Bezkontaktní automatická kalibrace koncových měrek

Kontrolní měření koncových měrek používaných v průmyslu ke kalibraci dílenských měřidel je přesnou a zpravidla zdlouhavou prací, přesahující i týdny u jedné sady. Způsoby měření dnes určuje a popisuje evropská norma EN ISO 3650, přičemž jsou vlastně povoleny jen dvě metody využívající interferometrie. Nové řešení, založené rovněž na principu interferometrie, které vypracovali vědci z Ústavu přístrojové techniky Akademie věd v Brně (UPT AV Brno) společně s Mesingem celý proces měření koncových měrek velmi zrychluje a činí méně náročným na obsluhu. Jde o výsledek společné 5leté práce, jenž teprve nyní přináší své očekávané ovoce. Vzhledem k současné praxi kalibrace měřidel se očekává, že o přístroj založený na kombinaci interferometrie nízké koherence s laserovou interferometrií projeví zájem právě laboratoře metrologické praxe. V dílenské praxi stojí na konci kalibračního řetězce běžně používaných měřidel koncová měrka. Jedná se zpravidla o ocelový nebo keramický blok, používaný jako etalon při kalibraci nejpřesnějších dílenských měřidel délky, jakými jsou posuvná měřidla a mikrometry. Zejména z důvodu mechanického kontaktu mezi kalibrovaným měřidlem a koncovou měrkou dochází postupně k opotřebení koncové měrky a i tento mechanický standard délky je tedy třeba v pravidelných intervalech kontrolovat, tj. kalibrovat. Požadavky na koncové měrky a metodologii jejich kalibrace shrnuje mezinárodní norma EN ISO 3650. V ní jsou popsány dvě základní metody kalibrace koncových měrek. První z nich využívá pro kalibraci laserovou, případně vícevlnnou interferometrii. Koncová měrka je v tomto případě nasátá na referenční plochu a pomocí zvolené interferometrické techniky je měřena vzdálenost referenční plochy od volného čela koncové měrky (délka měrky). Druhá z metod je založena na porovnání délky kalibrované měrky s délkou měrky referenční. V nově navrženém a již patentovaném řešení se využilo oboustranné kontaktní měření pomocí inkrementálních snímačů délky. Nový měřicí systém, který ÚPT AV Brno představuje, nabízí tedy alternativu k uvedeným dvěma metodám, a to v podobě bezkontaktního měření obou konců měrek s možností plné automatizace. Tento měřicí systém kombinuje laserovou interferometrii a interferometrii nízké koherence, avšak v nově pojatém řešení oproti obdobným systémům „Snažili jsme se o to, aby naše nová metoda koncovou měrku při její kalibraci nijak neovlivnila, zejména nepoškodila její povrch či nezkreslila při měření její délku,“ vysvětluje Ondřej Číp, hlavní řešitel výzkumného úkolu z Ústavu přístrojové techniky AV ČR. VÝSLEDKY ZÁKLADNÍHO VÝZKUMU NA CESTĚ K PRŮMYSLOVÝM APLIKACÍM „Kalibrovanou koncovou měrku odměřujeme naší metodou z obou stran pomocí světelného svazku, kdy jeho část se odráží od jednotlivých čel koncové měrky a další část následně prochází kolem této měrky, a na základě vzájemného porovnání získaných interferenčních signálů je stanovena délka koncové měrky, a to s nejistotou měření v řádu desítek nanometrů“, vysvětluje dálší z řešitelského týmu Zdeněk Buchta. Měřicí světelný svazek je však tvořen nejen světlem ze standardního jednofrekvenčního laseru, který se využívá např. při měření délky ve velmi přesném strojírenství, ale obsahuje i světlo z tzv. pulzního femtosekundového laseru. Toto světlo obsahuje tisíce laserových vln s širokým rozsahem vlnových délek, a proto se pro něj vžil název tzv. bílé superkontinuum. A právě výjimečnost tohoto světla, kterým se tým Ondřeje Čípa již mnoho let zabývá v rámci základního výzkumu v Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR, nyní pomohla dosáhnout zcela mimořádné přesnosti při stanovení délky koncové měrky v představované metodě. VÝVOJ MĚŘIDEL S NANOMETROVOU PŘESNOSTÍ VYŽADUJE ZCELA NOVÉ KONSTRUKČNÍ POSTUPY „Konstrukce měřicího systému nové generace pro kalibrace délky koncových měrek podle metody, kterou naši partneři z Ústavu přístrojové techniky AV ČR představili, byla velmi náročná a byly chvíle, kdy jsme velmi dlouho hledali to nejsprávnější konstrukční řešení, které by eliminovalo např. nanometrové dilatace soustavy“, uvádí vedoucí vývojového oddělení Jan Kůr z firmy Mesing, která se podílela na konstrukčním řešení vlastního systému pro kalibrace. Kromě nového principu kalibrace přinesla praktická realizace měřicího systému celou řadu inovací a konstrukčních novinek. Zcela unikátní součástí měřicího systému je automatický výměník, schopný pojmout až 126 měrek v rozsahu délek 0,5 až 100 mm a umožňující tak plně automatizovanou kalibraci celé sady koncových měrek s maximální možnou eliminací nežádoucích vlivů při výměně koncových měrek a fluktuaci indexu lomu vzduchu. To uvádí Pavel Konečný, hlavní konstruktér firmy Mesing. NOVÁ METODA PROJDE ZATĚŽKÁVACÍMI ZKOUŠKAMI V současnosti probíhá příprava měřicího systému na jeho pilotní nasazení při kalibracích koncových měrek. Laboratorní zkoušky nové metody na sadě normálových koncových měrek byly úspěšně provedeny v rámci spolupráce s Českým metrologickým institutem již na konci roku 2012. Nyní se výzkumný tým připravuje na nasazení měřicího systému při reálných kalibracích koncových měrek v kalibrační laboratoři. Poslední výsledky měření naznačují, že nová metoda je nepochybně horkým kandidátem pro její rozšíření v metrologické praxi. „Vzhledem k tomu, že realizovaný měřicí systém je plně automatizován, kalibrace i následné vyhodnocení naměřených výsledků probíhá na programech, které jsme realizovali na našem pracovišti, předpokládáme v blízké budoucnosti zájem z kalibračních středisek o nasazení naší metody v metrologické praxi“, říká k budoucnosti tohoto přístroje Ondřej Číp. Sluší se poznamenat, že nový systém měření vznikl i za podpory Grantové agentury ČR a pilotní experimentální sestava byla financována s přispěním Evropské komise a MŠMT ČR. Jan Baltus