Особенности измерения и контроля геометрических параметров элементов и узлов датчиков физических величин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

36

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

УДК 531.717

П. Г. Михайлов, К. А. Ожикенов

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

P. G. Mikhaylov, K. A. Ozhikenov

FEATURES OF MEASURING AND CONTROL OF GEOMETRIC AIL PARAMETERS OF ELEMENTS AND KNOTS OF SENSORS OF PHYSICAL SIZES

Аннотация. Описаны методы и приборы, предназначенные для измерения геометрических характеристик деталей датчиков: линейных и угловых размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Пояснены правила выбора и применения измерительных приборов, приведены их основные технические характеристики.

Abstract. The article is devoted methods and devices, geometrical descriptions of details of sensors intended for measuring: linear and angular sizes, rejections of form and location of surfaces. The rules of choice and application of measurings devices are explained, their basic technical descriptions are resulted.

Ключевые слова: измерение, геометрический параметр, размер, индикаторная головка, штангенциркуль, шероховатость, профилограф, ким, датчик, узел, деталь.

Key words: measuring, geometrical parameter, size, indicator head, trammelhead, roughness, profilograf, kim, sensor, knot, detail.

При эксплуатации объектов различного назначения, таких как авиационная техника, наземный транспорт, роботизированные автоматические линии и пр., значительное место занимают ремонт, модернизация и поддержание работоспособности оборудования, узлов и механизмов. В процессе ремонта деталей и узлов, восстановления изношенных подшипников, зубчатых колес и пр. приходится выполнять множество измерений геометрических параметров: линейных и угловых размеров, шероховатостей, отклонений формы. От проведения корректных измерений в процессе восстановления и изготовления деталей и узлов во многом зависят готовность к пуску и работоспособность технологического оборудования. При этом диапазон и точность измерения варьируются в значительных пределах, примерами чему могут служить определение размеров корпусов океанских лайнеров (сотни метров) и измерение шероховатости поверхности лопаток турбокомпрессора (доли микрометра) [1].

В такой отрасли, например, как геодезия и картография, измерения линейных размеров являются также основными (правда, здесь оперируют не миллиметрами, как в приборо- и машиностроении, а метрами и километрами). И прочность грунта при испытаниях оценивается измерением (осадкой) грунта, нагруженного домкратом (осадка грунта оценивается от единиц микрометров до миллиметров).

Технология приборостроения оперирует с деталями и узлами, размеры которых имеют очень большой разброс, начиная от нескольких микронов и менее (размеры элементов инте-

...............................2015л№ 1 (ll).....................................

гральных схем и наноманипуляторов) до метровых величин (роботы-манипуляторы, газовые лазеры и пр.). Во многих сложных изделиях современного приборостроения необходимо в одном изделии измерять геометрические параметры с высочайшей точностью как в единицы микрометров, так и в метровом диапазоне. Наглядными тому примерами могут служить туннельный микроскоп, в котором используется игла, сканирующая поверхность, радиус закругления которой составляет доли микрометров, и контрольно-измерительная машина, в которой используются прецизионные направляющие, точность линейных размеров которых должна обеспечиваться с точностью до нескольких микрометров.

Зачастую измерения многих геометрических и иных параметров можно свести к линейным измерениям, характерным примером чему может служить измерение шероховатости поверхности, которое в конечном итоге сводится к измерению микрорельефа (высоты и шага микронеровностей). Другой пример - твердость материалов также сводится к измерению размеров и площади отпечатка, формируемого в материале от вдавливания алмазной пирамидки или закаленного стального шарика. Все характеристики неразъемных и разъемных соединений основываются на нескольких базовых понятиях: зазор, натяг, допуск, при этом все из них по сути и по размерности являются геометрическими линейными размерами. Такая взаимосвязь геометрических величин с измерениями других физических величин может быть подтверждена на следующих характерных примерах:

- измерение шероховатости поверхности сводится к измерению микрорельефа (высоты и периода микронеровностей);

- прочность грунта на месте предполагаемого строительства оценивается осадкой грунта (в миллиметрах или в микрометрах), нагруженного определенным давлением;

- определение твердости металлов и сплавов сводится к измерению размеров и площади отпечатка, формируемого на поверхности материала при вдавливании в него алмазной пирамидки или закаленного стального шарика;

- в датчиках температуры, основанных на дилатометрическом принципе действия (биметаллические, ртутные и спиртовые термометры), информативной величиной является перемещение (линейное или угловое) термочувствительного элемента: изгиб биметаллической пластины, перемещение столбика ртути и жидкости;

- прочностные характеристики и взаимодействие деталей в неразъемных и разъемных соединениях характеризуются видом их сопряжения: зазором, натягом, взаимосвязанными допусками, которые, в свою очередь, количественно выражаются через линейные размеры.

