Hur kan den optiska instrumentdatahanteringen förbättras genom teknologiska framsteg inom mätteknik?

Dimensional mätteknik är en grundläggande del av tillverkningstekniken och en vetenskaplig disciplin som utvecklas i framkant av tekniska och vetenskapliga framsteg. Den definieras formellt av International Academy of Production Engineering (CIRP) som: "Dimensional metrology är vetenskapen och tillämpningen av geometriska mätningar" (Leach et al. 2019). Dimensional mätteknik är avgörande för utvecklingen av precisionsmekanik och produktion av både mekaniska och optiska delar (Leach och Smith 2018). Detta område kombinerar viktiga delar av fysik, mekanik och matematik på ett unikt sätt, vilket gör det till en särpräglad disciplin.

De senaste årens datorrevolution har gjort det möjligt att bearbeta och utvärdera data på nya nivåer, vilket har lett till framväxten av nya metoder inom dimensional mätteknik, som automatiserad formmätning, ytmätning och röntgendatortomografi. Dessa teknologiska framsteg gör att dimensionell mätteknik håller sin position som en unik disciplin som förenar fysik, matematik och mekanik på ett sätt som skiljer sig från andra områden.

Mätteknik kan delas upp i teoretiska, praktiska och juridiska aspekter. Mätteori behandlar de grundläggande begreppen och enheterna som gör det möjligt att genomföra mätningar på ett entydigt sätt. Ett viktigt ämnesområde inom mätteori är analysen av fel som uppstår under mätningar och kvantifieringen av dessa fel för att bedöma osäkerheten. Inom detta område ingår också de fysiska och matematiska principerna bakom mätningarna, som interferometri, materialkompression, fyrieranalys av ytopografi och minsta kvadrater-anpassning av en cylinder till en punktmoln.

Metrologi tillämpas brett inom vetenskap, industri och vardagsliv. Därför är det användbart att dela upp metrologin i huvudområden, även om dessa områden överlappar varandra. Precisionmetrologi är en viktig gren som utförs av standardiseringslaboratorier och specialiserade laboratorier vid universitet och företag. Nationella metrologiinstitut (NMI) som NIST i USA, PTB i Tyskland och NPL i Storbritannien arbetar framför allt med att utveckla standarder och fastställa mätmetoder för att uppnå exakta värden på naturkonstanter.

Laboratoriemetrologi innebär forskning och utveckling av mätteknik, medan industriell metrologi fokuserar på produktkontroll och produktionsprocesser. Skillnaden mellan dessa två områden är inte strikt, eftersom samma aspekter eller produkter ofta mäts både i serier och nära produktionsprocesserna i industriell metrologi.

Det är också viktigt att förstå den roll som internationella metrologiorganisationer spelar i att upprätthålla global standardisering och forskning. De flesta industrialiserade länder har ett nationellt metrologiinstitut, och dessa instituts samarbete har gjort det möjligt att genomföra viktiga förändringar i det internationella enhetssystemet, såsom den reviderade definitionen av kilogrammet 2019. Denna samordning genomförs genom organ som Bureau International des Poids et Mésures (BIPM), vilket säkerställer att mätresultat från olika länder är förenliga och tillförlitliga.

För att säkerställa att resultaten är korrekta och jämförbara, spelar ackreditering en viktig roll. Institutioner som är ackrediterade enligt ISO 17025:2017 garanterar kvaliteten på mätresultaten genom att följa internationellt överenskomna metoder och utvärderingar. Ackreditering innebär också att resultaten är spårbara till internationella enheter och kan jämföras över gränserna.

Förutom de tekniska aspekterna av mätning och standarder är det också viktigt att förstå hur denna vetenskapliga och tekniska utveckling påverkar den praktiska användningen av optiska instrument och mätmetoder. Genom att tillämpa dessa avancerade mättekniker och förstå deras inverkan på precision och osäkerhet kan man dramatiskt förbättra datahanteringen och öka tillförlitligheten i optiska instrument och deras mätningar.

Vad är den bästa metoden för kalibrering och användning av mätstandarder inom metrologi?

Rundhetsstandarder, ofta i form av glas-halvsfärer, används för att kalibrera maskiner som mäter rundhet och cylindricitet. Dessa standarder har typiska avvikelser inom området 5 nm till 20 nm, vilket gör dem oerhört precisa. En speciell artefakt, kallad flick-standard, används för att kalibrera förstärkningen av rundhetsmätare. Den består av ett cylinderavsnitt som plattats till, vilket resulterar i en liten fördjupning i mätvärdet. Denna fördjupning används för att justera eller kalibrera mätsystemets precision.

