М. И. Этингоф. Технические измерения, взаимозаменяемость и нанометрология

М. И. Этингоф

ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, e-mail: etingof@glasnet.ru

Взаимозаменяемость и технические измерения линейных размеров в машиностроении и других областях производственной деятельности существуют не менее 100 лет, с тех пор как начали изготавливать станки, машины, приборы и другие изделия достаточно широкого применения. Недавно появился новый термин или новая область линейных измерений – нанометрология. В связи с этим необходимо ясно понять, в чем сходство и различие нанометрологии и традиционных технических измерений.

В начале 30-х годов прошлого века в СССР началась индустриализация. На всей обширной территории страны производили различные детали, из которых потом должны были собирать узлы и машины. Но это не всегда получалось из-за низкой квалификации рабочих и инженеров, а также отсутствия нормативно-технической документации по допускам и посадкам, измерительным средствам и калибрам. Было мало измерительных инструментов и приборов. Основным измерительным средством на производстве были калибры, иногда применяли один калибр, а не два (проходной и непроходной), как позднее. Теория и методика расчета и изготовления калибров также отсутствовали. Из произведенных таким упрощенным способом деталей не всегда можно было собрать узлы и машины.

Поэтому в 1935 г. профессор И. Е. Городецкий обратился к правительству СССР с предложением создать специализированную организацию, занимающуюся научной разработкой стандартов по взаимозаменяемости и техническим измерения. В том же году было организовано «Бюро взаимозаменяемости», существующее в настоящее время под названием ОАО «НИИизмерения» и отметившее 75-летний юбилей в 2010 г..

С 1935 г. в нашей стране начались интенсивные разработки стандартов на допуски и посадки различных деталей и их соединений, в том числе цилиндрических, резьбовых, зубчатых и др. Были выпущены сотни нормативных документов, согласованных с международными стандартами (ISO, ASME, DIN и др.).

Для обеспечения взаимозаменяемости деталей и сборки машин была создана и усовершенствована при появлении новых задач система допусков и посадок, полностью обеспеченная современными средствами измерений линейных размеров. Применительно к теме данной статьи следует отметить, что согласно стандартам [1, 2] наименьший допуск на валы и отверстия размером до 3 мм нормирован значением ±0,4 мкм (квалитет 01).

Для удовлетворения потребностей в разнообразных технических измерениях производят большую номенклатуру механических, электромеханических, электронных и оптических приборов и инструментов. Без подробного обзора имеющихся измерительных средств можно указать, что для технических измерений линейных размеров в настоящее время выпускают несколько групп высокоточных приборов и инструментов. Рассмотрим приборы, предназначенные для работы в нанодиапазоне, например, менее 100 нм.

Концевые меры длины изготавливают из стали, керамики и твердого сплава. У концевых мер класса точности К по стандарту [3] предельное отклонение длины составляет 0,2 – 1,4 мкм, допуск отклонения длины от 0,05 до 0,1 мкм.

На производстве применяют пружинные головки (микрокаторы) [4] – простые, дешевые и точные приборы с ценой деления 0,1; 0,05 и 0,02 мкм и пределами допускаемой погрешности 0,1; 0,03 и 0,015 мкм, но с небольшими диапазонами измерений.

Широко используют индуктивные преобразователи и индуктивные приборы с цифровым отсчетом. Цена деления или дискретность отсчета таких современных приборов составляет 0,1, 0,05 и 0,01 мкм, диапазон измерения обычно ± 2,0 мм. Предел допускаемой погрешности приборов с дискретностью 0,01 мкм составляет 0,02 – 0,03 мкм.

В настоящее время распространены инкрементные (дискретные суммирующие) емкостные и фотоэлектрические преобразователи и приборы с цифровым отсчетом с диапазоном измерения 4 – 2000 мм и дискретностью отсчета 0,1 и 0,01 мкм. Предел допускаемой погрешности приборов с инкрементными фотоэлектрическими преобразователями с дискретностью показаний 0,01 мкм составляет 0,02 – 0,03 мкм. Особенность инкрементных преобразователей и индуктивных приборов, оснащенных микропроцессорными электронными блоками или компьютерами, состоит в том, что при их калибровке можно компенсировать некоторые систематические погрешности (нелинейность характеристики, неравномерность деления шкальных линеек и пр.), повысив точность приборов. Данными преобразователями снабжают штангенциркули, микрометры, измерительные головки, высотомеры, координатно-измерительные машины, микроскопы и др.