Специфика измерения геометрических параметров в области точного и специального приборостроения, в частности датчикостроения, такова, что зачастую приходится измерять детали и узлы, размеры которых имеют очень широкий диапазон. Эти размеры могут иметь величину, начиная от нескольких микронов и менее (размеры элементов интегральных схем и наноманипуляторов) до метровых величин (размер троса у датчиков линейных перемещений, датчики контроля натяжения армирующих канатов на АЭС и пр.). При этом во многих сложных по геометрии изделиях необходимо одновременно измерять геометрические параметры с высочайшей точностью как в области малых, так и в области больших значений измеряемых параметров (длин, углов). Наглядным тому примером может служить контрольно-измерительная машина КИМ, в которой используются прецизионные направляющие, точность линейных размеров (до нескольких метров) должна обеспечиваться с точностью до нескольких микрометров [2].

Для корректного выбора и последующего использования средств измерения (СИ), применяемого для контроля деталей и узлов измерительных приборов, необходимо учитывать их геометрию, взаимное расположение и возможность сопряжения с измерительными приборами и приспособлениями [3]. Поясним указанные требования на примерах базовых деталей и узлов измерительных преобразователей (рис. 1-3).

Для узлов на рис. 1 контролируемые геометрические параметры следующие: линейные и угловые размеры, отклонения формы, шероховатость; используемые СИ: микрометр, штангенциркуль, измерительные калибры, часовой индикатор, профилограф - профилометр, часовая индикаторная головка, проектор.

37

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

а)

б)

Рис. 1. Конструкции узлов и деталей металлопленочного датчика давления: а - измерительного модуля (1 - контактная колодка; 2 - профилированная балка; 3 - крепежные винты; 4 - основание балки); б - воспринимающего элемента

Для узлов на рис. 2 контролируемые геометрические параметры следующие: линейные размеры, отклонения формы, шероховатость, взаимное расположение поверхностей; используемые СИ: инструментальный или телевизионный микроскопы, часовая индикаторная головка, штангенциркуль с глубиномером, микрометр.

Рис. 2. Измерительные модули полупроводниковых датчиков давления: а - абсолютного давления (1 - корпус; 2 - чувствительный элемент; 3 - крышка; 4 - электрический вывод; 5 - штенгель); б - относительного давления (1 - стеклянная буса; 2 - корпус; 3 - изолятор; 4 - проводник)

39

2015,№l(llJ

Для узлов на рис. 3 контролируемые геометрические параметры следующие: линейные размеры, отклонения формы, шероховатость, взаимное расположение поверхностей; используемые СИ: инструментальный или телевизионный микроскопы, часовая индикаторная головка, профилограф - профилометр, телевизионный проектор.

а)

б)

Рис. 3. Детали микромеханических линейных акселерометров: а - пластина узла обратного преобразователя; б - кремниевый упругий элемент

Из всего перечня рекомендуемых универсальных СИ наиболее используемыми по сей день являются: штангенциркуль, микрометр, часовой индикатор, а из специальных - инструментальный микроскоп, проектор, координатно-измерительная машина (рис. 4).

а) б)

Рис. 4. Оптические измерительные приборы:

а - малый инструментальный микроскоп; б - автоматизированный измерительный проектор

40

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

К универсальным СИ измерения широкого спектра геометрических параметров относят координатно-измерительные машины, которые по сути являются измерительными роботами, осуществляющими по введенной заранее (или вводимой в процессе работы) программе контроль, измерение, расчет и выдачу информации в виде координатных размеров, допусков, отклонений и пр. Результаты измерений и расчетов заносятся в память и выводятся на табло, дисплей и передаются по стандартному интерфейсу в ПЭВМ.

Точность КИМ определяется погрешностью по координатам и составляет от ±10 мкм на 1000 мм до ± 20-100 мкм на 1000 мм перемещения. Диапазон измерения до 1000х1000 мм, дискретность отсчета до 0,5 мкм.

КИМ являются сложными, дорогостоящими СИ, поэтому их применение оправдано для измерения ответственных, сложных по форме деталей и узлов (атомная промышленность, авиационная и ракетно-космическая отрасли, оборудование для микроэлектроники и т.д.).

В технологиях изготовления микроэлектронных датчиков очень большое значение для качества и выхода годных имеет чистота обрабатываемых поверхностей деталей, изготовленных из нержавеющих сталей, кремния, стекла и керамики [2, 4]. Это связано с наличием дефектов, степени адгезии пленок к материалам, диффузионным процессам и пр. Поэтому на конечных стадиях изготовления ЧЭ и ВЭ металлопленочных датчиков, особенно после операций шлифовки и полировки инструментальными методами, измеряется шероховатость контролируемых поверхностей. Рассмотрим основные моменты контроля поверхностей, используя нормативные документы.

