Номенклатура средств измерений угловых величин серийно выпускаемых АО «Швабе - Оборона и Защита» в настоящее время включает в себя делительные головки, визуальные автоколлиматоры и автоколлимационные трубки, оптические квадранты, измерительные микроскопы и ряд других [5].
Оптические делительные головки [2] предназначены для проведения угловых измерений в диапазоне углов 360º. Фактически делительные головки, в т.ч. и оптические, являются техническими средствами для поворота контролируемых объектов или других средств измерения (автоколлиматоров, измерительных головок) на заданный угол с высокой точностью. Точность выпускаемых в настоящее время головок составляет 5 или 20 секунд, для головок ОДГЭ-5 и ОДГЭ-20 соответственно. Производство российских, а, точнее, тогда еще советских, оптических головок, началось в пятидесятых годах прошлого века, активное развитие ОПК поставило настоятельную задачу организации их производства, т.к. на поставку иностранных головок в требуемых объемах рассчитывать не приходилось. За основу были взяты головки фирмы Zeiss, тогдашний уровень технологии не позволил сразу освоить производство всей номенклатуры головок и в производство пошли сначала ОДГ-60, а затем головка ОДГ-30. Эти головки отличались достаточным на тот момент уровнем точности - 60 и 30 секунд соответственно, и имели возможность наклона оси шпинделя в диапазоне ±90 градусов от вертикали, для чего на боковой поверхности корпуса имелась шкала, а у разрезного основания имелся нониус и механизм зажима корпуса. На ОДГ-30 имелся еще и червячный механизм наклона, ОДГ-60 наклонялась вручную.
Первую модернизацию головки прошли в конце 60-х годов. В начале семидесятых годов стало ясно, что головки типа ОДГ уже не удовлетворяют современным требованиям по точности, а ее увеличение требует существенной доработки оптической схемы и выноса осветителя из корпуса головок - нагрев корпуса от лампы при длительных измерениях не позволял создавать системы с точностью выше 10-15 секунд, а переход на погрешности меньше 10 секунд требовал еще и двухстороннего снятия отсчета, для снижения влияния эксцентриситета лимба. Тем не менее, к концу 1978 г. общая концепция и конструкция головки прорисовалась - кубический корпус из чугуна с двумя установочными плоскостями позволявшими устанавливать головку в вертикальном или горизонтальном положении шпинделя, унифицированный шпиндельный узел с дисковым электромагнитным тормозом, оптическая отсчетная система с одно- или двухсторонним снятием отсчета по лимбу и оптическим компенсатором для точного отсчета, вынесенный осветитель с галогенной лампой. Унификация основных узлов позволила значительно сократить затраты на освоение и серийное производство головок, а в условия серийного производства позволяла изготавливать относительно небольшую номенклатуру взаимозаменяемых деталей определяющих точностные параметры - шпиндель, лимб, и фактически вести селективную сборку - все детали изготавливались по требованиям для ОДГЭ-5, а затем проводился отбор - то, что не проходило по требованиям для ОДГЭ-5, шло на ОДГЭ-20, а из собранных ОДГЭ-5 отбирались головки с погрешностью менее 2″ - которые и маркировались как ОДГЭ-2. Именно поэтому иногда головки ОДГЭ-20 имели погрешность менее 10″, хотя и имели лишь одну ветвь для снятия отсчета по лимбу, а головки ОДГЭ-5 имели погрешность менее 3″ (иногда 2,3 - 2,5 секунды). Даже сейчас, когда объем выпуска головок значительно снизился, а головка ОДГЭ-2 фактически снята с производства, иногда головки типа ОДГЭ-5 «попадаются» с погрешностью 1,8-1,9 секунды. Рассказывая об истории производства головок, нельзя не вспомнить о таком изделии, как ОДГ-А. Мало кто знает, что в середине 80-х годов по заказу Министерства автомобильной промышленности СССР в интересах «АвтоВАЗа» разрабатывалась система автоматизированного контроля коленчатых и распределительных валов автомобильных двигателей. Объемы производства росли и, видимо, того оборудования, что поставили в свое время итальянцы, уже не хватало. Тогда перед ЦКБ «Точприбор» - основным разработчиком измерительной техники для ПО «НПЗ», была поставлена задача создания измерительной системы с цифровым отсчетом по трем координатам - одной угловой и двум линейным [7].