В измерительных лабораториях применяют контактные и бесконтактные двухлучевые интерферометры для непосредственных (прямых) и относительных измерений с дискретностью отсчета 0,05 и 0,02 мкм. Современные лазерные интерферометры позволяют проводить измерения с еще более высокими дискретностью и точностью, имеют большие диапазоны измерения и цифровой отсчет, содержат компьютеры и компенсационные устройства, с помощью которых можно минимизировать погрешности, возникающие вследствие изменения условий окружающей среды.

Для измерений небольших деталей сложной формы, например часовых механизмов, твердосплавных пластин режущего инструмента и др. служат оптические измерительные микроскопы. Современные микроскопы с увеличением до 1000x оснащены точными микрометрическими винтами и инкрементными фотоэлектрическими преобразователями для отсчета перемещений предметного стола по координатам X, Y, имеют дисплей и цифровой отсчет.

Таким образом, для обеспечения взаимозаменяемости и технических измерений существуют нормативно-техническая документация (стандарты, методики калибровки, технические условия и т. д.) точный международный естественный эталон единицы длины (метр) и большая номенклатура приборов для измерений деталей машиностроительного производства, в том числе в нанодиапазоне (менее 100 нм). Причем эти приборы удовлетворяют всем требованиям единства измерений и могут быть прокалиброваны по принятой поверочной схеме.

Следует отметить, что подавляющее большинство измерительных приборов для традиционных технических измерений (кроме микроскопов) позволяют проводить непосредственные (прямые) измерения. Эта особенность современных приборов обусловлена использованием высокоточных широкодиапазонных инкрементных преобразователей для выполнения абсолютных измерений в широком диапазоне.

Однако с развитием науки и техники были разработаны электронные микроскопы для исследования объектов очень малых размеров – клеток, молекул, вирусов – и появилась возможность определять их размеры.

Затем начали создавать электронные микросхемы (микрочипы) и уменьшать их размеры и, соответственно, размеры составляющих их элементов (транзисторов, диодов и т. д.). У разработчиков и изготовителей микросхем, волокнистых и других материалов возникла необходимость в проведении измерений в нанометровом диапазоне. Для этого не были предназначены даже очень точные существующие измерительные приборы. Применительно к новым задачам ввели новое понятие – нанометрология линейных измерений.

Микросхемы, нанотрубки, а также клетки, молекулы, бактерии, вирусы изучают с применением микроскопов – электронных, зондовых, оптических ближнего поля, растровых электронных, сканирующих туннельных, атомно-силовых – и других физических приборов. Они служат для манипуляций с очень мелкими предметами под очень большим увеличением (до 1000000x). Конечно, с помощью электронных и зондовых микроскопов можно определить размеры рассматриваемых предметов. Для этого микроскопы надо калибровать с помощью специально изготовленных и аттестованных калибровочных образцов, т. е. точно определять увеличение, которое обеспечивает микроскоп при данном конкретном измерении.

В биологии, медицине, физике и нанотехнологии в настоящее время существуют методы создания настроечных образцов нанометрового размера для измерений расстояний и размеров в нанометровом диапазоне. По-видимому, основным недостатком существующих нанометровых настроечных образцов является технология их производства, которая не позволяет изготавливать одинаковые по размерам и форме образцы, подобные концевым мерам длины.

