eng
В статье дан краткий обзор современных образцов автоколлиматоров и гониометров и проведен их краткий метрологический анализ.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.69.1.66.74
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.69.1.66.74
Теги: visual and digital autocollimators and goniometers визуальные и цифровые автоколлиматоры и гониометры
Непрерывное развитие оптического приборостроения влечет за собой необходимость постоянно совершенствовать методы и средства контроля изделий на всем технологическом цикле производства. Не только применение современных материалов и комплектующих обеспечивает высокое качество продукции, но и использование при ее разработке прогрессивных методов и контрольно-измерительных приборов. В статье дан краткий обзор современных образцов автоколлиматоров и гониометров и проведен их метрологический и эксплуатационный анализ.
ВВЕДЕНИЕ
Многие измерения оптических деталей и приборов сводятся к определению длин и углов [1]. Измерения в зависимости от способа получения значений измеряемой величины разделяют на прямые, косвенные и совокупные измерения. Кроме того, в зависимости от наличия или отсутствия прямого контакта между средствами измерений и самим объектом измерений различают контактные и бесконтактные способы. В задачах, связанных с угловыми измерениями, широкое распространение получили автоколлиматоры и гониометры. Эти приборы обеспечивают непосредственное измерение угла бесконтактным способом. С метрологической точки зрения бесконтактный способ предпочтителен, так как исключает возможность повреждения поверхности контролируемого или измеряемого объекта, обладает повышенной точностью, позволяет контролировать не только отдельные локальные зоны, но и всю поверхность детали.
АВТОКОЛЛИМАТОРЫ
Автоколлиматоры (рис.1) применяются для измерения малых угловых отклонений светоотражающих поверхностей от измерительной оси прибора. На промышленных предприятиях автоколлиматоры применяют в различных схемах контроля угловых параметров деталей и станков. В отрасли оптического производства эти приборы используются для контроля формы поверхности деталей, соответствия размеров и других геометрических параметров изготавливаемых элементов. Кроме того, автоколлиматоры применяют в метрологических лабораториях и центрах сертификации и метрологии для калибровки и поверки образцовых угловых мер и различных систем, созданных на их основе. Угловые измерения в последнем случае характеризуются высокой точностью, достигающей сотых долей угловой секунды.
По способу обработки и представления измерительной информации все эти приборы можно разделить на визуальные и цифровые.
В визуальном автоколлиматоре оператор с помощью окуляра определяет смещение изображения светящейся марки, полученное от отражающей поверхности объекта измерений, относительно измерительной сетки. На отечественном рынке данная группа приборов представлена моделями АКУ‑0.2, АКУ‑0.5 и некоторыми другими, произведенными в Новосибирске компанией АО "Новосибирский приборостроительный завод" (рис.2) [2]. В силу своей относительно небольшой стоимости визуальные автоколлиматоры пока остаются весьма востребованными приборами. Хотя, надо отметить, они обладают рядом существенных недостатков, основными из которых являются невысокая точность измерений и низкая эффективность.
Визуальные автоколлиматоры выпускают крупные зарубежные производители, такие как Trioptics и Moller Wedel (рис. 3) [3, 4]. Однако предлагаемые этими компаниями модели рассчитаны скорее на специального потребителя со специфическими задачами. Приборы имеют высокую стоимость и не лишены всех тех недостатков, которые сопутствуют процедурам визуального считывания измерительной информации.
С развитием компьютерной и вычислительной техники наибольшую популярность стали приобретать цифровые приборы. В них изображение марки регистрируется с помощью ПЗС-матрицы или линейки. Измерительная информация оцифровывается и далее поступает на персональный компьютер.
Принцип действия цифрового автоколлиматора заключается в следующем (рис.4). Световой поток от источника 1 проходит через марку 2, отражается от светоделительного кубика 3 и попадает в объектив 4. Марка находится в фокальной плоскости объектива, с помощью которого ее изображение проецируется на бесконечность. Отразившись от поверхности светоотражающей поверхности 5, изображение марки попадает на светочувствительный элемент 6, который, также находится в фокальной плоскости объектива. В случае, когда светоотражающая поверхность 5 перпендикулярна оси автоколлиматора (α = 0), изображение формируется по центру светочувствительного элемента 6, и данное положение изображения считается нулевым. Когда светоотражающая поверхность отклонится на угол α, изображение марки в плоскости светочувствительного элемента получит некоторое линейное смещение x, которое определяется выражением:
x = f· tg 2 α,
где f – фокусное расстояние объектива автоколли-
матора.