Справедливости ради надо сказать, что продольная координата фактически не являлась измерительной, т.к. была предназначена для перемещения поперечного длинномера вдоль оси контролируемого вала и не имела отсчетных устройств, только шаговый привод для автоматизированного перемещения в заданную позицию с точностью 0,05 мм, по поперечной оси длинномер перемещался с помощью весьма оригинального механизма - он имел противовес и автоматизированный механизм отвода с транспортное положение. Точность измерения была около 0,005мкм, не бог весть какое достижение, тем более что и диапазон был всего 50 мм. А вот угловая координата? Система имела шаговый привод угла поворота, управление велось от отдельного блока, была заложена возможность непрерывного сканирования в заданной плоскости и выборочного сканирования на отдельных углах. Управление велось от электронного блока с возможностью подключения к ПК по последовательному порту RS232. К идее модернизации выпускаемых ОДГЭ, в первую очередь ОДГЭ-5, на АО «Швабе - Оборона и Защита» подступались не один раз. Как только уровень доступной электроники позволил создать компактную надежную углоизмерительную отсчетную систему с дискретностью 1-0,5″ было принято решение о разработке оптической делительной головки с цифровым отсчетом.
Созданию такой головки, как и цифрового квадранта КО-10, предшествовало создание датчиков угловых перемещений ДУП. ОКР «ДУП» проводился самостоятельно ЦКБ «Точприбор» в середине 2000-х годов и предусматривал создание серии из четырех унифицированных датчиков с погрешностью измерения 10, 5, 2 и 1″. Предусматривалось создание двух типоразмеров датчиков с разным диаметром корпуса. В 2013г. было дано начало проекту ОДГ-Ц. Реализацию проекта взяло на себя ОАО «Швабе - Приборы». По проекту в начале 2015г. заказчику - АО «Швабе - Оборона и Защита» - будет передана конструкторская документация на головку, обеспечивающую погрешность измерения не более 5″ с дискретностью не более 1″. Головка будет обеспечивать возможность её установки в двух положениях - с вертикальной и горизонтальной осью шпинделя, автоматизированный поворот на заданный угол, управление будет осуществляться, как и принято у современных измерительных систем, от компьютера, через порт USB.
Дальнейшее развитие делительных головок будет зависеть от успеха ОДГ-Ц. Концептуально, дальнейшее развитие головок представляется как создание более высокоточной головки с погрешностью до 2″ и создание на их базе сканирующих углоизмерительных систем. Предполагается, что на базе ОДГ-Ц будет создан малогабаритный поворотный стол с погрешностью 10-20″ для комплектования микроскопа ИМЦЛ-АС и его дальнейших модификаций. Подробнее об ИМЦЛ-АС уже рассказывалось авторами в [4, 6, 9, 10].
