автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Интерферометрический метод контроля формы асферических поверхностей качения прецизионных подшипников

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ

ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАЧЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ.

1.1. Типы асферических поверхностей качения прецизионных подшипников и требования к точности их формы

1.2. Существующие методы контроля поверхностей качения подшипников

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО

МЕТОДА.

2.1. Идея метода и оптические схемы измерительной ветви интерферометра

2.2. Определение оптимальных оптических схем объективов измерительной ветви

2.3. Методика дешифрирования интерференционных картин

2.4. Предельные возможности метода

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА.

3.1. Лабораторный макет интерферометра

3.2. Подготовка эксперимента

3.3. Выполнение эксперимента и его результаты

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ТРЕБОВАНИЯ К ОПТИЧЕСКИМ И МЕХАНИЧЕСКИМ

УЗЛАМ ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

4.1. Требования к качеству изготовления основных оптических деталей

4.2. Оценка чувствительности измерительной ветви к погрешностям установки оптических элементов и требования к ее механическим узлам

4.3. Способы повышения контраста интерференционных картин и точности измерений

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

Подшипники качения нашли широчайшее применение в машиностроении и приборостроении благодаря малым потерям на трение, большой грузоподъемности, простоте монтажа, ухода и обслуживания. При их использовании хорошо выполняются условия взаимозаменяемости и унификации элементов узла; в случае выхода из строя подшипник легко может быть заменен новым, так как все его параметры стандартизированы. Все это обусловило массовый характер выпуска подшипников.

Высокие эксплуатационные свойства подшипников не могут быть достигнуты без получения точных поверхностей качения. Влияние качества дорожек качения (желобов) колец и механически сопряженных с ними поверхностей шариков или роликов на общую точность подшипника особенно велико, так как они, находясь во взаимном контакте, во многом определяют его кинематику. Искажение формы поверхностей качения, а также наличие на них отдельных дефектов ведет к появлению пространственных колебаний оси вращения, сокращению срока службы, усилению шума при работе, особенно на больших оборотах. Если отклонение от круглости шариков диаметром 8 мм возрастает с 0,125 мкм до 0,5 мкм, шум подшипника усиливается на 15 - 20 дБ. Это, например, совершенно недопустимо в механизмах подводных лодок.

Для выполнения жестких требований к качеству поверхностей необходим надежный контроль их формы. В настоящее время он основывается на применении сложных и весьма дорогих контактных устройств. В целом они обеспечивают приемлемые погрешности измерений, но их возможности уже близки к своему пределу. Существующие измерительные приборы позволяют получить только набор сечений и не дают интегральной оценки формы поверхности. Сам процесс измерений является трудоемким и длительным.

В связи с этим понятен интерес к использованию для контроля поверхностей качения подшипников оптических методов, способных обеспечить выполнение жестких требований к правильности их формы. В настоящее время эти требования для прецизионных подшипников стали сопоставимыми с требованиями, предъявляемыми к поверхностям оптических деталей. Применение оптических методов становится возможным, так как малая шероховатость поверхностей качения (порядка 0,08 мкм) позволяет получить от них зеркальное отражение оптического излучения.

Анализ имеющихся литературных источников позволяет сделать вывод о перспективности использования для контроля поверхностей качения интерферометрических методов. Они обеспечивают как качественную оценку, так и количественные измерения погрешностей формы поверхности. Известные из немногочисленных опубликованных работ интерферометры предназначены для контроля сферических и торических поверхностей, характерных для шарикоподшипников. Их применение ограничивается рядом недостатков. Чаще всего — это невозможность контроля сразу всей поверхности или ориентированность на какой-то конкретный тип деталей. Для другой, весьма многочисленной группы подшипников качения — роликовых — пригодные к использованию методы фактически отсутствуют.

Исходя из этого автор поставил цель создать интерфе-рометрический метод, обеспечивающий полноценный качественный и количественный контроль формы асферических поверхностей качения как шариковых, так и роликовых подшипников. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. Анализ номенклатуры выпускаемых подшипников и определение типов асферических поверхностей качения. Систематизация погрешностей формы данных поверхностей и выявление их характерных значений.