För att mäta ytteknologi på små skalor har många standarder utvecklats för att säkerställa noggrannheten i dessa mätningar, där referensytorna kan vara väldigt små. Enligt ISO 5436-1:2000 och ISO 25178-70:2014 definieras olika metoder för att skapa standarder för ythöjd och fördjupning, som exempelvis steg-höjd och rilldjup. För dessa mätningar är det avgörande att ha en korrekt definition av steg-höjden för att säkerställa att den kan reproduceras konsekvent av både kalibreringslaboratorier och användare.

För att kunna mäta ytteknologi mer exakt finns det även sinusformade standarder som kan användas för att definiera parametrar för ythöjd, såsom Ra och Rz. Sinusformade prov används i detta sammanhang för att säkerställa att mätingredskapens kalibrering är exakt, särskilt när det gäller höjdmätningar. Dessa standarder ger värdefulla referenser för att testa och förbättra ytmätinstrumentens känslighet och noggrannhet.

Ett annat viktigt verktyg är så kallade quasi-random standarder. Dessa används för att ge en övergripande bild av mätningsinstrumentets prestanda genom att skapa profiler som upprepas över en typisk mätlängd, vilket gör det möjligt att få en högre mätreproducerbarhet och minskad osäkerhet. Dessa mönster gör det möjligt att kalibrera mätningssystem för att säkerställa att resultaten är konsekventa oberoende av startpunkten för mätningen. Denna typ av standard är mycket användbar vid avancerad mätteknologi där noggrannheten i mätinstrumentens övergripande funktion är avgörande.

För att definiera steghöjd och rilldjup enligt internationella standarder som ISO 5436-1:2000, används en matematiskt definierad referenslinje för att passa mätresultaten i en minst-kvadrater-sammanhang. Denna linje hjälper till att definiera den exakta höjden på ett steg eller rill, vilket minskar effekterna av instrumentbrus eller geometriska imperfektioner. Det är också viktigt att känna till definitionerna som gäller för andra parametrar som Ra och Rz, eftersom dessa är centrala för att förstå de små variationerna i ytmätningarna och deras påverkan på den totala precisionen av det instrument som används.

Det är också viktigt att inte bara tänka på specifika mätinstrument och deras parametrar, utan att förstå deras inverkan på hela mätprocessen. Mätvärden och deras precision är starkt beroende av rätt kalibrering, vilket innebär att hela systemet – från mätstandarder till mätinstrument – måste anpassas för att uppnå högsta möjliga noggrannhet. Tolkningen av mätdata och val av rätt mätstandarder påverkar i hög grad kvaliteten på de mätresultat som erhålls.

Hur man definierar och mäter planhet: En teknisk översikt

Först har vi planhet relativt till den minst kvadrerade planet. Detta plan definieras på ett sådant sätt att summan av kvadraterna av avvikelserna från referensplanet blir minimal. Matematiskt uttrycks planhetens avvikelse för de transformerade koordinaterna $z'(x, y)$ som:

Här är $\alpha$, $\beta$, och $\gamma$ parametrar som härleds från en matrisekvation där summationer tas över alla n mätpunkter $z(x, y)$. Denna metod beaktar enbart vertikala avvikelser från planet, vilket ofta är tillräckligt om höjdvariationerna $z(x, y)$ är mycket mindre än de horisontella koordinaterna $x$ och $y$. Om man också vill ta hänsyn till normalavståndet till referensplanet, måste beräkningen göras enligt en metod som kallas total minst-kvadrat.

Slutligen finns en representation av planhet där planet är orienterat så att höjderna av de diagonala ändpunkterna är lika. Detta används särskilt för rektangulära ytor och är inte omfattat av ISO-standarder som ISO 12781-1:2011 och ISO 12781-2:2011, men kan vara användbart som grund för att beräkna ett minst-kvadrater- eller minimum-zon-referensplan. Historiskt har det använts inom Union-Jack-metoden, som fortfarande används i viss mjukvara. De tre ovan nämnda representationerna illustreras tydligt i figur 7.26, där varje metod ger en unik beskrivning av ytan.

