Научная статья на тему 'К вопросу о совершенствовании систем измерения размеров изделий при использовании оптоволоконного пьезосканера'

К вопросу о совершенствовании систем измерения размеров изделий при использовании оптоволоконного пьезосканера Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
63
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
КООРДИНАТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ / ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА / КОРУНДОВЫЙ НАКОНЕЧНИК / НИЗКОКОГЕРЕНТНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР / ПЬЕЗОСКАНЕР / ПРИБОР АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ / ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ / СВЕРХШИРОКОУГОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА / COORDINATE MEASUREMENTS / MEASURING HEAD / CORUNDUM TIP / LOW-COHERENCE INTERFEROMETER / PIEZO-SCANNER / ACTIVE CONTROL DEVICE / PROBE MICROSCOPY / ULTRA-WIDE-ANGLE OPTICAL SYSTEM

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Леун Евгений Владимирович

В статье обсуждаются физико-технические основы построения и режимы работы систем измерения размеров сложнопрофильных изделий с учетом использования нового пространственного модулятора света в виде оптоволоконного пьезосканера. Описаны его устройство, принцип действия, достигаемые основные технические характеристики. Рассмотрена совместная работа оптоволоконного пьезосканера и низкокогерентного интерферометра в составе трех систем измерения: сканирующих гибридных 3D измерительных головок (ИГ) при введении сверхширокоугольной оптической системы и корундового наконечника, а также двух приборов активного контроля. Для обсуждаемой конструкции Иг предложено использовать опорный канал, а при контактировании с изделием измерять зазоры 1з1, 1з2 ... 1зп, возникающие между корундовым наконечником и изделием вблизи формирующейся зоны контакта с последующим расчетным определением т.н. эквидистантных контуров и итоговой компенсации упругих деформаций.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Леун Евгений Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Improving product size measurement systems by using piezofiber scanner

The article discusses the physical and technical basis for the construction and operation of systems for measuring the size of complex products, taking into account the use of a new spatial light modulator a piezo-fiber scanner. Its device, operating principle, and main technical characteristics are described. The paper considers the joint operation of a piezo-fiber scanner and a low-coherence interferometer as part of three measurement systems: scanning hybrid 3D measuring heads (MH) with the introduction of an ultra-wide-angle optical system and a corundum tip, as well as two active control devices. It is proposed to use a reference channel for the discussed MH design, and to measure the clearances 1, l... l when contacting the product arising between the corundum tip and the product near the formed contact zone with the subsequent calculation of the so-called equidistant contours and the final compensation of elastic deformations.

Текст научной работы на тему «К вопросу о совершенствовании систем измерения размеров изделий при использовании оптоволоконного пьезосканера»

УДК 681.2.084:681.2.084-2

РО!: 10.25206/1813-8225-2020-169-73-79

Е. В. ЛЕУН

АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки

К ВОПРОСУ О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОПТОВОЛОКОННОГО ПЬЕЗОСКАНЕРА

В статье обсуждаются физико-технические основы построения и режимы работы систем измерения размеров сложнопрофильных изделий с учетом использования нового пространственного модулятора света в виде оптоволоконного пьезосканера. Описаны его устройство, принцип действия, достигаемые основные технические характеристики. Рассмотрена совместная работа оптоволоконного пьезосканера и низкокогерентного интерферометра в составе трех систем измерения: сканирующих гибридных 3D измерительных головок (ИГ) при введении сверхширокоугольной оптической системы и корундового наконечника, а также двух приборов активного контроля. Для обсуждаемой конструкции ИГ предложено использовать опорный канал, а при контактировании с изделием измерять зазоры 1з1, 1з2 ... 1зп, возникающие между корундовым наконечником и изделием вблизи формирующейся зоны контакта с последующим расчетным определением т.н. эквидистантных контуров и итоговой компенсации упругих деформаций.

