621.00.56
Сравнительный анализ температурных деформаций конструктивных элементов измерительных стоек и штативов
О. С. БАШЕВСКАЯ1, С. В. БУШУЕВ1, Ю. В. ИЛЮХИН1, М. Г. КОВАЛЬСКИЙ2, Е. А. МЕЛЬНИЧЕНКО1, Е. В. РОМАШ1, Ю. В. ПОДУРАЕВ1
1 Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: bashevskaya@mail.ru 2 ОАО «НИИ измерения», Москва, Россия, e-mail: kovalskiy@micron.ru
Оценены температурные деформации конструктивных элементов стойки и измерительного штатива, определены значения коэффициентов температурной деформации. Даны рекомендации по применению стоек и штативов для измерений в нанометровом диапазоне.
Ключевые слова: температурный коэффициент линейного расширения, нанометровый диапазон, линейный размер.
The studies on estimation of thermal deformation of the stand and measuring mount structural elements were carried out and the values of thermal deformation coefficients were determined. The recommendations for mouts and measuring stands application for measurements in nanometer range were presented.
Key words: temperature coefficient of linear expansion, nanometer range, linear dimension.
В [1] представлены результаты исследований, свидетельствующие о существенном вкладе в бюджет суммарной погрешности измерений линейных размеров составляющей, обусловленной температурными деформациями измерительных стоек, на которых крепятся средства измерений (СИ). Так как вместо измерительных стоек часто применяют измерительные ш тативы, в настоящей работе проведен сравнительный анализ температурных деформаций конструктивных элементов этих устройств (измерительного стола, колонки, мест крепления датчиков и др.) на основе результатов исследований, выполненных в метрологической лаборатории Центра коллективного пользования МГТУ «СТАНКИН».
В соответствии со стандартом [2] конструкции стоек и штативов должны обеспечивать надежное крепление измерительной головки, подвижных деталей и узлов в установленном положении, а также возможность ее расположения в любом месте пространства, определяемом высотой колонки и предельным вылетом стержня. Допуски перпендикулярности оси отверстия под измерительную головку и плоскостности опорных и базовых поверхностей элементов стоек строго регламентированы. Испытания на воздействие климатических факторов внешней среды рекомендовано проводить лишь при транспортировке стоек и штативов. В методических указаниях [3] предложено подбирать СИ с закрепленными на них индуктивными преобразователями (датчиками линейных перемещений), однако рекомендаций по выбору и применению этих приспособлений для проведения прецизионных измерений в нанометровом диапазоне в нормативных документах нет.
Ранее авторами был предложен и апробирован метод определения температурных деформаций измерительных стоек по изменению положения точки соприкосновения наконечника индуктивного преобразователя с объектом—мерой [1, 4]. Метод предусматривал использование мер, у которых температурный коэффициент линейного расширения
(ТКЛР) на порядок меньше, чем у элементов измерительной системы.
В данной работе проведены исследования, связанные со сравнением температурных деформаций двух технических устройств, — измерительной стойки на базе интерферометра контактного вертикального (ИКПВ) и измерительного штатива CS 200 HEIDENHAIN (DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH), принципиально различающихся по конструктивным решениям. Выбор данных приборов обусловлен их широким применением для проведения прецизионных измерений, поверочных работ и калибровки СИ. Стойка ИКПВ имеет С-образную форму и состоит из массивного металлического основания, измерительного стола и вертикальной неподвижной колонки, а штатив HEIDENHAIN — из массивного гранитного основания (измерительного стола) для размещения измеряемого объекта и металлической колонки, установленной неподвижно на основании с рычагом для крепления щупа. Общая масса стойки 33 кг, а измерительного штатива 18 кг. Большинство измерительных штативов, в отличие от исследуемого, не оснащены измерительными столами. Для компенсации температурных деформаций элементов конструкции рассматриваемого штатива поставщики предлагают повторную установку измерительной головки на колонке или объекте.
Для сравнения температурных деформаций были проведены эксперименты по определению температурных полей в лабораторных условиях, соответствующих стандарту [5], стойки, штатива и размещенных на них плоскопараллельных пластин из кварцевого стекла марки ПМ. Для визуализации и определения характеристик температурных полей использовали компьютерный термограф «Иртис-2000СВ», позволяющий определять бесконтактным методом абсолютные значения температур.