2. Разработка функционально связанных между собой схем измерительной ветви интерферометра, обеспечивающих интегральную оценку формы поверхностей качения. Создание методики расчета её конструктивных параметров.

3. Разработка методов дешифрирования интерференционных картин.

4. Исследование чувствительности измерительной ветви интерферометра к малым перемещениям оптических элементов или контролируемых деталей. Определение требований к её оптическим и механическим узлам.

5. Экспериментальное исследование метода.

Решение поставленных задач осуществлялось математическим моделированием с использованием теории интерферометров и теории аберраций оптических систем. При проведении исследований использовались пакеты прикладных программ «MapleV», «MathCad», «0РТ1С» и «Призма».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен и обоснован новый интерферометрический метод контроля формы торических, цилиндрических, конических и бочкообразных поверхностей качения подшипников, основанный на применении оптических систем, строящих кольцевое изображение осевой предметной точки. Это позволяет формировать измерительный пучок лучей, охватывающий одновременно всю контролируемую поверхность и при этом использовать известные двухлучевые схемы интерферометров.

2. Показано, что использование телескопической линзы в качестве коррекционного элемента позволяет значительно снизить остаточную сферическую аберрацию двузеркальных реверсивных объективов при высокой светосиле последних.

3. Разработана методика определения погрешностей формы цилиндрических и конических поверхностей по интер-ферограмме, полученной при автоколлимационно-реверсивном ходе лучей в измерительной ветви интерферометра и неравных углах падения лучей на контролируемую поверхность.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод обеспечивает полноценный контроль формы асферических поверхностей качения и может быть использован в исследовательских целях для выявления причин возникновения погрешностей формы данных поверхностей, а также коррекции и совершенствования технологических процессов изготовления прецизионных подшипников. Полученные в ходе работы результаты позволяют:

1. Рассчитать универсальную измерительную ветвь интерферометра для контроля асферических поверхностей качения подшипников, полностью совместимую с серийными двух-лучевыми интерферометрами.

2. Для измерительной ветви интерферометра рассчитать конструктивно простой объектив с высокой степенью коррекции сферической аберрации, обладающий одновременно высокой светосилой и большим рабочим отрезком.

3. Определить допустимые погрешности юстировки измерительной ветви интерферометра и оценить её чувствительность к малым перемещениям оптических элементов, включая контролируемые детали.

4. Минимизировать влияние факторов, снижающих контраст интерференционных картин.

5. Определить по интерферограммам реальные значения погрешностей формы контролируемой поверхности качения с учетом особенностей хода лучей в измерительной ветви интерферометра и дать заключение о ее качестве.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработанный интерферометрический метод обеспечивает качественный и количественный контроль формы асферических поверхностей качения подшипников в широком размерном диапазоне с получением интегральной оценки формы поверхности.

2. Методика выбора и расчета объективов измерительной ветви интерферометра обеспечивает получение оптических схем объективов, сочетающих необходимое относительное отверстие и большой рабочий отрезок с высоким уровнем аберрационной коррекции.

3. Методика дешифрирования интерференционных картин позволяет определять нормируемые погрешности формы поверхностей качения даже при неравенстве углов падения лучей на контролируемую поверхность и автоколлимационно-реверсивном ходе лучей в измерительной ветви.

4. Требования к точности установки основных оптических элементов, определенные на основе анализа оптических свойств измерительной ветви интерферометра, практически всегда выполнимы.

Апробация работы.

Материалы диссертации обсуждались на научных семинаpax кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» (PJ13) МГТУ им. Н.Э. Баумана, были доложены на международной конференции «Прикладная оптика — 98» (г. Санкт-Петербург) и отражены в трех публикациях (статья и тезисы докладов на двух конференциях). Кроме того, при определении оптимальных оптических схем объектива измерительной ветви интерферометра использованы материалы статьи автора, посвященной расчету асферического зеркала для формирования параболического волнового фронта (принята к публикации в журнале «Вестник МГТУ, серии «Приборостроение», №3, 2000 г., справка № ИРЖ-9 от 25.01.2000 г.).