Ключевые слова: координатные измерения, измерительная головка, корундовый наконечник, низкокогерентный интерферометр, пьезосканер, прибор активного контроля, зондовая микроскопия, сверхширокоугольная оптическая система.

Введение. В настоящее время совершенствование систем измерения размеров изделий, связанное с повышением точности, быстродействия и расширением функциональных возможностей, в основном обусловлено более широким использованием лазерной и/или волоконно-оптической техники. При этом наиболее трудными являются задачи измерения размеров сложнопрофильных изделий, и успешное их решение предполагает необходимость подведения оптического потока (лазерного луча) к зоне контроля и сканирования пространственными модуляторами. Ранее такие устройства [1] имели большие габариты и сложное управление. Однако прогресс в области микромеханики, а именно трубчатых пьезосканеров для зондовой микроскопии [2, 3] и оптоволоконных пьезосканеров (в дальнейшем — пьезосканер) для эндоскопии [4 — 8] создают предпосылки и для совершенствования пространственных модуляторов света для вышеупомянутых измерительных систем. Такие разработки ранее не были представлены в открытой печати, и данная статья направлена на восполнение этого пробела на примере сканирующей гибридной 3Б измерительной головки (ИГ) и двух приборов активного контроля (ПАК).

1. устройство, принцип действия и основные характеристики пьезосканера. Пьезосканер (рис. 1а) состоит из полого цилиндрического корпуса 1 (диаметром всего 1,1 мм и длиной 13 мм в [5]), внутри которого вблизи заднего торца установлена центросимметричная пьезокерамическая трубка 2 (в дальнейшем — пьезотрубка) с четырьмя

перпендикулярно расположенными электродами, электрически попарно подключенными к внешнему блоку управления. Вдоль центра этой пьезотрубки пропущен гибкий волоконный световод 3 с возможностью передачи лазерного излучения, свободный конец которого в виде волоконного кантилевера длиной консольно выступает за ее пределы. Передний торец пьезосканера образован объективом 4, обеспечивающим выход оптического излучения, проходящего через световод.

При подаче двух переменных сигналов иу и и^ на две разные пары электродов пьезотрубки происходят периодические сжатия и расширения ее секторов с поперечными смещениями ее конца. В режиме резонанса такие малые смещения существенно усиливаются на конце гибким волоконным кантилевером. Для уменьшения расходимости лазерного луча после волокна на его торце устанавливают микролинзу [9, 10] (на рис. 1а не обозначены).

Для пьезотрубок, использовавшихся в зондовой микроскопии в начале XXI века, с длиной - 80 мм с напряжением ± 300 В были получены смещения до 100 мкм с частотой резонанса до 1 кГц [2]. К настоящему времени достигнуто повышение частоты резонанса до 5 кГц с гибким кантиливером на основе стеклянного оптоволокна диаметром 125 мкм с длиной 4,3 мм и до 10 кГц для диаметра 80 мкм с длиной 2,4 мм [5].

Пьезосканер выполняет роль пространственного модулятора света, а изменения амплитудами и0у, и0г частотами / или фазами фу, фг двух сигналов питания:

о

а)

б)

в)

д)

Рис. 1. Пьезосканер: схема (а), фото (б) [5], фигуры Лиссажу, формируемые лазерным лучом при работе пьезосканера [8] (в, г), зависимость времени до разрушения ( волокна от а/5я (д) [9]

иу = и0у -(8т2Лу + фу), и, = и0ж •(сонЛсЗ^ + и)

(1)

позволяет управлять движением конца волокна, формируя нужн=ю траекторию движения лазерного луча, например, подобными широко известным фигурам Лиссажу (рис 1б, в) [8], спиралевидными и др.

При оценке долговечн=сти пьезосканера следует учесть, что прочность бездеф ектного кварцевого волокна выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [9], о=нако любой контакт поверхности волокна с твердым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе, приводит к появлению на поверхности стскла микротрещсн, которые при приложении рустягиуающей нагеузкр начинают быстро расти. В результате разрывная прочность кварцевых волткон оразывается намного ниже теоретического пределр п+очнонти кварнево-го стекла.