Наверное, нет более старого прибора в истории углоизмерительных приборов, чем квадрант [3], - ну, разве что, уровень. Даже теодолит был создан значительно позже. Но не будем углубляться в историю. Оптические квадранты выпускаются в России примерно с послевоенных годов. Первоначально их производство было развернуто на киевском заводе «Арсенал», сейчас уже сложно сказать, по каким причинам их производство в 70-х годах было передано в Новосибирск, но с 70-х годов и по настоящее время АО «Швабе - Оборона и Защита» выпускало три модели квадрантов - КО-60, КО-60М, КО-10. Выпускало, потому что с этого года к ним добавилась новая модель - КО-10Ц, но о ней чуть позже. Собственно, моделей не три, а две. КО-60 и КО-60М это два идентичных изделия с погрешностью 60″ и диапазоном измерения ±120º от горизонтального положения ампулы уровня, отличаются они лишь наличием у КО-60М магнитного основания, обеспечивающего его установку и фиксацию на проверяемых объектах из ферромагнитных материалов. КО-10 это значительно более сложный прибор, диапазон измерения 360º, погрешность измерения не более 10″. В 2011г. было принято решение о запуске проекта «КЭ-10», в 2012г. была разработана конструкторская документация на изделие. В конструкции был использован технический задел, созданный ОАО «Швабе - Приборы» при реализации проекта ДУП, а также ряд наработок по созданию прецизионных опор качения, конструкция которых была отработана на других приборах.
В 2013г. были изготовлены первые три опытных образца. Не все шло гладко - растровый лимб относительно большого диаметра потребовал привлечь к его изготовлению ряд институтов СО РАН, пришлось кардинально обновить технологию изготовления круговых шкал на самом АО «Швабе - Оборона и Защита», в процессе сборки опытных пришлось переделывать электрическую схему и ряд электронных блоков, а также программное обеспечение [8]. В январе 2014г. первые два образца прошли испытания, а затем, в июле 2014г., успешно прошли испытания для целей утверждения типа средства измерений. КО-10Ц был внесен в государственный реестр СИ. С 2015г. КО-10Ц постепенно вытеснит из производственной программы старый КО-10. Думается, что этому прибору уготована долгая жизнь на рынке, как и его предшественнику.
Дальнейшим развитием квадрантов, по логике, должна стать замена КО-60. Технически тут проблем нет, погрешность больше, можно сделать полнокруговой квадрант с диапазоном 360º, но вот здесь кроется серьезная проблема для конструкторов - КО-60 и КО-60М предназначены для работы при минусовых температурах, к сожалению, электронные блоки КО-10Ц не работают при температуре, ниже плюс 5ºС, точнее, работают, но прибор теряет погрешность.
За все время производства в Новосибирске выпускались автоколлиматоры трех поколений - первое поколение выпускалось до середины 70-х годов, второе поколение - до середины 80-х годов, третье поколение выпускается с 80-х годов и по настоящее время. В настоящее время все автоколлиматоры разделены на две группы - автоколлиматоры и автоколлимационные трубки. До середины 80-х годов автоколлимационные трубки как самостоятельные изделия не выпускались, а входили в состав оптической скамьи ОСК в качестве комплектующего изделия. Отличие автоколлимационных трубок от автоколлиматоров состоит в отсутствии в их конструкции линзового компенсатора для точного отсчета, поэтому и цена деления, и, как следствие, погрешность измерения составляет не более 15″ и ограничена фокусным расстоянием объектива прибора. Первое поколение новосибирских автоколлиматоров состояло из двух моделей с ценой деления 1,0, 0,5 и 0,25″, приборы имели мощное основание, конструкция обеспечивала возможность извлечения трубки из основания и автономного использования, при наличии источника питания для осветителя. В начале 70-х годов была проведена модернизация приборов, и на рынок были выведены две модели АК-0,5У и АК-0,25У. Приборы имели меньшие массо-габаритные характеристики, магнитное основание, более удобный механизм угловых перемещений, имели наклонную ось окуляра, улучшившую эргономику, сохранили точностные параметры и имели новый дизайн. Блок питания автоколлиматора вынесли в отдельный корпус, что уменьшило влияние его нагрева на точность измерения. Надо сказать, что у второго поколения был и один недостаток, на который