Цифровые автоколлиматоры обладают рядом неоспоримых преимуществ перед визуальными приборами: высокая точность измерений, простота эксплуатации и обслуживания, компактные габариты и вес, автоматизация измерений и т. д. С точки зрения производителя разработка конструкции таких приборов не накладывает жестких ограничений на оптические и механические узлы, что позволяет создавать недорогие приборы с относительно высокой точностью.
Анализ современных цифровых автоколлиматоров зарубежных производителей – Moller Wedel (модель Elcomat 3000), Taylor Hobson (модель Ultra) и Trioptics (модель TA 1000–140) (рис.5) [5] – показал, что наиболее востребованными приборами на сегодняшний день являются автоколлиматоры с погрешностью измерений 0,2–0,25 угловой секунды. Среди отечественных производителей приборы такого уровня точности предлагает только компания "ИНЕРТЕХ". Погрешности измерений автоколлиматоров моделей АК‑0.1 и АК‑0.25, производимых компанией "ИНЕРТЕХ" (рис.6), не превышают соответственно 0,1 и 0,25 угловой секунды [6] (см. табл. 1).
Автоколлиматоры серии АК разработаны и выполнены на собственном современном производстве на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ "ЛЭТИ" с учетом современных тенденций развития мирового приборостроения. Применение в автоколлиматорах АК чувствительных ПЗС-матриц и высокоточных оптических элементов позволяет создавать надежные и удобные приборы высокой точности. Так, один из автоколлиматоров АК‑0.25 внесен в реестр утвержденных эталонов единиц величин как рабочий эталон I разряда величины плоского угла.
Специально разработанное программное обеспечение GonioScan AC (рис.7) позволяет реализовывать как единичные, так и многократные измерения, создавать сценарии с различными профилями настроек, сохранять результаты измерений в различных форматах и т. п. Интуитивно понятный интерфейс ПО не требует от оператора специальной подготовки. Интерфейс создан таким образом, чтобы максимально повысить эффективность процедуры проведения измерений автоколлиматором.
Стоит отметить, что в России существует несколько других производителей подобных приборов более низкого класса точности. Ниже приведена сводная таблица технических и эксплуатационных характеристик цифровых автоколлиматоров всех основных производителей, представленных на отечественном рынке (табл.1).
ГОНИОМЕТРЫ
Гониометры применяются для измерений углов, образованных плоскими поверхностями различных объектов, способных отражать световые лучи. Гониометры – это современные прецизионные углоизмерительные приборы, которые используются в настоящее время в ряде крупных оптических и приборостроительных предприятий России, а также в метрологических институтах других стран.
Как и автоколлиматоры, все гониометры по способу обработки и представления измерительной информации принято делить на визуальные и цифровые.
В визуальном гониометре измерение углов осуществляется абсолютным методом, т. е. путем сравнения с точно градуированным лимбом (круговой шкалой), жестко связанным с предметным столиком, на который устанавливается оптическая деталь. Погрешность приборов такого типа обусловлена в основном особенностями изготовления лимбов, а именно неравномерностью нанесения на них круговой шкалы. Дополнительный вклад в погрешность измерения угла визуальным прибором дает ошибка оператора, связанная с субъективным ощущением оператора (приемником информации об угловом отсчете от отражаемой поверхности детали служит глаз человека).
На отечественном рынке визуальные гониометры представлены моделями ГС2 и Г5 (рис.8) производства завода "Арсенал" (г. Киев), прекратившего свое существование несколько лет назад; несмотря на ликвидацию завода большинство предприятий, лабораторий и центров сертификации и метрологии до сих пор массово используют приборы данных моделей. Зарубежные компании также серийно выпускали визуальные гониометры (например приборы Gonio II–VIS компании Moller Wedel) (рис.9), однако на сегодняшний день практически все крупные производители выпускают только цифровые гониометры.