Согласно [11], т°>емя до разрушения t от нагрузки имеет эхохоненциальнлсз зависимость

(

рар

и д

Я • Т'

1 дС.

л

11 = д-

^рМ с СРд

11р(СТр

СГ „

ЯТ и„

ные из (3) зависимости для комнатной температуры (300 °К) и температуры жидкого азота (77 °К) приведены на рис. 1д.

Минимальный радиус изииба уиастке волокна гв длиной ¡в можно рассчитать, используя данные по изгибу подвижного отрезка св етов о да [5], по формуле:

]„ • 360 ° 2с • в1

о.

(4)

(2)

где to — величина, приблызительно равная периоду тепловых ко=еданий атрмов (-10—13 сек.); ио — энергия ненагр уженной Б.-О-связи (-110 ккал/моль); Я — газовая постоянная; Т — температура; 5. — прочность в отсутствие т=рмофлуктуационного роста дефектов.

При этом еоемя жизни 2сзтовида t при статической нагруоке сф, равн=й разрывнойпрочеосьи, в (п+1) раз короче, мем при динамической ае (при 01 = ал). Параметр статической усталости п как наклон графика статихераон усталдс]ги в логарифмических координатах оаписываетси и вире:

(3)

В наиболе(к интересном, с практической точки зрения, интервале ос В сек^вды до 30 лет он успевает снизитьсы всего нишь со 155 до 135. Получен-

где а1 и а2 — угол отклонынкя кыспза вылокоа в тра-дусах и радианах соотвермтненнм. Для эксп^сэнимен-тального образца, бездефектто п=траб сттв ш о го нс-п рерывно в течение 3377 часов, с параметрами ¡в = = 4,3 мм и а1 = 50° [5] кол^азм ыв = 40 мм ж 5 мм. Полученные значания саомветстмуют дощ^тимым знооениям по динамической нтгрускт поезосьа-нер а.

2. Сканирующая ИГ. В развитии серии авторских работ, посвященсых одно дантльной и многоканальной гибридкых И Г [12, 13], был разработан компромиссный вариант ИГ со сканированием. На рис. 2а показаеа ска нир(,чо рам И Г (без электромеханического блака, фор мирующего триггерный сигнал при механическом контактировании), состоящая из низнокогерентного интерферометра 1, блока управления =, пьезоскамера 3, первого 4 и второго 6 граданов (СИИ-линзы), светоделителя 5, оптической системы 7, регистратора 8 с матрицей чувствительных элементов МхИ, сверхширокоугольной оптическоК аяистемой типа «Р18Ьеуе» («Рыбий глаз») 9 и корундового наконечника 10 (рис. 2б) из прозрачного и вы сокопрочн ого материала, например, ктаундор (еедкосапфир, сьпфир, рубин) или стишовита.

В процессе работы при контактных измерениях пнезосканер 3 по сигналу оз блока управления 2 сов ершает поперечныа колебания (как вариант по спирали с периодами расширения и с ужения), соответственно отклоняя в угловом секторе до 100° х 100° [5] коллимированный мик]яолинзой (рис. 2в) выходящий лазерный луч, поступающий от низкокогерентного интерфер он утра 1. Далее этот лазерный луч, двигаясь по криволинейной траектории через первый градан 4, делится светоделителем 5 на два

г)

0с =

в

(

и

а)

б)

в)

д)

Рис. 2. Сканирующая НГ: схема (а), торцевой сапфировый сферический наконечник с капиллярной трубкой (б) [12],

торец волокна с сердцевиной диаметром 2 мкм с микролинзой (в) и изображение в дальней зоне распределения интенсивности излучения лазера, выходящего из торца световода с микролинзой (г) [9], ч асть траектории движения по спирали лазерного луча при измерении зазоров между наконечником и изделием (д)

потока. Первый из них, отклоняясь, проходит через оптическую систему 7 и, освещая регистратор 8, образующий опорный канал и измеряющий текущее положение центра лазерного луча, позволяет сформировать сигнал обратной связи для блока управления 2. Второй поток после светоделителя 5 последовательно проходит через второй градан 6, сверхширокоугольную оптическую систему типа «Fisheye» («Рыбий глаз») 9, прозрачный корундовый наконечник 10, сканируя коллимированным лазерным лучом (рис. 2г) окружающее пространство в угловом секторе полусферы до 180°х180° (по азимуту и углу места).