Следует отметить значительное отличие способа отсчета результатов наблюдений в случае традиционных средств технических измерений и электронных, зондовых и других микроскопов, построенных на различных физических принципах. Традиционные средства измерений, например, микрокатор или индуктивный прибор, снабжены шкалой или цифровым дисплеем для отсчета результатов наблюдений. Причем цена деления шкалы или дискретность цифрового отсчета строго нормированы как по величине, так и по погрешности и обычно кратны десяти: 1,0; 0,1 или 0,01 мкм. Показания шкалы или цифрового отсчета соответствуют перемещению контактного наконечника прибора, т. е. размеру контролируемой детали или его изменению. Для всех применяемых измерительных приборов и инструментов стандартами и техническими условиями установлены предельно допустимые погрешности измерений.

В подавляющем большинстве случаев приборы для традиционных технических измерений выполняют непосредственные (прямые) измерения. Причем полученный результат может быть перепроверен на другом приборе. Также следует отметить, что современные методы калибровки некоторых приборов позволяют компенсировать систематические составляющие их погрешности (нелинейность характеристики, неравномерность инкрементной шкалы и т. п.).

На электронных, зондовых и микроскопах других типов размер объекта определяют по картинке на мониторе компьютера в пикселах или в расстояниях от точки до точки. Значение одного пикселя в микрометрах (увеличение микроскопа) определяют с помощью настроечного образца, часто путем сложных расчетов. Причем полученное значение может не быть кратно десяти, например, один пиксел может оказаться равным 1,2 нм. Кроме того, в полученном результате измерения приходится учитывать, например, радиус наконечника зонда, зазор между наконечником и деталью и проводить вычисления по определенным функциональным зависимостям. Поэтому измерения размеров по изображению объекта на экране монитора являются косвенными. Это существенное отличие методов измерения в нанометрологии от непосредственных (прямых) измерений при традиционных технических измерениях. Нельзя утверждать, что косвенные измерения менее точны, чем прямые. Но в результатах, полученных при косвенных измерениях, заложены погрешности расчетов, иногда проводимых с применением эмпирических коэффициентов.

Таким образом, для традиционных технических линейных измерений с использованием всех возможностей науки и техники выпускают приборы, которые позволяют выполнять непосредственные (прямые) измерения, в том числе в нанодиапазоне, сохраняя систему обеспечения единства измерений. Взаимозаменяемость контролируемых изделий обеспечивается отечественной и международной нормативно-технической документацией.

Нанометрология линейных измерений – это небольшой раздел, необходимый в науке и производстве новых материалов и микрочипов. В нанометрологии проводят косвенные измерения в нанодиапазоне с помощью сложных микроскопов, построенных на различных физических принципах. В нанометрологии нет нормированной системы допусков и посадок и, по-видимому, в принципе не может быть. Система допусков и посадок, применяемая согласно стандартам [1, 2] в промышленности, содержит более 20 различных подвижных и неподвижных соединений (посадок) с разными зазорами и натягами. Самые точные соединения с зазором и натягом используют в топливной и гидроаппаратуре и в опорах качения на шарах. Наименьшие зазоры в этих подвижных соединениях (например, топливных парах) составляют около 1 мкм, а натяги в шаровых опорах иногда близки к нулю. Но это исключительные случаи в технике. Такие соединения изготавливают по специальной технологии методом индивидуальной подгонки. В общем случае применение нанопосадки представляется маловероятным и, по-видимому, не нужным.

Взаимозаменяемость в основном обеспечивает соединения деталей, например, цилиндрических, резьбовых, шлицевых и т. д. Однако изготовление концевых мер длины одного размера в пределах допуска тоже считают взаимозаменяемостью.

Пока не известны подвижные и неподвижные соединения очень малых объектов нанометровых размеров. Хотя возможно изготовление настроечных образцов для микроскопов одного нанометрового размера. Но пока таких образцов нет, говорить о взаимозаменяемости в нанометрологии преждевременно.

 Литература

1. ИСO 286-2–88. Система допусков и посадок

2. ГОСТ 25347–82. Поля допусков и рекомендуемые посадки

3. ИСO 3650–98. Геометрические характеристики изделий (GPS). Эталоны длин. Эталонные блоки.

4. ГОСТ 28798–90. Головки измерительные пружинные. Общие технические условия.

 

Измерительная техника. 2011. № 6