработки информации и цифрового автоколлиматора, имеющего погрешность измерения ±0,3". В конструкцию автоколлиматора входит высокочувствительная ПЗС-матрица. Это позволяет работать с объектами, имеющими малую площадь отражающей поверхности, а также с поверхностями, обладающими низким коэффициентом отражения – на уровне 4%. Совместное использование и автоматический пересчет угла по преобразователю угла и высокочувствительной ПЗС-матрице устраняет субъективные ошибки оператора и минимизирует возможное влияние случайных факторов.
Автоматизация статистической обработки многократных измерений обеспечена программным обеспечением "Гониометр" (рис.6). В данном гониометре СКО погрешность измерений не превышает 0,6". По окончании проведения измерений на компьютере выводится таблица с протоколом результатов измерений.
Для минимизации погрешностей (аберраций), создаваемых оптической системой автоколлиматора, осветитель предусмотрительно снабжен красным монохроматическим источником света. Источник света, сконструированный на основе суперъяркого светодиода с длиной волны 650 нм, сводит к минимуму внешнее тепловое воздействие.
Регулировка совмещения визирной оси автоколлиматора по высоте осуществляется перемещением винта стойки автоколлиматора по вертикали.
Эффективность
Характеристики цифрового гониометра СГ-1Ц (НПК "Диагностика") позволяют контролировать как угловые меры и призмы, так и высокоточные оптические детали (рис.7) различной конфигурации, например корпуса лазерных гироскопов. Прибор обеспечивает контроль сборки и склейки оптических деталей, а компактность и небольшая масса прибора позволяют снизить затраты на подготовку рабочего места оператора (рис.8).
Процесс настройки гониометра довольно прост. Угловое поле зрения, т. е. диапазон измерения автоколлиматора, – достаточно широкое для удобства начальной юстировки и последующей работы. Интуитивное русскоязычное и наглядное программное обеспечение и заложенный в алгоритме работы автоматизированный принцип измерения не требуют от оператора большого опыта в работе с гониометром. За счет автоматизации процесса вычислений и непосредственной визуализации процесса измерения обеспечена высокая скорость измерений (время, затрачиваемое на контроль одного угла детали, занимает не более 10–15 секунд). Автоматизация минимизирует субъективные ошибки оператора. А подготовка прибора к работе занимает очень мало времени.
Экономичность
Гониометр СГ-1Ц (НПК "Диагностика") – полностью отечественный прибор. Качественная механическая сборка узлов прибора и точная юстировка оптических элементов выполняются высококвалифицированными специалистами предприятия. Отработанные технологии изготовления и унификация процессов сборки позволяют установить относительно невысокую рыночную стоимость прибора. Конструкция прибора требует минимального технического обслуживания, поэтому текущие затраты на обслуживание гониометра практически отсутствуют. Несложная подготовка к работе с прибором, компьютерная обработка и съем показаний требуют минимального обучения операторов.
Как правило, изделия, содержащие оптические детали, пердставляют собой продукты высоких технологий в оптике. А такие технологии являются ключевыми для многих промышленных задач. Технологические новинки, конечно же, связаны с контрольно-измерительным оборудованием. Углоизмерительные приборы – гониометры серии СГ-1Ц производимые предприятием НПК "Диагностика" помогут отечественным предприятиям увеличить выход годных изделий, повысить их качество и создать поистине инновационную и конкурентоспособную продукцию.
Литература
ГОСТ 8.016-81. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений плоского угла.
ГОСТ 2875-88 .ГСИ. Меры плоского угла призматические. Общие технические условия.
МИ 1758-87. Меры плоского угла призматические. Рекомендации. Методика поверки.
Гониометры статические СГ-Ц. Руководство по эксплуатации. – С-Пб: НПК "Диагностика", ДИАГ.401235.002 РЭ.
Приложение к свидетельству об утверждении типа №43297-09. Гониометры статические СГ-Ц.
Безвесільна О.М., Киричук Ю.В., Ткаченко С.С. Аналітичний огляд робіт у галузі високоточних вимірювачів кута з". – Киев: Арсенал, 2001, с. 27.
www.moeller-wedel.com
www.trioptics.com
www.arsenalcdb.com.ua
Prism Master. Каталог компании Trioptics GmbH, с.12.
Goniomat М. Каталог компании Moeller-Wedel GmbH, с.10.
Goniometer. Каталог компании Moeller-Wedel GmbH, с.12.
Напомним процедуру метрологического обеспечения единства угловых измерений. Согласно государственной поверочной схеме для средств измерений (СИ) плоского угла ГОСТ 8.016-81 меры плоского угла призматические являются основными рабочими эталонами для передачи размера от эталона единицы плоского угла до рабочих средств измерений. Кроме того, с помощью угловых мер производят установку и градуировку измерительных приборов и инструментов, а также непосредственное измерение и разметку изделий, наладку станков и приспособлений и т.д. Поэтому меры плоского угла наиболее важный элемент метрологического обеспечения предприятий.
