K základním prvkům strojírenské metrologie a jejich kalibraci patří měrky rovnoběžné (KM), kterým je všeobecně věnována velká pozornost. U nás je garantem za tuto oblast metrologie Český metrologický institut, Oblastní inspektorát Liberec (ČMI). V souladu s mezinárodními normami používá ČMI ke kalibraci dvě metody – interferenční a komparační. V současné době se v ČMI dokončují testy automatu (obr. 1) na bázi bezkontaktní měřicí metody, vyvinutého v Brně Ústavem přístrojové techniky AV ČR (ÚPT) a firmou MESING. Na testech se podílí i Fakulta strojní Technické univerzity v Liberci (TUL) a cílem je optimalizace metody i automatu pro potřeby ČMI. Tyto práce realizují čtyři zmíněné organizace v rámci vědecko-výzkumného projektu TA 03010663. V příspěvku uvádíme informace o nové metodě, vlastním automatu, a to včetně výsledků závěrečných testů. Problematika se týká měření krátkých KM (0,3–100 mm). Interferenční měření je v ČMI dosud realizováno pomocí systému TESA NPL A.G.I.300 na bázi laserové interferometrie a ke komparačnímu měření se používá přístroj UPC od téže firmy. Nová bezkontaktní metoda pracuje na principu nízkokoherentní interferometrie. Její unikátnost spočívá ve způsobu optického odměřování délky KM, kdy je při využití kombinace laserové interferometrie a interferometrie nízké koherence získána absolutní hodnota délky KM, jako výsledek jednokrokového bezkontaktního měření, které probíhá bez nutnosti jakékoli další manipulace s KM, nebo porovnání výsledku měření s hodnotou referenční. BEZKONTAKTNÍ SYSTÉM KALIBRACE Nový systém využívá interferometr s bílým světlem, který svým uspořádáním umožňuje bezkontaktní absolutní měření délky KM bez nutnosti použití referenční desky, na kterou jsou KM nasunuty, jako u systému NPL. U bezkontaktního sytému je KM měřena opticky z obou stran, přičemž část svazku prochází i kolem KM a takto vzniklý interferenční signál pak tvoří referenční polohu měřicího systému. Bezkontaktní systém je navázán na státní etalon délky prostřednictvím stabilizovaného He-NE laseru a pomocí něj lze zajišťovat sekundární etalonáž délky. Pro zajištění plně automatické kalibrace celých sad KM byl navržený optický měřicí systém doplněn o automatický podavač KM, který je schopen pojmout až 126 KM. Celý měřicí proces je zbaven potenciálních negativních vlivů a jeho role je redukována na prosté založení KM do vyhrazených pozic v podavači (obr. 2) a spuštění automatického měřicího cyklu. Jako širokospektrální zdroj světla se používá pulzní pikosekundový laser generující širokospektrální záření zvané bílé kontinuum. Pikosekundový laser je použit hlavně z důvodu lepších prostorových optických vlastností svazku vystupujícího z jednomodového optického vlákna. Tím je dosaženo lepšího kontrastu interferenčního signálu ve srovnání s vysocesvítivou širokospektrální (bílou) LED diodou, která se v měřicím systému rovněž testovala. Schematické znázornění měřicí sestavy je spolu s naznačením principu měření na obr. 3. Na obr. 4 je schematicky znázorněn obraz zaznamenaný kamerou na výstupu měřicí sestavy. Optická sestava byla realizována pomocí třípalcové optiky (skleněné desky o průměru 76,2 mm) s vysokou rovinností a kvalitou optických povrchů, umožňující použití svazku o průměru 35 mm, garantujícího měření celé funkční plochy KM. Samotná KM je v době měření umístěna na tříbodovém držáku (obr. 5), jehož poloha je pomocí speciálních šroubů s piezoelektrickými akčními členy před každým měřením automaticky nastavena tak, aby bylo dosaženo maximálního kontrastu interferenčních proužků. Obdobně je tomu i v případě držáku interferenční plochy RS, umístěném na motorizovaném posuvu. I zde se využívá další sestava piezošroubů pro on-line korekci nežádoucích náklonů referenční plochy v průběhu měření. Optická sestava je doplněna snímači pro monitorování teplot různých částí systému za účelem korekce teplotních dilatací v průběhu měření a systémem pro měření indexu lomu vzduchu. Je nezbytným pro odměřování vzdálenosti laserovým interferometrem s rozlišením v řádu jednotek nanometrů. CCD kamera monitoruje interferenční strukturu (proužky), které vzniknou interferencí odrazů od měřicích ploch KM. Pokud je osa KM shodná s osou svazku, odrazy míří přesně tam, odkud světlo přišlo, a v místě, kde je CCD kamera, se svazky potkají pod vzájemným úhlem 0°, vznikne jednolitý signál (jen jeden interferenční proužek). Úhlová odchylka mezi osou KM a osou měřicího svazku pak znamená nenulový úhel mezi svazky v místě, kde jsou vidět interferenční proužky. Perioda proužků je funkcí úhlu, pod kterým se svazky potkávají. Z počtu a tvaru interferenčních proužků lze