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. При назначении требований к оптическим деталям измерительной ветви интерферометра необходимо:

- распределять допуски на форму отклоняющих зеркал так, чтобы максимально использовать эффект взаимной компенсации деформаций волнового фронта, вносимых данными зеркалами;

- устанавливать более жесткие ограничения на отклонения углов конических зеркал, предназначенных для контроля дорожек качения колец роликоподшипников, по сравнению с зеркалами для контроля торических желобов шарикоподшипников .

2. Исследование чувствительности предложенной измерительной ветви к погрешностям установки оптических элементов показало следующее:

- дефокусировки, возникающие в измерительной ветви вследствие погрешностей установки оптических элементов, не должны приводить к появлению волновых аберраций, вносящих заметные искажения в рабочую интерференционную картину;

- общая дефокусировка измерительной ветви может быть представлена как совокупность элементарных дефокусировок, выражающихся через соответствующие погрешности установки оптических элементов; это позволяет оптимизировать распределение позиционных допусков с учетом их выполнимости.

4. Требования к точности установки оптических элементов измерительной ветви аналогичны требованиям к интерферометрам для контроля оптических поверхностей, и вполне выполнимы на практике.

5. При производственном контроле поверхностей качения подшипников целесообразно проводить фотоэлектрическую регистрация интерференционных картин фазовым методом, обеспечивающим более высокую устойчивость системы к вибрациям, чем амплитудный.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально проверен новый интерферометрический метод контроля формы асферических (конических, цилиндрических, ториче-ских, бочкообразных) поверхностей качения роликов и колец прецизионных подшипников, обеспечивающий контроль всей поверхности или наиболее ответственной ее части за один прием с погрешностью, не превышающей 0,05 — 0,1 мкм; для сравнения: широко применяемые в промышленности контактные методы позволяют контролировать эти же поверхности за один прием лишь на отдельном узком участке с погрешностью 0,1 — 0,8 мкм.

2. Метод позволяет дать интегральную оценку формы контролируемых поверхностей качения, получить информацию одновременно обо всех видах ее погрешности, что недоступно применяемым в настоящее время контактным и другим оптическим методам.

3. Метод позволяет контролировать поверхности качения подшипников в широком диапазоне размеров; максимальный диаметр контролируемых желобов колец может достигать 1000 мм.

4. Практическая реализация метода не требует разработки специализированных интерферометров; она может быть осуществлена с использованием серийно выпускаемых интерферометров (например ИКД—110 или Zygo моделей Mark III, IV и др.) путем нетрудоемких изменений их измерительных ветвей.

1. Решетов Д.Н. Детали машин. — М. : Машиностроение, 1989. - 496 с.

2. Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. — М. : Машиностроение, 1983. — 543 с.

3. ГОСТ 24 64 2-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения. — М.,1990. — 68 с.

4. ГОСТ 22696-77. Подшипники качения. Ролики цилиндрические короткие. Технические условия. — М.,1982. — 15 с.

5. ГОСТ 520-89. Подшипники качения. Общие технические условия. — М.,1992. — 84 с.

6. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. — М.: Машиностроение, 1979. — 344 с.

7. ГОСТ 17353-89. Приборы для измерений отклонений формы и расположения поверхностей вращения. Типы. Общие технические требования. — М.,198 9. — 9 с.

8. Мироненко А.В. Фотоэлектрические измерительные системы. — М.: Энергия, 1967. 3 60 с.

9. Тарасов В.В. Лазерные сканирующие системы контроля геометрических параметров изделий массового производства: Автореф. дис. . докт. техн. наук. С.-Пб., 1998. — 45 с.

10. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. — М. : Машиностроение, 1974. — 333 с.

11. Оптический производственный контроль / Под ред.

12. Д. Малакары: Пер. с англ. — М. : Машиностроение, 1985. — 400 с.