Методика проведения экспериментально-аналитического исследования температурных деформаций конструктив-
Т а б л и ц а 1
Температурные поля различных зон стойки и штатива
1 с Средневзвешенная температура Т объекта и зоны исследований, °С
Стойка ИКПВ Штатив НЕЮЕИНА^
пластина ПМ-16 мм измерительный стол зона контакта измерительного наконечника индуктивного колонка пластина ПМ-16 мм измерительный стол зона контакта измерительного наконечника индуктивного колонка
0 18,24 18,00 18,29 18,21 18,17 18,01 18,37 20,68
2 18,19 17,94 18,32 18,18 18,09 17,96 18,31 20,68
4 18,20 17,89 18,32 18,17 18,13 17,99 18,33 19,94
6 18,19 17,91 18,31 18,16 18,09 17,97 18,32 20,18
8 18,20 17,89 18,29 18,16 18,10 17,98 18,27 20,10
10 18,30 18,01 18,37 18,26 18,2 18,06 18,36 20,47
ных элементов выбранных устройств состоит из следующих этапов:
оценка распределения и нестационарности во времени температурных полей основных элементов приборов и объектов измерений термографическим методом;
установка измерительных наконечников индуктивных датчиков на стойке, штативе и плоскопараллельных стеклянных пластинах;
размещение подготовленных к эксперименту пластин в климатической камере с заданной температурой, выдерживание в ней до стабилизации температур и показаний цифровых индикаторов измерительных приборов;
пошаговое изменение температуры в климатической камере на 1 °С;
определение зависимости температурной деформации стойки и штатива от температуры в климатической камере;
аналитическое определение методом линейных регрессионных моделей коэффициентов температурной деформации сравниваемых объектов по результатам эксперимента.
Многократно проведенные исследования показали, что в лабораторных условиях температурные поля, возникающие в конструктивных элементах рассматриваемых устройств, имеют нестационарный характер. В табл. 1 приведены результаты измерений температурных полей различных зон стойки и штатива, проведенных с интервалом 2 с. Из табл. 1 следует, что температурные поля конструктивных элементов стойки и штатива отличаются по точкам рабочей зоны и элементам. Температура изменяется в диапазоне 17,89—20,68 °С. Наибольший интерес представляют температурные поля колонки стойки и штатива, так как разница между ними наибольшая и составляет 2,47 °С. Отметим, что на измерительном штативе температурные поля в области крепления щупа и основания отличаются более чем на 2,31 °С, в то время как в аналогичных областях стойки — лишь на 0,08 °С.
При сравнительном анализе используют понятие «температурный режим», т. е. условную, выраженную в градусах Цельсия, разность температур АТ объекта измерений и СИ, которая при определенных «идеальных» условиях приведет к той же погрешности, что и весь комплекс воздействующих факторов [3]. Эти условия сводятся к существованию постоянной температуры между измерительным прибором и измеряемым объектом, ТКЛР материалов равен 11,6-Ю-6 1/°С.
При проведении экспериментов особое внимание уделяли обеспечению стабильных температурных условий. Для
этого использовали аттестованную климатическую камеру МНи-225 CLSA с точностью поддержания температуры ±0,3 °С. Многократные измерения показали, что разность температур объекта измерений и СИ в климатической камере составила 0,5—1 °С. Перед началом измерений штатив, стойку, две аттестованные плоскопараллельные пластины из кварцевого стекла ПМ номинального размера 16 мм, а также измерительный прибор «Электронный блок БВ-6463-02» с двумя индуктивными датчиками помещали в климатическую камеру. На измерительных столах стойки и штатива размещали пластины ПМ, на каждую из которых устанавливали датчик указанного прибора. Для стабилизации температуры исследуемых объектов их выдерживали в камере в течение 2 ч.
Методика определения температурных деформаций основана на измерении линейных деформаций стойки и штатива при различных температурах в климатической камере, которые задавали в диапазоне 18—21 °С с шагом 1 °С. Температурные деформации определяли по изменению положения точки соприкосновения индуктивного датчика с пластиной ПМ, которые регистрировали с периодом 30 мин.
На рис. 1 представлены зависимости средних значений температурных деформаций стойки и штатива от времени при изменении температуры в климатической камере. Проведенный эксперимент показал, что температурная деформация штатива значительно больше, чем стойки (см. рис. 1). Для количественной оценки температурных деформаций при
А/_, мкм
2
1
18 1 19 1 20 1 21
Г, °С
Рис. 1. Экспериментальная зависимость измеренных значений температурных деформаций: 1 — для стойки ИКПВ; 2 — для штатива HEIDENHAIN
Рис. 2. Экспериментальная зависимость измеренных значений температурных деформаций от номинальных размеров плоскопараллельных стеклянных пластин при использовании стойки ИКПВ:
I, II, III, IV — ПМ16; ПМ40; ПМ65; ПМ90, соответственно; 1 — AT = 1 °С; 2 — AT = 2 °С; 3 — AT = 3 °С
Рис. 3. Экспериментальная зависимость измеренных значений температурных деформаций от номинальных размеров плоскопараллельных стеклянных пластин при использовании штатива HEIDENHAIN: I, II, III, IV — ПМ16; ПМ40; ПМ65; ПМ90, соответственно 1 — AT = 1 °С; 2 — AT = 2 °С; 3 — AT = 3 °С
аналитической обработке данных использован метод наименьших квадратов (МНК). Для обработки полученной зависимости температурной деформации применена линейная регрессия с последующей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.