не обратили внимание при его проектировании - у приборов отсутствовала возможность извлечения трубки прибора из его автономного использования, это очень часто необходимо при проведении сложных измерений расположения отверстий или использования автоколлиматоров в составе сложных измерительных систем. Именно это и определило относительно недолгую производственную жизнь второго поколения автоколлиматоров. Уже в восьмидесятых годах на рынок вышло третье поколение автоколлиматоров. В него вошли - АКУ-1, АКУ-0,5, АКУ-0,2. Приборы имели цену деления 1, 0,5, 0,2″ соответственно. На старшей модели - АКУ-0,2 цена деления была уменьшена до 0,2″, правда погрешность измерения осталась на том же уровне, что и у АК-0,25У - 1,5″. Отдельного упоминания заслуживает АКУ-1. В конце 70-х годов с производства сняли автоколлиматор МГА, представлявший малогабаритную автоколлимационную трубку с возможностью автономного использования и имевшую цену деления 20″. На тот момент казалось, что данная трубка больше не нужна - действительно были более точные автоколлиматоры, спрос на эту трубку практически сошел на нет. Но в начале 80-х образовалась незаполненная ниша в автоколлиматорах, те, кому нужна была точность выше 10″, а вот диапазон измерений АК-0,5У их не устраивал. Кроме того, необходимо было обеспечить возможность двухкоординатных угловых измерений. Все это и стало причиной появления АКУ-1, малогабаритного автоколлиматора с унифицированным двухкоординатным автоколлимационным окуляром, возможностью автономного использования, оригинальной подставкой. В АКУ-0,5 и АКУ-0,2 были использованы унифицированные двухкоординатные окуляры, трубки были сделаны съемными для обеспечения возможности автономного использования. Так же в гамму вошли две «автоколлимационные трубки» АКТ-60 и АКТ-15. Системы обеспечивают двухкоординатные угловые измерения, построены на унифицированных автоколлимационных окулярах без линзовых компенсаторов.
Рассказывая о новосибирских автоколлиматорах [1] нельзя не упомянуть о такой уникальной разработке, как АФ-1Ц, это был первый в СССР автоколлиматор с цифровым отсчетом. Причем не единичный образец, а выпускавшийся малой серией. До 1991г. было выпущено около 50 автоколлиматоров. К сожалению, эти приборы отличались крайне невысокой надежностью, обусловленной конструкцией прибора - в качестве приемника использовался четырехсегментный фотоприемник, в измерение углов проводилось за счет смещения двухкоординатного линзового компенсатора, смещение которого проводилось с помощью шаговых двигателей. Надо отметить, что именно появление АК-Ц стало катализатором работ по созданию цифрового автоколлиматора АО «Швабе - Оборона и Защита». Справедливости ради, следует сказать, что работы по созданию цифрового автоколлиматора были включены в план развития гражданской продукции еще в 2008г., но работы велись не шатко не валко. В 2014г. завершена разработка конструкторской документации и начато изготовление опытных образцов. Планируется, что новый автоколлиматор АФ-0,05Ц будет поставлен на серийное производство в 2016г. Эта модель станет старшей моделью в серии из трех моделей, система будет базироваться на хорошо отработанном основании от автоколлиматоров АКУ. Конструкция базируется на фотоприемной матрице и осветителе с видимым рабочим диапазоном. Поскольку прибор цифровой, его управление полностью ведется с компьютера, подключаемого по шине USB, в состав программного обеспечения включено решение типовых углоизмерительных задач.
Дальнейшим развитием автоколлиматоров станет их интеграция с дальномерной системой для обеспечения автоматизированного решения таких задач, как контроль прямолинейности и плоскостности с расчетом величин отклонения в линейной мере [11, 12, 13, 15]. В целях увеличения дальности измерения возможно внедрение лазерных источников с длиной волны 1,54 мкм, т.к. считается, что данная длина волны более безопасна для органов зрения человека, а это важно для автоколлиматоров, работающих в непрерывном режиме в непосредственной близости от людей.
Рецензенты:
Айрапетян В.С., д.т.н., доцент, профессор, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет геосистем и технологий», г. Новосибирск;
Воронин М.Я., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет геосистем и технологий», г. Новосибирск.