Стоит отметить, что визуальные приборы, как правило, является гониометрами-спектрометрами и, помимо своей целевой функции, могут измерять показатель преломления прозрачных твердых материалов. Но имея более широкие функциональные возможности, эти морально устаревшие изделия являются весьма габаритными, сложными в эксплуатации установками, что не удовлетворяет современного потребителя. Поэтому на смену визуальным приборам и пришли их цифровые аналоги.
В цифровых гониометрах в качестве зрительной трубы используется цифровой автоколлиматор, который обеспечивает оптическую привязку к отражающим граням объекта посредством измерения угла между собственной оптической осью и нормалью к отражающей грани. В качестве лимба, установленного на ось вращения поворотного столика, используют фотоэлектрический датчик преобразователя угла, а сам столик снабжен, как правило, приводом, осуществляющим его вращение в соответствии с требуемым сценарием измерений.
Применение таких технических решений позволяет практически исключить погрешности, свойственные визуальным приборам. Современный уровень развития электронно-вычислительной техники обеспечивает существенное увеличение точности измерений за счет применения различных алгоритмов компенсации ошибок, связанных с технологическими особенностями изготовления датчиков угла (энкодеров). Наконец, за счет полной автоматизации процесса измерений, современные цифровые гониометры полностью удовлетворяют требованиям пользователей как устройства удобные и простотые в эксплуатации.
Учитывая все преимущества цифровых гониометров перед визуальными, крупные компании производители оптической углоизмерительной техники на сегодняшний день отдают предпочтение разработке и созданию приборов именно первого типа. Среди зарубежных компаний стоит выделить Trioptics (приборы серии PrismMaster) и Moller Wedel (приборы серии Goniomat) (рис.10). Анализ точностных характеристик гониометров зарубежного производства показал, что востребованными являются приборы, обладающие погрешностью измерения угла не более одной угловой секунды (табл. 2).
Среди отечественных производителей цифровые гониометры с таким уровнем точности производит и поставляет только компания "ИНЕРТЕХ" (модель СГ‑1) (рис.11). Гониометр СГ‑1 оснащен высокоточным цифровым автоколлиматором с широким диапазоном измерений, нечувствителен к возмущающим световым воздействиям и является полностью автоматизированным прибором с многофункциональным программным обеспечением GonioScan SG. Программное обеспечение GonioScan SG (рис.12) обладает следующими возможностями:
• вывод на экран в реальном времени изображения с камеры – углового положения опорного креста по двум координатам;
• регистрация абсолютного и относительного углового положения по нескольким измерениям;
• регистрация углового положения подвижного объекта в режиме непрерывной записи, при этом частота записи определяется оператором;
• автоматическая или ручная настройка параметров камеры и создание различных профилей настроек для работы с различными типами объектов и отражающими поверхностями;
• запись результатов измерений в файл;
• управление сервоприводом столика гониометра;
• алгоритмическая обработка измерительных данных;
• формирование файлов результатов измерений;
• создание сценариев испытаний, т. е. автоматической последовательности разворотов столика.
Гониометр СГ‑1 – современный высокоточный прибор, отвечающий всем требованиям мирового углоизмерительного приборостроения. В табл. 2 приведены технические и эксплуатационные характеристики цифровых гониометров всех основных производителей, представленных на отечественном рынке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обзор современного состояния рынка углоизмерительных приборов показал, что отечественному потребителю сегодня доступны не только дорогостоящие импортные изделия, но и относительно недорогие, надежные и не уступающие по уровню точности своим зарубежным аналогам автоколлиматоры и гониометры российского производства. Компания "ИНЕРТЕХ" серийно выпускает цифровые автоколлиматоры (серия АК) и статические гониометры (серия СГ), не имеющие отечественных аналогов. Приборы, выпущенные под маркой "ИНЕРТЕХ", отмечены дипломами и медалями различных специализированных выставок и пользуются большим спросом на рынке измерительных приборов как в России, так и за рубежом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев В. А. Оптические измерения: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Школа, 1981.
2. Официальный сайт АО "Новосибирский приборостроительный завод" http://www.npzoptics.ru.