При освещении изделия 11 и отражении от него часть лазерного излучения следует в обратном направлении через наконечник 10, граданы 4 и 6, светоделитель 5, пьезосканер 3 к низкокогерентному интерферометру 1. Алгоритм его измерения, как и в ранее разработанных ИГ [11, 12], основан на фиксации равенства разности хода ¡яш, заданной в низкокогерентном интерферометре 1 значению зазора ¡з между наконечником 10 и изделием 11. Изменяя l и отклоняя лазерный луч, например, по спиральной траектории в угловом секторе полусферы 180°х180° появляется возможность бесконтактно сканировать (ощупывать) окружающее пространство, и в частности, изделие 11, а наступление события l =l соответствует т.н. «виртуальному касанию » с угловым положением освещающего луча по нормали к поверхности изделия 11.

Серия бесконтактных координатных измерений, полученная в сферической системы координат, при ощупываниях для такой сканирующей ИГ для каждой измер енной точки изделия будет состоять из линейной и двух угловых координат (¡ , ß, у). И может быть преобразована для декартовой системы ко ординат, пртнято й почти во всех координатных измерительных ташинах, с учетом координат самой ИГ (х0, y0, г0),положения пьезосканера (хвош, y , z ),а также с учетом преобразований реги-

J воаг воиг' j î î î

стратора 8 — ß = k J и Y = k 4 :

11 ' m xur 1 n yur

им = Лвоиг + Ла + ¡чки • SiT ß- COS Ус иим = У воиг + У а + ¡чки - SiT ß - SiT У. =

= 1 У кит = У воиг + У а + ¡чки - SiO(0x - 4ии) - SiO(0T - 4ии)с (5)

Зким = Своиг + С0 + ¡чки ■ COS(0x ' ZIu»),

где k и k , l и 2 — коэффициенты преобразован n xur yur L L 1 L L

ния и число чувствительных элементов M xN MßTри-цы регистратора 8.

Контактные измер ения о вущ ествлячктся традиционно за счет механичезкого контакта наконечни-ра 10 радиус л м Лн в ихделиех 11с в лзможно стыи компенсации упругих Уеформ^]^ий ¡^ от образующейся зоны контакта ¡к 3начение других деформаций ¡д связано с размерм зсны контакиа 7° [°12]:

¡д = H о AÎHЧ о t .

(6)

В [14, 15] предложено росчет упругих деформаций а реолизовать прое виз^лизации и измерении I встроенным микрчскопом. Но при малых измерительных усилиях и деформациях ¡^ -0,5... 1 мкм при Я =1,5...2,0 мм значение I составляет не более

1 н зк

90—130 мкм и использование высокоразрешающего встроенного миксоскопа неперспективно из-за его сложной оптаческой схемы, больших габаритов и массы.

Альтернативой может быть способ измерения размеров зоны контакта за счст из мере ния зазоров

L, L

¡зп междз наконечникоУ и изУелием вбоиои

ее границы в различны, тооках с координатами )тй, у1), (ху у2), ... (хп, уп) с погрешностью на уровне долей микрометра. Тогда дуя серии иомерезий с движз-ниями лазерного счонщующегп лу1е воко(л зонз-контакта по серии концеотричоскиа ок^)сжностлй, например, эквидистантных колец со спиральными переходами между ними (рис. 2д) подобных интерференционным коаьцам Ньюоона расчитываются набор п значекий .ефермаций [Г I ....

