Введение к работе
Актуальность проблемы. Распитие техники и технологии машиностроения, приборостроения, электронной промышленности предъявляет возрастающие требования к точности, функциональным возможностям и уровню автоматизации измерений и контроля геометрических характеристик объектов. Прецизионные технологии в настоящее время характеризуются устойчивой тенденцией развития особоточноії обработки материалов и поверхности изделии в механике, оптике и электронике, что определяется резким сниженном результирующих затрат па создание продукции за счет повышения надежности и выхода годных изделий при предельном уменьшении отклонении значимых параметров от номинальных.
Достигнутый урозень точности линейно-угловых измерений зафиксирован в нормативных документах МИ 20G0-90 и ГОСТ 8.016-80, определяющих порядок передачи размера единицы длины и плоского угла к средствам измерений. Актуальность задач дальнейшего повышения точности при развитии новейших наукоёмких технологий подтверждается Программой фундаментальных исследований по метрологии ; научно-техническими программами, принятыми Академией наук и правительством страны и ориентированными на эффективное использование энергетических и материальных ресурсов ; Национальной программой, направленной на решение задач нанотохноло-
ПІП.
Принципиальной проблемой прецизионного контроля явля-ктся -бесконтактн: з измерения с малой относительной погрешностью 10" ... 10 при абсолютных отклонениях 0,1-100 нм параметров геометрических элементов второго порядка и сложных поверхностен в виде составных структур, не сводимые при реальных условиях измерений и требуемой точности к одномерному случаю линейных измерений. Эта проблема может быть /нгшена на основе использования многоканальных интерференционных измерительных систем, которые сочетают б себе преимущества интерферометрии и бесконтактных координатных измерений высокой точности. При этом необходимо решить важную научную проблему, заключающуюся в разработке принципов многоканальной интерферометрии, Критериев высокоточного оценивания параметров реальных интерференционных сигналов, синтезе и создании многоканальных ннтер-
ференщкшных измерительных систем, исследовании их точностных характеристик.
Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое обобщение, разработка научных основ, положений и принципиальных решений проблемы высоточных бесконтактных интерференционных измерений и контроля геометрических элементов сложных поверхностей объектов и пространственных структур в прецизионных технологических процессах, включая :
анализ процессов формирования измерительных сигналов при многоканальных интерференционных измерениях высокой точности ;
- исследование процессов многоканальной фотоэлектри
ческой регистрации интерференционных сигналов и оценивание
предельных точностных характеристик интерферометрического
канала ;
- анализ принципов оптимальной обработки и оценивания
параметров сигналов, идентификацию ннтерферометрических
каналов и систем, синтез методов и систем оптимального
оценивания фазовых характеристик реальных интерферен
ционных сигналов ;
- разработку, теоретическое и экспериментальное иссле
дование многоканальных интерференционных измерительных
систем и их точностных характеристик.
Научная новизна. Научная новизна полученных результатов заключается в том, что :
выполнено теоретическое обобщение, разработаны принципы построения, выбраны и обоснованы пути реализации многоканальных интерференционных измерительных систем для прецизионного контроля объектов ;
впервые выполнена адекватная идентификация полной модели реального векторного интерференционного сигнала; выполнен синтез обощенноп структуры оптимальной интер-ферометрнческой системы ; введены теоретические понятия и даньї определения интерферометрического канала, многоканальной интерференционной измерительной системы, векторного интерферометрического процесса ;
разработаны теоретнчесие .юження и исследованы
метрологические возможности координатных измерений высокой точности на основе использования специальных образцоз со сферическими поверхностями;
проведен полный анализ источников погрешностей измерения геометрических характеристик объектов в многоканальной пнтерферометрнческой системе; разработаны принципы оптимальной обработки интерференционных сигналов в автоматическом режиме, выявлены особенности влияния аддитивных и фазовых помех, получены аналитические выражения, позволяющие выполнять расчет основных узлов высокоточной пнтерфернционной измерительной системы;
разработаны принципы автоматической регистрации и обработки интерференционных сигналов в двухканальных системах прецизионного позиционирования в нанометровом и суб-нанометровом диапазонах отклонений положения объектов, а также в многоканальных ннтерферометрнческих системах фазового типа;
впервые разработана обобщенная структура автоматизированных систем для контроля поверхностей второго порядка и на ее основе созданы системы бесконтактного прецизионного контроля, реализующие принципы интерференционного оптиметра и интерференционного сферометра высокой точности;
проведены экспериментальные исследования предложенных решений, которые подтвердили адекватность разработанной общей модели пнтеферометрнческого процесса, правильность и достоверность основных теоретических ВЫВОДОВ II П1ЛОЖЄШШ.
Методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Анализ пространственной структуры объектов проведен на основе теории гауссовых отображений поверхности. Принципы построения и обоснование путей реализации многоканальных интерференционных измерительных систем разработаны на основе положений тег нш инвариантности с использованием элементов теории статистических оценок и теории радиоенстем. Идентификация в широком смысле моделей реального интерференционного сигнала выполнена по оригинальным методикам в процессе исследований, проведенных автором. Применение вычислительных экспериментов на разработан-іїг.іх имитационных моделях и физического моделирования шітерферометрпческих каналов обеспечили адекватность при-
пятого подхода. Исследование процессов многоканальной фотоэлектрической регистрации и обработки интерференционных сигналов проведено в соответствии с теорией оптико-электронных систем с использованием положений теории оптимального оценивания параметров сигналов в условиях помех. Экспериментальные исследования методов прецизионного контроля требуют высокоточных оптических и оптико-электронных систем формирования, регистрации и обработки интерференционных сигналов. Поэтому использовались оптические и оптико-электронные приборы зарубежного и отечественного производства : высокоетябильные лазерные источники и.члучения, регистрирующие устройства с приборами с зарядовой связью и фотодиоднымп матрицами, измерители, сопряженные с микроЭВМ. Исследования проводились с применением пакета оригинальных алгоритмов . и прикладных программ, разработанных в соответствии с положениями теории погрешностей измерительных систем и обеспечивающих корректную реализацию операций автокалибровки, тестирования, фильтрации. спектрального оценивания, определения статистических характеристик сигналов и результатов измерении.
Практическая значимость и реализация и промышленности, заключается в том, что :
-полученные в работе результаты теоретического обобщения доведены до инженерных формул, расчетных графиков и таблиц; реализованы в виде новых структурных и функциональных схем, аппаратуры и практических методик;
создан ряд высокоточных автоматизированных много-канальных интерферометрнческнх устройств и систем, которые внедрены и использованы в - метрологической практике НПО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" (г. С.-Петербург), ЦКБ МТ "Рубин" (г. С.-Петербург), МНПО "Спектр" (г. Москва) и других организации;
впервые создана и исследована двухканальная система и методика измерений, реализующая разработанный принцип бесконтактного интерференционного оптиметра, в том числе в режиме контроля образцов со сферическими торцевыми поверхностями, которая внедрена в Конструкторском бюро точного электронного машиностроения (г. Минск) и Научно-исследовательском технологическом институте оптического Станкостроения и вакуумной техники (г. Минск);
- I -
впервые выполнена разработка бесконтактных интерференционных сферометров с предельно малой погрешностью контроля абсолютного значения радиуса кривизны сферических поверхностей, внедренная в разработки Конструкторского бюро точного электронного машиностроения и в технологические процессы других ведущих предприятий промышленности;
- на основе теоретических положений, сформулированных в
работе, созданы методы и аппаратура прецизионного контроля
геометрических характеристик объектов, разработаны ме
тодические материалы по метрологическому обеспечению,
внедренные в ГОИ им. С.И.Вавилова (г. С.-Петербург), в ин
ституте "Геомеханпка" Российской академии ітук, в МГТУ им.
Н.Э.Баумана (г. Москва) и других организациях;
- создан пакет алгоритмов и программ автоматической
обработки интерференционных сигналов с высокоточной иденти
фикацией контролируемых параметров, которые используются
на ряде предприятий, а также в Институте точной механики и
оптики.
Апробация основных положений диссертационной работы проводилась на 2 Всесоюзном совещании по теоретической метро-логин (Ленинград, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и тепло-физических измерений (Харьков, 1983 г.); 5 Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обра-, ботки измерительной информации" (Москва, 1984 г.); 3 Всесо-тозном совещании "Методы и приборы для точных дилатометрических исследований материалов" (Ленинград, 1981 г.); 2 Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1985 г.); Всесоюзном семинаре "Измерение перемещений в динамическом режиме" (Каунас,
-
г.); 4 Всесоюзної"! конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" г Москва, 1987 г.); 3 Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград,
-
г.); 3 Международном симпозиуме по системам измерений и контролю качества (Аахен, ФРГ, 1989 г.); Семинар? "Опыт внедрения прогрессивных средств и методов размерного контроля" (Ленинград, 1990 г.); Семинаре "Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения" (Каунас, 1990 г.)"; 2 Бессоюзной конференции "Измерения и конроль при автоматнза-
ции производственных процессов" (Барнаул, 1991 г.); Оргкомитетом юбилейной Общеевропейской научной конференции "150 лет Институту метрологии им. Д.И.Менделеева" (С.-Петербург, 1992 г.).
Публикации. По результатам исследований и разраооток получено 11 авторских свидетельств и положительных решений по заявкам на изобретения, опубликованы 44 печатные работы, из них 23 единолично автором, 41 в центральной печати и за рубежом.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 339 стр., в том числе 216 стр. машинописного текста, 94 рис. на 94 стр. Объем приложений 29 стр. .
