От учебного стенда к научному прибору

В МГТУ «Станкин» произошло то, что нечасто случается в инженерном образовании: лабораторный стенд, собранный молодыми исследователями для обучения студентов, прошел сличение с промышленной измерительной системой Renishaw XL-80 и превратился в полноценный научный прибор. В основе разработки — интерферометр Майкельсона на компактном лазерном диоде, который может стать заменой давно не выпускающимся контактным интерферометрам ИКПВ и первым шагом к отечественной лазерной измерительной системе.

История объединила два проекта программы «Приоритет-2030»: проект по компенсации тепловых погрешностей станков дал стенду научную методику «теплового паспорта», а стенд, в свою очередь, стал для этого проекта испытательной площадкой. О том, как дешевый полупроводниковый лазер измеряет расстояния с точностью до долей микрона, зачем производству такая точность, какую роль играет отечественный микроконтроллер «Амур» и почему студенты вместе с преподавателями ищут ответ, которого нет в учебнике, «Ъ-Наука» поговорил с Дмитрием Мастеренко, профессором, заведующим кафедрой измерительных информационных систем и технологий МГТУ «Станкин».

— Газовые лазеры, используемые на заводах,— как правило, это мощные технологические лазеры, которые применяют для резки, сварки и других подобных операций. В измерительных целях нам нужны, наоборот, лазеры с малой мощностью. Полупроводниковый лазерный диод действительно нагревается во время работы, но вовсе не так сильно. Длина волны при этом изменяется на единицы нанометров, что составляет сотые доли от ее номинального значения и приводит к относительной погрешности такого же порядка.

— До нанометров — не планируем, в лучшем случае — до десятков нанометров. 0,33 микрометра — это половина длины волны лазера, и достичь такой дискретности отсчета можно, просто подсчитывая целые интерференционные полосы, прошедшие мимо фотоприемника. Впрочем, учитывая разнообразные помехи и шумы, обеспечить стабильный подсчет целых полос не такая уж простая задача, как кажется. Чтобы ее решить, пришлось опробовать несколько вариантов электронной схемы.

Следующая задача — выполнить так называемую интерполяцию, то есть обеспечить подсчет долей интерференционных полос. Мы собираемся этого достичь, обрабатывая сигналы с целой линейки фотоприемников, расположенных поперек направления движения интерференционных полос. Если каждую полосу удастся делить хотя бы на 20 частей, то дискретность отсчета составит уже примерно 0,016 микрометра. Погрешность будет несколько больше, возможно, 0,02–0,03 микрометра. Это можно будет уточнить при дальнейших исследованиях.

Такая точность для современного производства не является экстремальной. Мы планируем, что на основе наших исследований можно будет создать прибор для поверки концевых мер длины — специальных металлических «брусочков», по которым поверяется большинство средств линейных измерений на производственных предприятиях. Сами по себе концевые меры длины должны иметь погрешность в несколько десятых микрометра, соответственно, измерять их размеры при поверке требуется с погрешностью в три-четыре раза меньше. Отсюда видно, что погрешность интерферометра 0,03 микрометра вовсе не является экстремальной для подобных задач, тем более что полная погрешность измерений всегда превышает основную погрешность прибора.

— Это не совсем так. Мы применяем и «Амуры», и другие микроконтроллеры. Большой вычислительной мощности тут не требуется, а коррекция работы лазера не производится микроконтроллером. Что касается изменений температуры, то для лазера мы планируем отработать аппаратную систему температурной стабилизации.

— Создание «тепловых паспортов» исследуется в другом проекте, с исполнителями которого мы тесно взаимодействуем. Роль интерферометра — не предсказывать тепловые деформации, а измерять те сдвиги, которые уже произошли.

— Место применения интерферометра на заводе — именно метрологическая лаборатория, в которой проводится поверка средств измерений. Применение на станках во время их работы мы пока не планируем.

— Владимир Телешевский — наш учитель, многолетний заведующий нашей кафедрой, исследователь принципов лазерной гетеродинной интерферометрии и разработчик серийно выпускавшегося еще в советские годы интерферометра.

Само намерение заниматься интерферометрическими измерительными системами, знание основных принципов их построения — безусловно, традиционно для нашей кафедры. Современные электронные компоненты, микроконтроллеры, приемы программной обработки сигналов и изображений существенно упрощают.

— Студенты бывают разные, и лабораторные работы бывают разные, и одну и ту же лабораторную работу можно провести по-разному. На интерферометрическом стенде можно будет ставить много различных экспериментов. Надеемся, что наблюдение за таким интересным физическим явлением, как интерференция, и его приложениями к измерениям будет стимулировать интерес студентов к исследовательской работе, да и просто к пониманию, насколько разнообразны задачи, решение которых делает возможными измерения на современном уровне точности и информативности.

— В данном случае никаких внутренних барьеров нет — все исполнители обоих проектов прекрасно знакомы между собой. Использование разработок, полученных в ходе одного проекта, для работ по другому проекту — совершенно нормальное и естественное дело.