В соответствии с ГОСТ 2875-88 существуют четыре типа мер плоского угла: тип 1 и 2 – это меры с одним рабочим углом, тип 3 – с четырьмя рабочими углами и тип 4 – это правильная многогранная призма. Меры плоского угла типа 1, 2 и 3 изготавливают из стали марки ШХ15 по ГОСТ 801-78, меры типа 4 – из оптического ситалла марки СО115М или оптического стекла марок К8 или ЛК7 по ГОСТ 3514-76.
Специалистам хорошо известно, что передачу размера плоского угла от высшего разряда (рабочих эталонов) к низшему (образцовым средствам измерений) обеспечивает метод прямого измерения с помощью многогранной призмы. СКО отклонений результатов сличений рабочих эталонов с первичным эталоном составляет от 0,03" до 0,08".
Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых многогранных призм и образцовых средств измерений 1 разряда.
Доверительные абсолютные погрешности δ образцовых средств измерений 1 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,1" до 0,4". Их применяют для поверки образцовых угловых мер типов 1, 2 и 3, образцовых многогранных призм, рабочих гониометров с Δ = 1 – 2", визуальных АК с Δ = 0,6 – 6" и уровней с Δ = 0,2 – 0,8" методом прямых измерений. Поверку рабочих теодолитов, оптических делительных головок, оптических квадрантов и измерительных преобразователей с Δ = 1 – 3" осуществляют непосредственным сличением.
В качестве образцовых средств измерений 2 разряда применяют: гониометры, угловые меры типов 1, 2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности образцовых средств измерений 2 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,4" до 2,0". Образцовые средства измерений 2 разряда применяют для поверки угловых мер типов 1, 2 и 3, рабочих многогранных призм класса точности 00 и 0, гониометров с Δ = 3 – 5", визуальных автоколлиматоров АК с Δ = 5–30" и экзаменаторов 3 разряда методом прямых измерений. Поверку рабочих теодолитов, оптических делительных головок, оптических квадрантов и измерительных преобразователей с Δ = 5–7", измерительных преобразователей угла поворота с Δ = 5–10" – непосредственным сличением.
В качестве образцовых средств измерений 3 разряда применяются: гониометры, угловые меры типов 1, 2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности образцовых средств измерений 3 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 2" до 8". Их применяют для поверки образцовых угловых мер типов 1, 2, 3 и многогранных призм 4 разряда, рабочих СИ: угловых мер типов 1,2 и 3 класса точности 1 и 2, многогранных призм класса точности 1 и 2 – методом прямых измерений.
Документ МИ 1758-87 определяет процедуру поверки угловых мер. Поверка угловых мер визуальными гониометрами сопряжена с некоторыми трудностями, они ограничивают удобство проведения операций поверки угловых мер. Во-первых, необходима предварительная подготовка к измерениям (настройка плоскости поворотного столика с установленной мерой с оптической осью визуального автоколлиматора). Во-вторых, непосредственное измерение визуальными гониометрами связано с необходимостью выполнять большое количество действий и измерений, при этом надо учитывать трудоемкость визуального считывания и обработки результата измерений. В-третьих, кроме ручных измерений необходимо вручную сформировать протоколы измерений и математически их обработать.
Для измерения различных оптических деталей, плоской микро- и макрооптики, а также для поверки угловых мер типов 1–4 используются гониометры. Принцип измерения на гониометре заключается в том, что при совпадении оптической оси автоколлиматора и отраженного изображения автоколлимационной марки от грани контролируемой детали выполняется последовательная фиксация положения плоских поверхностей измеряемого угла с отсчетом их положения по отсчетному устройству гониометра.
На сегодняшний день большинство лабораторий и оптических предприятий России для поверки угловых мер и измерения выпускаемых оптических деталей используют технически устаревшие визуальные модели гониометров, такие как ГС-2 (соответствует СИ 2 разряда) и ГС-5 или Г5М (соответствует СИ 3 разряда).
Описанные модели обладают типичными для визуальных гониометров недостатками: низкая эффективность (обусловлена трудоемкостью юстировки и использованием визуального метода считывания); большая вероятность субъективных ошибок оператора (утомляемость); визуальный метод считывания негативно влияет на зрение оператора.
Учитывая, что все недостатки работы с визуальными гониометрами тесно связаны с их зависимостью от физиологических свойств оператора, а современный уровень развития техники предполагает широкое использование компьютера для проведения и обработки различных измерений, предприятие НПК "Диагностика" разработало серию гониометров, осуществляющих угловые измерения в автоматическом режиме. Это современные цифровые гониометры серии СГ-Ц (рис.5). Гониометры СГ-Ц внесены в ГосРеестр СИ, имеют Знак качества СИ. Гониометры, выпускаемые НПК "Диагностика" с успехом используют, например, такие профильные оптические предприятия, как ОАО "ЛОМО", ОАО "НИИ "ПОЛЮС", ОАО "РПЗ", ОАО "ПО "УОМЗ", а также целый ряд коммерческих организаций. Гониометрами серии СГ-Ц также оснащены центры стандартизации и метрологии: ФБУ Ростест-Москва, ФБУ Тест-СПб, ФБУ Кировский ЦСМ и многие другие метрологические центры.