¡gl = р0 СсР Л1с У1е ¡g 2 =Р ^(Zc2с Л2 с У2е

(7)

■дц = Р-'(¡я Лс . Ус е

Лурм = Лвоиг + Л0 + ¡чки • SiO(0x • ZtJ - ИО[[(0т • ¡хти).

2

з = з + з„ + Z - cos ß

КИМ яппг О нкп J

из которых потом определяется искомое усредненное значение l :

1 n Lh

(8)

Полуденное знасенке упрузих деформаций 1 вычитается из резуктада измерений2 повышая точность измесений.

2.1. Физические основы Уеск+нтсклтьнт измтре, ний.

Раба тел низкокогер е нлново инвер фером етра [16, 17], ваючающего суанирующий интерферометь, основана на применении с+ято+ыона, епрттpaльнтр плотноать мощности 5(0)) кртоуото oннтыврьтcе функцией Гаусса.

Интенсивность клте°фериркющих оптичоских потоков, освещающид фoтoгpиемыин, тудер рметь вид

I(z) д Iо e xxjpI - X)2 I coc[k(lon - 13)],

212

(9)

где 1 — разность днин тлеч Сканирующего интерферометра; 1 — толщлна зал ора по нормали между рубиновым наконеяш^ком и повер хностью изделия; ¡кот — ми юа то г т=ет,м о ст н свет рдау да; к — 2л/Х, где X — центральная длина волны светодиода.

Определение положенюд максимума аналогично измерениям «по агиДающед» сигнала, оонсываемой формулой

A(z) д A0 exp

(Ion - 1з )2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

212

(10)

и соответствует изреятниям «по фате» интерференционного сигнала и цифрового выходного кода N , созданногы на основе сигнала N с учетом

ф ^ вых

двойного хода луча:

N д 2kulmA1/X ,

(11)

где кинт — коэффицыент интерполяции периода интерференционной ккртины.

Уравнения (10) и (11) показывают возможность работы в двух режимах измерений: «по огибающей» — «быстрые», но орубые измерения, «по фазе» — «медленные» со временем измерения для одного канала > 100 мс, но «точные» измерения. Точность измерений для т.н. «быстрых» и «медленных» измерений может достигать долей мкм и десятков нанометров соответственно.

При фиксированном угловом поле 180° и фиксированном числе чувствительных элементов матрицы регистратора 8 ИхМ (размерами на уровне 2,5 мкм) угловая разрешающая способность сканирующей ИГ будет определяться как 180°/косМ, где кос — коэффициент преобразования оптической системы 7. Повышение угловой разрешающей способности в некоторых пределах возможно за счет увеличении значений к •и М, применения более со-

ос ' 1

вершенных методов регистрации изображения, в частности, применением методов субпиксельной обработки изображений [18, 19], в т.ч. за счет применения двух регистраторов в опорном канале. Также можно корректировать изображения, искаженные от изменения чувствительности пикселов, смаза изображения, влияниям шумов: внутреннего

и импусмсноро, зы+ванных сбоем в раОотзоувстои-тельных олемензыв регистратора или их выхода из строя (появление «битых пикселов»), шума в электронных цепях и т.п. Для этого используются ыдномерные интягрьные уравнения Верьте=ра I рода, Фредгольма I реда типа свертки иру дв=^ер-ные интегральные уравнения Фредгольма I родт типа сеер(ыеи [2°, 21].

Предетнвляесвя, чео более существекногсповы-шения угловой разрешающей сп=срунтс=у потеу-циальноможно достичь при использавании выс=ко-точныс методов двумерного измерения поперечных смещений лазерного луча на основе использования акугтоопгиче+ких гетертденсых лазерных ио-ме]еительных систем [22]. При использовании со-рременных электронных измерительных систем со специаленьюи мтрами по шyмапoдaвлeнию за счет гсполгзовония систем сНсюь^]ро11 автопод, стауйки фазы и +верднтеиьных анусиоюптичзглих модуляторов на кристаллах Те02 с длиной ультразвуковой волны на урсвне ж 10,3 мкм м=жно достичь значений разрешающей способности поперечкых смещений ллзер -того луча «0,6 нм, что существенно выше первого направления. Однако к настоящему времени отсутствуют публикации ко акусто кптиче-ским готероринным лазерным измерительным системам, работающим в режиме низкокогерентной интерферолетрии. И это предполaгкeа преведенир дополнительных НИОКР, при положительный ре-зульгаоак каторыи ожидается выход на новый технологический уровень.