3. Официальный сайт компании Trioptics https://www.trioptics.com.
4. Официальный сайт компании MЦLLER-WEDEL https://www.haag-streit.com.
5. Официальный сайт компании Taylor Hobson http://www.taylor-hobson.com.
6. Официальный сайт компании ИНЕРТЕХ http://www.inertech-ltd.com.
ВВЕДЕНИЕ
Многие измерения оптических деталей и приборов сводятся к определению длин и углов [1]. Измерения в зависимости от способа получения значений измеряемой величины разделяют на прямые, косвенные и совокупные измерения. Кроме того, в зависимости от наличия или отсутствия прямого контакта между средствами измерений и самим объектом измерений различают контактные и бесконтактные способы. В задачах, связанных с угловыми измерениями, широкое распространение получили автоколлиматоры и гониометры. Эти приборы обеспечивают непосредственное измерение угла бесконтактным способом. С метрологической точки зрения бесконтактный способ предпочтителен, так как исключает возможность повреждения поверхности контролируемого или измеряемого объекта, обладает повышенной точностью, позволяет контролировать не только отдельные локальные зоны, но и всю поверхность детали.
АВТОКОЛЛИМАТОРЫ
Автоколлиматоры (рис.1) применяются для измерения малых угловых отклонений светоотражающих поверхностей от измерительной оси прибора. На промышленных предприятиях автоколлиматоры применяют в различных схемах контроля угловых параметров деталей и станков. В отрасли оптического производства эти приборы используются для контроля формы поверхности деталей, соответствия размеров и других геометрических параметров изготавливаемых элементов. Кроме того, автоколлиматоры применяют в метрологических лабораториях и центрах сертификации и метрологии для калибровки и поверки образцовых угловых мер и различных систем, созданных на их основе. Угловые измерения в последнем случае характеризуются высокой точностью, достигающей сотых долей угловой секунды.
По способу обработки и представления измерительной информации все эти приборы можно разделить на визуальные и цифровые.
В визуальном автоколлиматоре оператор с помощью окуляра определяет смещение изображения светящейся марки, полученное от отражающей поверхности объекта измерений, относительно измерительной сетки. На отечественном рынке данная группа приборов представлена моделями АКУ‑0.2, АКУ‑0.5 и некоторыми другими, произведенными в Новосибирске компанией АО "Новосибирский приборостроительный завод" (рис.2) [2]. В силу своей относительно небольшой стоимости визуальные автоколлиматоры пока остаются весьма востребованными приборами. Хотя, надо отметить, они обладают рядом существенных недостатков, основными из которых являются невысокая точность измерений и низкая эффективность.
Визуальные автоколлиматоры выпускают крупные зарубежные производители, такие как Trioptics и Moller Wedel (рис. 3) [3, 4]. Однако предлагаемые этими компаниями модели рассчитаны скорее на специального потребителя со специфическими задачами. Приборы имеют высокую стоимость и не лишены всех тех недостатков, которые сопутствуют процедурам визуального считывания измерительной информации.
С развитием компьютерной и вычислительной техники наибольшую популярность стали приобретать цифровые приборы. В них изображение марки регистрируется с помощью ПЗС-матрицы или линейки. Измерительная информация оцифровывается и далее поступает на персональный компьютер.
Принцип действия цифрового автоколлиматора заключается в следующем (рис.4). Световой поток от источника 1 проходит через марку 2, отражается от светоделительного кубика 3 и попадает в объектив 4. Марка находится в фокальной плоскости объектива, с помощью которого ее изображение проецируется на бесконечность. Отразившись от поверхности светоотражающей поверхности 5, изображение марки попадает на светочувствительный элемент 6, который, также находится в фокальной плоскости объектива. В случае, когда светоотражающая поверхность 5 перпендикулярна оси автоколлиматора (α = 0), изображение формируется по центру светочувствительного элемента 6, и данное положение изображения считается нулевым. Когда светоотражающая поверхность отклонится на угол α, изображение марки в плоскости светочувствительного элемента получит некоторое линейное смещение x, которое определяется выражением:
x = f· tg 2 α,
где f – фокусное расстояние объектива автоколли-
матора.