Выпускаемые гониометры СГ-Ц обеспечивают автоматический режим угловых измерений объекта в статическом положении. При этом в основе измерений прибора лежит работа двухкоординатного цифрового автоколлиматора и высокоточного цифрового углового преобразователя.
На оптическом рынке известны и цифровые гониометры, выпускаемые немецкими фирмами: Moeller-Wedel GmbH и Trioptics GmbH.
Оценим рассмотренные выше модели гониометров по трем основным параметрам: точности, эффективности и экономичности (см.таблицу).
Точность
Цифровой гониометр СГ-1Ц (НПК "Диагностика"), соответствует СИ 2 разряда. Высокая точность измерения обеспечивается за счет совместного использования высокоточного преобразователя угла с разрешением 0,036", применяемых алгоритмов обработки информации и цифрового автоколлиматора, имеющего погрешность измерения ±0,3". В конструкцию автоколлиматора входит высокочувствительная ПЗС-матрица. Это позволяет работать с объектами, имеющими малую площадь отражающей поверхности, а также с поверхностями, обладающими низким коэффициентом отражения – на уровне 4%. Совместное использование и автоматический пересчет угла по преобразователю угла и высокочувствительной ПЗС-матрице устраняет субъективные ошибки оператора и минимизирует возможное влияние случайных факторов.
Автоматизация статистической обработки многократных измерений обеспечена программным обеспечением "Гониометр" (рис.6). В данном гониометре СКО погрешность измерений не превышает 0,6". По окончании проведения измерений на компьютере выводится таблица с протоколом результатов измерений.
Для минимизации погрешностей (аберраций), создаваемых оптической системой автоколлиматора, осветитель предусмотрительно снабжен красным монохроматическим источником света. Источник света, сконструированный на основе суперъяркого светодиода с длиной волны 650 нм, сводит к минимуму внешнее тепловое воздействие.
Регулировка совмещения визирной оси автоколлиматора по высоте осуществляется перемещением винта стойки автоколлиматора по вертикали.
Эффективность
Характеристики цифрового гониометра СГ-1Ц (НПК "Диагностика") позволяют контролировать как угловые меры и призмы, так и высокоточные оптические детали (рис.7) различной конфигурации, например корпуса лазерных гироскопов. Прибор обеспечивает контроль сборки и склейки оптических деталей, а компактность и небольшая масса прибора позволяют снизить затраты на подготовку рабочего места оператора (рис.8).
Процесс настройки гониометра довольно прост. Угловое поле зрения, т. е. диапазон измерения автоколлиматора, – достаточно широкое для удобства начальной юстировки и последующей работы. Интуитивное русскоязычное и наглядное программное обеспечение и заложенный в алгоритме работы автоматизированный принцип измерения не требуют от оператора большого опыта в работе с гониометром. За счет автоматизации процесса вычислений и непосредственной визуализации процесса измерения обеспечена высокая скорость измерений (время, затрачиваемое на контроль одного угла детали, занимает не более 10–15 секунд). Автоматизация минимизирует субъективные ошибки оператора. А подготовка прибора к работе занимает очень мало времени.
Экономичность
Гониометр СГ-1Ц (НПК "Диагностика") – полностью отечественный прибор. Качественная механическая сборка узлов прибора и точная юстировка оптических элементов выполняются высококвалифицированными специалистами предприятия. Отработанные технологии изготовления и унификация процессов сборки позволяют установить относительно невысокую рыночную стоимость прибора. Конструкция прибора требует минимального технического обслуживания, поэтому текущие затраты на обслуживание гониометра практически отсутствуют. Несложная подготовка к работе с прибором, компьютерная обработка и съем показаний требуют минимального обучения операторов.
Как правило, изделия, содержащие оптические детали, пердставляют собой продукты высоких технологий в оптике. А такие технологии являются ключевыми для многих промышленных задач. Технологические новинки, конечно же, связаны с контрольно-измерительным оборудованием. Углоизмерительные приборы – гониометры серии СГ-1Ц производимые предприятием НПК "Диагностика" помогут отечественным предприятиям увеличить выход годных изделий, повысить их качество и создать поистине инновационную и конкурентоспособную продукцию.
Литература
ГОСТ 8.016-81. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений плоского угла.
ГОСТ 2875-88 .ГСИ. Меры плоского угла призматические. Общие технические условия.
МИ 1758-87. Меры плоского угла призматические. Рекомендации. Методика поверки.
Гониометры статические СГ-Ц. Руководство по эксплуатации. – С-Пб: НПК "Диагностика", ДИАГ.401235.002 РЭ.
Приложение к свидетельству об утверждении типа №43297-09. Гониометры статические СГ-Ц.
Безвесільна О.М., Киричук Ю.В., Ткаченко С.С. Аналітичний огляд робіт у галузі високоточних вимірювачів кута з". – Киев: Арсенал, 2001, с. 27.
www.moeller-wedel.com
www.trioptics.com
www.arsenalcdb.com.ua
Prism Master. Каталог компании Trioptics GmbH, с.12.
Goniomat М. Каталог компании Moeller-Wedel GmbH, с.10.
Goniometer. Каталог компании Moeller-Wedel GmbH, с.12.
Отзывы читателей