3. Зондовый ПАК. Вышеописанный пьезосканер мо=ет быгь также использован и для совершенствования зондовых ПАК [23], особенность работы которых заключается в осуществеанил доижений

по замкнутой традктории, близкой к эллиптиче-

2 2

О р у

ской, описыиаемой -пыражением — + = 1 .

Длина ножки зонда ¡з не более 10 мм. С учеты =ьзмажных биений при обработке изделий с прерывистым2 поверхностями максимальная амплитуда движений зонда по вертикали А1у должна соста2ияят с небольшим запасом не более100 мкм. Как следует из [23], максимальная амплитуда движений зонда по горизонтали А1х не превышает « 1,5 мм. С учетом вышесказанного максимальное угловое отклонение 0 может быть оценено как

А , Му _

О = аорЫд —р- и для вышеприведенных значений па-

раметров имеем 6 = arctg

100 • 10ч

, 0,6°. Как вид-10 • 10~3

но, угловые отклонения зонда существенно меньше углового отклонения лазерного луча, обеспечиваемого пьезосканером: 0,6°<<100°. Кроме того, резонансная частота зонда, достигающая 1 кГц [23], также существенно меньше вышеуказанной резонансной частоты пьезосканера 10 кГц. Это подтверждает возможность использования пьезоска-нера для координатных измерений, ощупывающих движение зонда в зондовыхПАК.Схема одного из вариантов зондового ПАК приведена на рис. 3а, а на рис. 3б показано увеличенное изображение корундового наконечника.

4. ПАК размеров изделий с несимметричным расположением режущих кромок. Данная конструкция ПАК разработана для измерения размеров изделий, в первую очередь, режущего инструмента со спиральной (винтовой) поверхностью и несимметричным расположением по сечению режущих кромок (рис. 4а, б) — фрезы, зенкеры, развертки. В данном ПАК используется измерительная голов-

вибродвигатсл а)

б)

Рис. 3. Схема зондового ПАК (а) и фотография корундового наконечника (б)

а)

б)

в)

Рис. 4. Изделия с несимметричными расположением по сечению режущих кромок: фреза (а), зенкер (а) и схемы измерений размеров таких изделий: виды сбоку (в) и сверху (г)

ка, конструкция которой близка к сканирующей ИГ, описанной выше. Отличие заключается в отсутствии сверхширокоугольной оптической системы типа «Р18Ьеуе» и корундового наконечника.

Измерительная схема (рис. 4в) состоит из двух пар измерительных головок 1, 2 и линз 3, 4, расположенных с противоположных сторон контролируемого изделия 5. В процессе измерений происходит синхронное сканирование лазерным лучом каждым пьезосканером 1 и 2 поверхности изделия, например, по эллиптической или спиралевидной траектории, включая его большую ось.

Длины большой Ь,_ и малой Ь осей эллиптиче-

1г бо МО

ской траектории подбираются с учетом двух условий:

В > 2L

6о шаг

И,.„ < Н,.,„

(12)

где Ьшаг — шаг винтовой поверхности изделия; О — диаметр изделия.

Методика определения размера изделия с несимметричным расположением режущих кромок состоит из двух этапов. Геометрическео схемы показаны на рис. 4в, г для случая расположени двух вершин сверху и одной снизу.