Цифровые автоколлиматоры обладают рядом неоспоримых преимуществ перед визуальными приборами: высокая точность измерений, простота эксплуатации и обслуживания, компактные габариты и вес, автоматизация измерений и т. д. С точки зрения производителя разработка конструкции таких приборов не накладывает жестких ограничений на оптические и механические узлы, что позволяет создавать недорогие приборы с относительно высокой точностью.
Анализ современных цифровых автоколлиматоров зарубежных производителей – Moller Wedel (модель Elcomat 3000), Taylor Hobson (модель Ultra) и Trioptics (модель TA 1000–140) (рис.5) [5] – показал, что наиболее востребованными приборами на сегодняшний день являются автоколлиматоры с погрешностью измерений 0,2–0,25 угловой секунды. Среди отечественных производителей приборы такого уровня точности предлагает только компания "ИНЕРТЕХ". Погрешности измерений автоколлиматоров моделей АК‑0.1 и АК‑0.25, производимых компанией "ИНЕРТЕХ" (рис.6), не превышают соответственно 0,1 и 0,25 угловой секунды [6] (см. табл. 1).
Автоколлиматоры серии АК разработаны и выполнены на собственном современном производстве на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ "ЛЭТИ" с учетом современных тенденций развития мирового приборостроения. Применение в автоколлиматорах АК чувствительных ПЗС-матриц и высокоточных оптических элементов позволяет создавать надежные и удобные приборы высокой точности. Так, один из автоколлиматоров АК‑0.25 внесен в реестр утвержденных эталонов единиц величин как рабочий эталон I разряда величины плоского угла.
Специально разработанное программное обеспечение GonioScan AC (рис.7) позволяет реализовывать как единичные, так и многократные измерения, создавать сценарии с различными профилями настроек, сохранять результаты измерений в различных форматах и т. п. Интуитивно понятный интерфейс ПО не требует от оператора специальной подготовки. Интерфейс создан таким образом, чтобы максимально повысить эффективность процедуры проведения измерений автоколлиматором.
Стоит отметить, что в России существует несколько других производителей подобных приборов более низкого класса точности. Ниже приведена сводная таблица технических и эксплуатационных характеристик цифровых автоколлиматоров всех основных производителей, представленных на отечественном рынке (табл.1).
ГОНИОМЕТРЫ
Гониометры применяются для измерений углов, образованных плоскими поверхностями различных объектов, способных отражать световые лучи. Гониометры – это современные прецизионные углоизмерительные приборы, которые используются в настоящее время в ряде крупных оптических и приборостроительных предприятий России, а также в метрологических институтах других стран.
Как и автоколлиматоры, все гониометры по способу обработки и представления измерительной информации принято делить на визуальные и цифровые.
В визуальном гониометре измерение углов осуществляется абсолютным методом, т. е. путем сравнения с точно градуированным лимбом (круговой шкалой), жестко связанным с предметным столиком, на который устанавливается оптическая деталь. Погрешность приборов такого типа обусловлена в основном особенностями изготовления лимбов, а именно неравномерностью нанесения на них круговой шкалы. Дополнительный вклад в погрешность измерения угла визуальным прибором дает ошибка оператора, связанная с субъективным ощущением оператора (приемником информации об угловом отсчете от отражаемой поверхности детали служит глаз человека).
На отечественном рынке визуальные гониометры представлены моделями ГС2 и Г5 (рис.8) производства завода "Арсенал" (г. Киев), прекратившего свое существование несколько лет назад; несмотря на ликвидацию завода большинство предприятий, лабораторий и центров сертификации и метрологии до сих пор массово используют приборы данных моделей. Зарубежные компании также серийно выпускали визуальные гониометры (например приборы Gonio II–VIS компании Moller Wedel) (рис.9), однако на сегодняшний день практически все крупные производители выпускают только цифровые гониометры.
Стоит отметить, что визуальные приборы, как правило, является гониометрами-спектрометрами и, помимо своей целевой функции, могут измерять показатель преломления прозрачных твердых материалов. Но имея более широкие функциональные возможности, эти морально устаревшие изделия являются весьма габаритными, сложными в эксплуатации установками, что не удовлетворяет современного потребителя. Поэтому на смену визуальным приборам и пришли их цифровые аналоги.