По ГОСТ определены шесть основных параметров шероховатости: Ra - среднеарифметическое отклонение профиля; Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам; Rmax -наибольшая высота неровностей профиля; S - средний шаг местных выступов; Sm - средний шаг неровностей профиля; tp - относительная опорная длина профиля, где p - значение уровня сечения профиля.

Математически Ra, Rz, Sm, S и tp можно выразить в виде рядов:

или, приблизительно:

Ra

1 г1

-f /Y / dx, l J0

Ra

1 П

- Z Y/,

i=1

(1)

(2)

где l - базовая длина; n - число выбранных точек на базовой длине; Y - отклонение профиля в i-й точке, т.е. расстояние между текущей точкой профиля и средней линией;

S S

Z/Ypi / + Z /YVi /

Rz = ^------5^-------, (3)

где Ypi - высота i наибольшего выступа профиля; Yvi - глубина i наибольшей впадины;

1 n

s =—V s •

Jm / у mi ?

n 1

S = - ±S,; (4)

n 1 1 n

tp = i Zb.,

1

где Zb - сумма длин отрезков выступов профиля (в пределах базовой длины l), отсекаемых на заданном уровне в материале линией, параллельной средней линии.

...............................2015л№ 1 (ll).......................................

Параметры Sm и S позволяют определить спектральные характеристики профиля (количество гармоник, их амплитуды и распределение), так как содержат информацию о частоте и фазе как основных гармоник ^-характеристика), так и обертоновых (St -характеристика).

Параметр tp содержит наибольшую информацию о высотных свойствах профиля, так как он аналогичен функции распределения. В продольном направлении tp характеризует фактическую площадь контакта при соприкосновении шероховатых поверхностей на заданном уровне сечения, т.е. служит характеристикой, от которой зависят эксплуатационные свойства поверхности (коэффициент трения-скольжения, коэффициент отражения, износ и т.д.).

Следует отметить, что на практике очень часто бывает трудно отделить погрешности формы, волнистость от шероховатости, так как реальный рельеф поверхности представлен наложением их всех, поэтому назначение норм на эти величины имеет в некоторой мере условный характер.

Более того, в отдельных случаях волнистость может быть больше погрешности формы, а шероховатость больше волнистости. Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы поверхности. Критерием для их разграничения служит отношение шага S к высоте неровностей R. Шероховатость поверхности не включается в отклонение формы, хотя в обоснованных случаях допускается нормировать отклонение формы, включая шероховатость поверхности. Волнистость поверхности включается в отклонение формы. В обоснованных случаях допускается нормировать отдельно волнистость поверхности или отклонение формы без учета волнистости. Однако сложность решения задач, связанных с нормированием, технологическим обеспечением и контролем геометрических параметров реальных поверхностей, состоит в том, что их (отклонения формы, волнистость и шероховатость) весьма трудно отграничить одну задачу от другой в отдельности. В реальных поверхностях обычно встречаются комбинации всех типов отклонений.

Следует отметить огромную роль, которую играет качество поверхности в металлопленочных датчиках давления. Это связано в первую очередь с адгезией и сплошностью тонких диэлектрических и металлических пленок, формируемых на металлической поверхности упругих элементов датчиков. При высокой шероховатости поверхности адгезия пленки будет мала, а сплошность пленки будет нарушена. Поэтому стремятся добиться оптического качества поверхности, для чего в процессе полировки ее тщательно и многократно контролируют.

Изготовители изделий на основе тонких пленок интересуются главным образом микронными и субмикронными дефектами, поэтому в технологии производства металлопленочных датчиков для оценки дефектов поверхности подложки наибольшее распространение получил щуповой метод контроля профиля пленки.

Чувствительность этого метода позволяет обнаружить дефекты, которые наиболее часто встречаются при работе с тонкими пленками. Этот метод достаточно скоростной и прост в использовании. При этом оговариваются усилие поджатия щупа к исследуемой поверхности и его радиус, который обычно находится в пределах 0,5—1,5 мкм. Основным недостатком данного метода является то, что он относится к разрушающим методам контроля шероховатости поверхности, поэтому он, как правило, используется на образцах-свидетелях, а результаты контроля распространяются на всю партию УЭ, изготовленных в одной партии со свидетелями при групповых методах изготовления. При этом предполагают, что нерегулярности подложки состоят из трех компонентов с разными периодами и амплитудами: шероховатость, волнистость и плоскостность соответственно.

На практике щуповой метод контроля гладкости пленки и упругого элемента оценивается по отклонению профиля от мнимой средней линии поверхности. При этом экспресс-метод заключается в расчете геометрии профиля, по профилограмме участка профиля, полученного различными способами. Данный метод успешно может быть использован в учебных целях при расчете характеристик поверхностей различных приборов.