Итак, на первом этапе измеряется положенип трех вершин режущих кромок изделия: две с одной стороны ув, у , одна ун с другой. Это осуществляется за счет регистрации положения пятна на режущих кромках с противоположных сторон изделия в момент эллиптических движений освещающего лазерного луча.

По результатам измерений с учетом преобразования сферической системы координат в пря-

моугольную, согласно системе уравнений (5), образуется множество точек (результатов) измерений с координатами (x, у, z). В связи с тем, что изделие является телом вращения, каждая точка принадлежит окружности, то на основе измеренных значений на основе метода наименьших квадратов могут быть определены радиус Rи положение центров х0, y0 и трех вершин y, у,, Ун режущих кромок изделия (рис. 5б). На втором этапе, определяя разность между ув и у (рис. 5б), рассчитывается изменение положения верхней границы изделия &Уизд для координаты х2: ¿ту = ув~ уа. Текущее значение положения верхней границув уздевпу у , находящейся напротив нижней! у= уассчитывается исходя из предположения >инейн>го изменения размера изделия. Длины отрезков [А;В] и [А;С] определяются как l = х — х vi 1 = х— х соответственно, и поло-

ав в а ан н а '

жение хо—хдинаты хн внутри отрезка [А;В] можно

рассчитать -ан = ——- = = . С учетом этого полоса, Хв_Ха

жение верхней границы изделия ус рассчитывается

_ (Хн_ Ха )-(y ззУ а)

как ус = = ■ Ay = ■

У ГвзГа

изделиу Вш= слАуующим образом:

аискомый размер

НН =у_у =(Г.=Г.)'(У'в-УГ)зу .

изд J с J н у н

(13)

Ка видно, использование пьезосканера позволяет успешно решить обсуждаемую задачу.

Заключение. 1. Совместная работа пьезоска-нера, обеспечивающего управляемую пространственную модуляцию света, с низкокогерентным интерферометром, обладающим микронной и суб-

г)

б)

Рис. 5. Упрощенные геометрические схемы измерений: положения верхней границы изделия у (а) и искомого размера изделия (б)

микроннои точностью измерения, позволяет создать сканирующую ИГ и приборы активного контроля для координатных измерении размеров изделий со сложными профилями.

2. Повышение угловой разрешающей способности сканирующей ИГ возможно при использовании в опорном канале более совершенных методов регистрации изображения, например, методов субпиксельной обработки изображений, а также его корректировки от искажений, среди которых изменения чувствительности пикселов, смаза изображения и влиянием шумов.

Однако более перспективно использование в опорном канале методов измерения двумерных поперечных смещений лазерного луча на основе акустооптических гетеродинных лазерных измерительных систем, хотя к настоящему времени отсутствуют публикации по таким системам, работающим в режиме низкокогерентной интерферометрии. Это предполагает проведение дополнительных НИОКР в данном направлении, при положительных результатах которых ожидается выход на новый технологический уровень.

3. Технические характеристики пьезосканера, в частности, угловое отклонение лазерного луча, рабочая частота и точность измерений удовлетворяют техническим характеристикам, предъявляемым к зондовым ПАК, создавая предпосылки для успешного использования в них.

4. Технические характеристики пьезосканера позволяют использовать его для построения ПАК размеров изделий с несимметричным расположением режущих кромок, тем самым расширяя их функциональные возможности.

Библиографический список

1. Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 295 с.

2. Быков В. А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхностей: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2000. 403 с.

3. Стовпяга А. В. Технология создания и исследование пьезорезонансных зондовых датчиков для сканирующего зондового микроскопа: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2012. 112 с.

4. Akhoundi F., Qin Y., Peyghambarian N. [et al.]. Compact fiber-based multi-photon endoscope working at 1700 nm // Biomedical Optics Express. 2018. Vol. 9, no. 5. P. 2326-2335. DOI: 10.1364/B0E.9.002326.

5. Самарин А. Лазерный микропроектор со спиральной разверткой // Компоненты и технологии. 2008. Т. 10. P. 101-104.