В цифровых гониометрах в качестве зрительной трубы используется цифровой автоколлиматор, который обеспечивает оптическую привязку к отражающим граням объекта посредством измерения угла между собственной оптической осью и нормалью к отражающей грани. В качестве лимба, установленного на ось вращения поворотного столика, используют фотоэлектрический датчик преобразователя угла, а сам столик снабжен, как правило, приводом, осуществляющим его вращение в соответствии с требуемым сценарием измерений.
Применение таких технических решений позволяет практически исключить погрешности, свойственные визуальным приборам. Современный уровень развития электронно-вычислительной техники обеспечивает существенное увеличение точности измерений за счет применения различных алгоритмов компенсации ошибок, связанных с технологическими особенностями изготовления датчиков угла (энкодеров). Наконец, за счет полной автоматизации процесса измерений, современные цифровые гониометры полностью удовлетворяют требованиям пользователей как устройства удобные и простотые в эксплуатации.
Учитывая все преимущества цифровых гониометров перед визуальными, крупные компании производители оптической углоизмерительной техники на сегодняшний день отдают предпочтение разработке и созданию приборов именно первого типа. Среди зарубежных компаний стоит выделить Trioptics (приборы серии PrismMaster) и Moller Wedel (приборы серии Goniomat) (рис.10). Анализ точностных характеристик гониометров зарубежного производства показал, что востребованными являются приборы, обладающие погрешностью измерения угла не более одной угловой секунды (табл. 2).
Среди отечественных производителей цифровые гониометры с таким уровнем точности производит и поставляет только компания "ИНЕРТЕХ" (модель СГ‑1) (рис.11). Гониометр СГ‑1 оснащен высокоточным цифровым автоколлиматором с широким диапазоном измерений, нечувствителен к возмущающим световым воздействиям и является полностью автоматизированным прибором с многофункциональным программным обеспечением GonioScan SG. Программное обеспечение GonioScan SG (рис.12) обладает следующими возможностями:
• вывод на экран в реальном времени изображения с камеры – углового положения опорного креста по двум координатам;
• регистрация абсолютного и относительного углового положения по нескольким измерениям;
• регистрация углового положения подвижного объекта в режиме непрерывной записи, при этом частота записи определяется оператором;
• автоматическая или ручная настройка параметров камеры и создание различных профилей настроек для работы с различными типами объектов и отражающими поверхностями;
• запись результатов измерений в файл;
• управление сервоприводом столика гониометра;
• алгоритмическая обработка измерительных данных;
• формирование файлов результатов измерений;
• создание сценариев испытаний, т. е. автоматической последовательности разворотов столика.
Гониометр СГ‑1 – современный высокоточный прибор, отвечающий всем требованиям мирового углоизмерительного приборостроения. В табл. 2 приведены технические и эксплуатационные характеристики цифровых гониометров всех основных производителей, представленных на отечественном рынке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обзор современного состояния рынка углоизмерительных приборов показал, что отечественному потребителю сегодня доступны не только дорогостоящие импортные изделия, но и относительно недорогие, надежные и не уступающие по уровню точности своим зарубежным аналогам автоколлиматоры и гониометры российского производства. Компания "ИНЕРТЕХ" серийно выпускает цифровые автоколлиматоры (серия АК) и статические гониометры (серия СГ), не имеющие отечественных аналогов. Приборы, выпущенные под маркой "ИНЕРТЕХ", отмечены дипломами и медалями различных специализированных выставок и пользуются большим спросом на рынке измерительных приборов как в России, так и за рубежом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев В. А. Оптические измерения: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Школа, 1981.
2. Официальный сайт АО "Новосибирский приборостроительный завод" http://www.npzoptics.ru.
3. Официальный сайт компании Trioptics https://www.trioptics.com.
4. Официальный сайт компании MЦLLER-WEDEL https://www.haag-streit.com.
5. Официальный сайт компании Taylor Hobson http://www.taylor-hobson.com.
6. Официальный сайт компании ИНЕРТЕХ http://www.inertech-ltd.com.
Отзывы читателей