13. Коломийцов Ю.В., Панаиотова Н.Н., Смирнова Г.Г. Автоколлимационный метод контроля желобов колец подшипников // Измерительная техника. — I960. — №11. — С. 16-18.

14. Салов В.М. Интерферометры для исследования поверхностей качения в шарикоподшипниках // ОМП. — 1936. — №1. С. 15-17.

15. Коломийцов Ю.В. Интерференционный метод контроля волнистости поверхностей шариков // Измерительная техника. 1958. - №3. - С. 43-45.

16. Коломийцов Ю.В., Панаиотова Н.Н., Смирнова Г.Г. Интерференционный метод контроля торических поверхностей желобов колец подшипников // ОМП. — 1961.— №9. — С. 2225.

17. А.с. № 272604 (СССР). Интерферометр для контроля качества полированных торических поверхностей /Д.Т. Пуря-ев // Б.И. 1970. - №19.

18. Духопел И.И., Симоненко Т. В. Метод непосредственного контроля прямолинейности образующей цилиндрической поверхности // ОМП. — 1973. — №7. — С. 3-6.

19. Заказнов Н.П. Специальные вопросы расчета и изготовления оптических систем. — М.: Недра, 1967. — 124 с.

20. Алмазное точение в производстве оптических деталей / Л.В. Попов, С.В. Любарский, В.Г. Соболев и др. // ОМП. 1990. - №11. - С. 12-17.

21. Осипович И.Р., Пуряев Д. Т. Оптические схемы интерферометров для контроля формы асферических поверхностей качения прецизионных подшипников // Прикладная оптика- 98: Тезисы докладов международной конференции. —1. С.-Пб., 1998. С. 47.

22. Осипович И.Р., Пуряев Д. Т. Интерферометрический метод контроля формы асферических поверхностей качения прецизионных подшипников // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1999. - №3. - С. 65-75.

23. Волосов Д.С. Фотографическая оптика: Теория, основы проектирования, оптические характеристики. — М.: Искусство, 197 8. — 543 с.

24. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет свето-оптических систем проекционных приборов. — М. : Искусство, 1960. 526 с.

25. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. — М.: Машиностроение, 1976. — 262 с.

26. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. — М.: Машиностроение, 1992. — 447 с.

27. Мартин JI. Техническая оптика: Пер. с англ. — М. : ГИФМЛ, 1960. 424 с.

28. Попов Г.М. Концентрические оптические системы и их применение в оптическом приборостроении. — М. : Наука, 1969. 135 с.

29. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. — М.: Наука, 1988. 292 с.

30. Кулакова Н.Н., Осипович И. Р. Афокальная линза в роли компенсатора для контроля сплюснутых эллипсоидов // Оптика-99: Тезисы докладов международной конференции молодых ученых и специалистов. — С.-Пб., 1999. — С. 145.

31. Захарьевский А.Н. Интерферометры. — М. : ГИОП, 1952. 296 с.

32. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. — J1. : Машиностроение, 1976. — 296 с.

33. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. — JI. : Машиностроение, 1989. — 221 с.

34. Пуряев Д.Т. К определению погрешностей асферических поверхностей, контролируемых компенсационным методом в схеме интерферометра // ОМП. 1968. - №10. - С. 21-24.

35. Криксунов JI.3. Справочник по основам инфракрасной техники. — М.: Советское радио, 1978. — 400 с.

36. Мальцев М.Д. Расчет допусков на оптические детали. — М. : Машиностроение, 1974. — 168 с.

37. Губель Н.Н. Аберрации децентрированных систем. — JI. : Машиностроение, 1975. — 272 с.

38. Хлебников Ф.П., Шевелев В.И. Центрирование линз в оптических системах // ОМП. — 1988. — №7. — С. 36-41.

39. Универсальный интерферометр ИКД-110 / И.П. Агу-рок, М.С. Горелик, И.И. Духопел и др. // ОМП. — 1990. — №11. С. 61-65.

40. Горшков В.А., Фомин О.Н., Горлов С.Н. Фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхностей крупногабаритных оптических деталей // ОМП. — 1986. — №10. С. 31-34.