6. Schowengerdt B., Johnston R., Melville C. [et al.]. 3D Displays using scanning laser projection // SID Symposium Digest of Technical Papers. 2012. Vol. 43. P. 640-643. DOI: 10.1002/j.2168-0159.2012.tb05863.x.

7. Wu Y., Leng Y., Xi J. [et al.]. Scanning all-fiber-optic endomicroscopy system for 3D nonlinear optical imaging of biological tissues // Optics Express. 2009. Vol. 17, no. 10. P. 7907-7915. DOI: 10.1364/OE.17.007907.

8. Zhao Y., Hiroshi Nakamura H., Gordon R. J. Development of a versatile two-photon endoscope for biological imaging // Biomedical Optics Express. 2010. Vol. 1, Issue 4. P. 1159-1172. DOI: 10.1364/BOE.1.001159.

9. Плеханов А. И., Шелковников В. В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 240-244.

10. Фокина М. И. Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны: дис. ... канд. физ.-мат. наук. СПб., 2012. 128 с.

11. Семенов С. Л. Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2008. 224 с.

12. Леун Е. В. Гибридная 3D измерительная головка для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий сложной формы // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 140-146.

13. Леун Е. В. Вопросы построения многоканальных гибридных 3D измерительных головок для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий // Омский научный вестник. 2017. № 6 (156). С. 126-131.

14. Leun E. V. Hybrid single channel fiber-optic measuring head with a built-in microscope for contact and non-contact measurement of products size in rocket and space, chemical and petroleum engineering // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141 (1). P. 050024-1-050024-8. DOI: 10.1063/1.5122167.

15. Леун Е. В., Шаханов А. Е., Никель А. В. Возможности повышения точности контактных измерений при использовании корундовых наконечников и видеорегистрации изображения области контакта // Омский научный вестник. 2019. № 2 (164). С. 68-75. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-164-68-75.

16. Иванов В. В. Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Н. Новгород, 2005. 154 с.

17. Кононенко В. В., Конов В. И., Волков П. В., Иванов В. В. [и др.]. Контроль лазерной обработки поликристаллических алмазных пластин методом низкокогерентной оптической интерферометрии // Квантовая электроника. 2005. T. 35, № 7. C. 622-626.

18. Кавиева Е. С. Методы и алгоритмы субпиксельной обработки цифровых изображений: дис. ... канд. техн. наук. Белгород, 2016. 126 с.

19. Резник А. Л. Методы, алгоритмы и программы для ускоренного решения трудоемких задач обработки случайных дискретных полей и цифровых изображений: дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 2004. 241 с.

20. SizikovV. S., Ekzempliarov R. A. Operating sequence when noise is being filtered on distorted images // Journal of Optical Technology. 2013. Vol. 80 (1). P. 28-34. DOI: 10.1364/ JOT.80.000028.

21. Rimskikh M. V., Evseev V. O., Sizikov V. S. Reconstruction of smeared images by various methods // Journal of Optical Technology. 2007. Vol. 74 (11). P 764-768. DOI: 10.1364/ JOT.74.000764.

22. Леун Е. В. Совершенствование методов и средств контроля отклонений от прямолинейности на основе акустооп-тических гетеродинных лазерных измерительных систем // Омский научный вестник. 2019. № 4 (166). С. 71-77. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-166-71-77.

23. Леун Е. В. Вопросы построения зондовых приборов активного контроля размеров изделий // Омский научный

вестник. 2018. № 4 (160). С. 127-133. DOI: 10.25206/1813-82252018-160-127-133.

ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. SPIN-код: 6060-8056, AuthorID (РИНЦ): 367560 AuthorID (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru

Для цитирования

Леун Е. В. К вопросу о совершенствовании систем измерения размеров изделий при использовании оптоволоконного пьезосканера // Омский научный вестник. 2020. № 1 (169). С. 73-79. DOI: 10.25206/1813-8225-2020-169-73-79.

Статья поступила в редакцию 17.01.2020 г. © Е. В. Леун

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.