určit, jak je nutné pohybovat s KM (změnit napětí na piezoelektrických akčních členech v držáku KM), aby se úhlová chyba odstranila. PORO VNÁNÍ SYSTÉMŮ Návaznost na státní etalony Systém TESA NPL A.G.I. 300 je přímo navázán na státní etalon délky prostřednictvím femtosekundového generátoru hřebene optických frekvencí a jodem stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm. Systém TESA-UPC je navázán na státní etalon délky prostřednictvím etalonových KM 1. řádu, měřených na interferenčním komparátoru TESA NPL A.G.I.300 a porovnávaných s etalonem, kterým je délka světelné vlny jodem stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm interferenčního komparátoru TESA NPL A.G.I.300. Bezkontaktní systém je přímo navázán na státní etalon délky prostřednictvím stabilizovaného He-Ne laseru – 633 nm. Použitelnost Na TESA NPL A.G.I. 300 lze měřit pouze KM s vysokou kvalitou měřicích ploch. Jedná se o KM třídy přesnosti K – 0, spadající do 2. sekundárního řádu. Není možné měřit jen jednu samotnou KM, ale vždy musí být měřeny více než 2 ks KM. Systém vyžaduje velmi vysokou náročnost z hlediska přípravné fáze a vlastního měření. Naměřené hodnoty je nutné ověřovat kompletním opakovaným měřením. Systémem TESA-UPC lze měřit KM třídy přesnosti 1–2 a s nízkou kvalitou povrchu KM, spadající do 2.–5. sekundárního řádu. Lze měřit jen jednu samotnou KM, ke které je požadovanou nutností etalonová KM s vyšší přesností. Systém vyžaduje náročnost z hlediska přípravné fáze a vlastního měření. Naměřené hodnoty je nutné kontrolovat opakovaným měřením. Na bezkontaktním systému lze měřit KM třídy přesnosti K až 2 s vysokou i nižší kvalitou povrchu, spadající do 1.–5. sekundárního řádu. Lze měřit jednu samostatnou KM bez nutnosti měření celé sady KM. Systém vyžaduje náročnost z hlediska přípravné fáze. Měřicí proces probíhá automaticky. Doba procesu měření závisí na délce měřených KM a kvalitě povrchu měřicích ploch. Poškození KM při měření Při měření na systému TESA NPL A.G.I.300 dochází díky kontaktnímu „nasátí“ na referenční plochu k poškození měřicího povrchu KM ve formě nevratných rýh, škrábanců, tj. plastické deformaci. Při měření na systému TESA-UPC byla zjištěna pouze minimální deformace u KM (kontakt KM a snímače – horní a spodní dotyk). Při měření na bezkontaktním systému nebylo prokázáno žádné poškození povrchu KM. Přesnost a nejistota měření TESA NPL A.G.I.300 Systém je používán k měření délky KM v rámci mezinárodních porovnání organizovaných jak v rámci EURAMETu, tak i celosvětově. Velikost nejistoty měření U, která je pro ČMI uznána jako CMC (kalibrační a měřicí schopnost) v BIMP databázi KCDB, je: kde ln je jmenovitá délka KM udaná v milimetrech. Rozlišení přístroje je 1 nm. TESA-UPC Velikost nejistoty měření U, která je pro ČMI uznána jako CMC (kalibrační a měřicí schopnost) v databázi KCDB, je: kde ln je jmenovitá délka KM udaná v milimetrech. Rozlišení přístroje je 10 nm. Bezkontaktní systém Velikost nejistoty měření: kde ln je jmenovitá délka KM dosazena v milimetrech. Rozlišení přístroje je 1 nm. Daná hodnota byla určena jako CMC (kalibrační a měřicí schopnost) pro měřicí systém. Obecné porovnání Při obecném porovnání systémů TESA NPL A.G.I.300, bezkontaktního systému a systému TESA-UPC bylo zjištěno, že je průměrná naměřená hodnota délky KM (pro vybrané KM) a nejistota měření u bezkontaktního systému a systému TESA-UPC ve shodě. Systém TESA NPL A.G.I.300 vykazoval mnohem nižší naměřené hodnoty délky KM a nižší nejistotu měření (cca o polovinu). Při porovnání systémů byla prokázána nejvyšší shoda mezi bezkontaktním systémem a TESA-UPC. Nižší shoda byla prokázána s bezkontaktním systémem a TESA NPL A.G.I.300. ZÁVĚR Z celkového porovnání lze poukázat u bezkontaktního systému jak na jeho přednosti, tak i na menší omezení. Nevýhodou je sice nižší přesnost, a tedy i vyšší nejistota měření, ale velkou výhodou je rychlé automatizované měření a nepoškozování funkčních ploch KM. Systém je určen ke kalibraci KM přesnosti K až 2, a to 1.–5. sekundárního řádu. Lze jím měřit i jednu samostatnou KM a je navázán na státní etalon ČR. Řešitelský kolektiv a autoři příspěvku: Ing. Štěpánka Dvořáčková, Ph.D., Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní Ing. František Dvořáček, Český metrologický institut, Oblastní inspektorát Liberec Ing. Pavel Konečný, Ing. Jan Kůr, Mesing, spol. s r. o., Brno Ing. Zdeněk Buchta, Ph.D., Ing. Martin Čížek, Ph.D., Mgr. Martin Šarbort, Ph.D.,Mgr. Šimon Řeřucha, Ph.D., Ing. Václav Hucl, Ing. Tomáš Pikálek, prof. Ing. Josef Lazar, Dr., Ing. Ondřej Číp, Ph.D., Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i., Brno