При разработке технологических процессов изготовления деталей датчиковой аппаратуры в технологической документации обязательно включаются карты измерений, где указываются используемый измерительный инструмент и методика измерения. При этом очень важным моментом для технолога является корректный выбор измерительного инструмента, исходя из квалитетов и допусков на конкретные детали (табл. 1, 2).

41

42

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Таблица 1

Наивысшие по точности квалитеты изделий, измеряемых приборами с учетом их погрешности

Диапазон размеров, мм

Измерительный прибор Цена деления, мм СП 1 7 СП 6-18 18-50 50-120 120-180 180-250 250-500

1.1. Измерение наружных линейных размеров

Штангенциркуль 0 1 17 16 15 15 14 14 14

0,05 16 15 14 13 13 12 12 -

Микрометр: 0,01 9 9 8 8 9 9 9

гладкий рычажной 0,002 9 8 7 7 8 8 9

Скоба:

0,01 12 11 10 9 9 9 10

индикаторная рычажная 0,002 9 8 6 6 7 - -

Инструментальный микроскоп 0,005 9 9 8 7 - - - -

1.2. Измерение внутренних линейных размеров

Штангенциркуль 0,1 17 17 16 15 15 15 15 15

0,05 17 16 16 14 14 14 14 14

Микрометрический нутромер 0,01 - - - - 9 9 9 9

Индикаторный 0,01 12 11 11 11 10 9 9 9

нутромер 0,002 9 8 7 7 7 7 7 7

То же, повышенной 0,001 8 7 7-6 6 6 6 6

точности

Инструментальный микроскоп 0,005 10 10 9 9 8 7 7 -

Пневматический нутромер с пробкой 0,0005 - - 8 7 6 - - -

Таблица 2

Характеристики штангенприборов

Тип Пределы измерения, мм Значение отсчета по номиналу, мм Вылет губок, мм Допускаемая погрешность, мм

L L: Для участка шкалы При значении отсчета по нониусу

0,1 0,05

2.1. Штангенциркули

ШЧ-I 0-125 0,1 35-40 16 0 ±0,05

0-160 0,1 45-50 6 0-100 ±0,06

и ШЧ-III 0-200 и 50-63 8 100-200 ±0,07 ±0,05

0-250 0,05 60-80 10 200-250 ±0,08

0-315 63-100 10 250-300 ±0,08

ШЧ-III 0-400 0,1 63-125 10 300-400 ±0,04

0-500 80-160 15 400-1000 ±0,1

2.2. Штангенглубиномеры

0-160

0-200

ШГ 0-250 0,05 120 - 0-400 - ±0,05

0-315

0-400

Список литературы

1. Михайлов, П. Г. Технологические процессы в приборостроении. Измерение и контроль геометрических параметров деталей и узлов измерительных приборов : учеб. пособие / П. Г. Михайлов, С. Ю. Байдаров, Е. А. Мокров. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - 112 с.

43

2.

3.

4.

2015,№l(llJ

Михайлов, П. Г. Микромеханические устройства и приборы : учеб. пособие / П. Г. Михайлов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2007. - 174 с.

Технические измерения в технологии и производстве радиоэлектронной аппаратуры и измерительных систем : учеб. пособие / П. Г. Михайлов, Н. К. Юрков, В. И. Лапшин, С. Ю. Байдаров. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - 148 с.

Михайлов, П. Г. Изготовление неразъемных узлов микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов, Е. А. Мокров, С. Ю. Байдаров // Контроль. Диагностика. - 2011. - № 6. -

С. 40-46.

Михайлов Петр Григорьевич

доктор технических наук, профессор, кафедра прикладной и бизнес информатики, Пензенский институт технологий и бизнеса (филиал)

Московского государственного университета технологий и управления им. К. Г. Разумовского (Пензенский филиал)

E-mail: pit_mix@mail.ru

Ожикенов Касымбек Адильбекович

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой робототехники и технических средств автоматики, Казахский национальный технический университет им. К. И. Сатпаева E-mail: kas_oziken@mail.ru

Mikhaylov Petr Grigor'evich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of applied and business ofinformatics, Penza Institute of Technologies and Business (branch) ofMoscow State University of Technology and Management named after K G. Razumovskiy

Ozhikenov Kasymbek Adil'bekovich

candidate of technical sciences, associate professor,

head of sub-department

of robotics and means of automation,

Kazakh National Technical University named after K. I. Satpaev

УДК 531.717 Михайлов, П. Г.

Особенности измерения и контроля геометрических параметров элементов и узлов датчиков физических величин / П. Г. Михайлов, К. А. Ожикенов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2015. - № 1 (11). - С. 36-43.