När det gäller mätning och extraktion av punkter finns det flera strategier. En logisk metod är att använda ett kvadratiskt rutnät, vilket automatiskt erhålls vid interferometriska mätningar med hjälp av en CCD-kamera. Om man använder elektroniska nivåer, räcker det att mäta rakheten längs linjer i två ortogonala riktningar för att definiera planheten. I detta fall måste dock snedvridningen i varje linje justeras så att linjerna har samma höjd där de skär varandra. Om mätlinjerna inte har ett gemensamt referensplan, till exempel när rakhetsmätningar görs utan elektroniska nivåer, måste diagonal mätning läggas till för att undvika att plana ytor förväxlas med sadelplan. Detta kräver att varje linje justeras enligt en minst-kvadrater-lösning.

Trots att vissa av dessa metoder har sina brister, som att de inte alltid tillämpar en minst-kvadrater-beräkning eller har mätpunkter som inte är jämt fördelade över ytan, används de fortfarande i stor utsträckning vid mätning av plana ytor på t.ex. ytor av mätsystem som användes för att verifiera precisionen på ytor som används i industriella tillämpningar.

Det är viktigt att förstå att val av mätmetod inte bara handlar om noggrannhet, utan också om hur bra metoden kan anpassas till den specifika ytan som mäts och hur lätt den kan integreras i den mätutrustning som finns tillgänglig. Den tekniska utmaningen ligger i att hitta en metod som både är kostnadseffektiv och ger tillräcklig noggrannhet för den avsedda tillämpningen.

Hur påverkar mätosäkerhet vid vinkelmäsning för polygoner och maskinens riktighet?

Mätosäkerheter är en oumbärlig del av varje dimensionell mätning, särskilt när det gäller komplexa geometrier som polygoner eller när man mäter förhållanden som rakhet och rundhet. Ett exempel på en sådan mätning är en sexsidig polygon, där vinklarna mellan sidorna måste mätas noggrant. För att korrekt bedöma resultatet av dessa mätningar behöver vi förstå både osäkerheten i vinklarna och de specifika metoder som används för att analysera geometri och profil.

Vid mätning av vinklar i en n-sidig polygon (eller någon annan geometri) kan osäkerheten i vinkelsumman påverkas av flera faktorer, såsom instrumentets upplösning och den metod som används för att beräkna vinklarna. För att minimera fel är det nödvändigt att varje individuell mätning beaktas för att få ett exakt resultat. Om vi till exempel har m vinklar, kan osäkerheten i den totala vinkelsumman uttryckas genom att addera osäkerheterna i varje individuell mätning. Om instrumentet inte är tillräckligt noggrant, eller om det finns en systematisk avvikelse i vinklarna, kommer den totala osäkerheten att öka.

När det gäller rakhet mäts denna egenskap genom att analysera vinklar längs en yta över ett givet avstånd. För att till exempel mäta rakhet över en yta som är 1200 mm lång, använder vi ett elektroniskt nivåinstrument med en pitch på 100 mm. Här är det viktigt att noggrant skissa den uppmätta formen för att kunna visualisera eventuella avvikelser. Genom att rita upp mätvärdena på ett diagram får vi en tydligare bild av profilens avvikelser från en perfekt rak linje.

För att beräkna rakhetsavvikelsen, eller så kallad peak-valley-värde (höjdskillnaden mellan högsta och lägsta punkt), kan vi använda olika referensmetoder. En vanlig metod är att använda en minsta kvadratlinje som referens, men det finns även alternativ som minimum-z-linjer och linjer baserade på start- och slutpunkter. Varje metod ger oss olika resultat beroende på vilken formel eller metodik vi väljer. För att noggrant bestämma osäkerheten i höjden på en punkt med störst avvikelse från en rak linje måste man också ta hänsyn till möjliga systematiska fel i instrumentet, vilket är en viktig aspekt när man arbetar med exakt mätteknik.

För att genomföra en korrekt mätning av rundhet används ibland en standard för kalibrering som kallas en flick-standard. En sådan standard kan exempelvis bestå av en cylinder med en perfekt rund form som används för att kontrollera mätinstrumentets förmåga att noggrant mäta rundhet. Om en cylinder har en diameter på 10 mm och en rundhetsavvikelse på 100 μm, blir det viktigt att förstå de parametrar som används för att beräkna avvikelsen i rundheten, vilket kräver noggrann användning av geometriska formler och noggranna mätprocedurer.

Vid mätning av planhet på en yta av en 300 mm kvadratplatta mäts ytan vid nio olika punkter, och genom att använda elektroniska nivåinstrument får vi information om planhetens avvikelse. Här krävs en djup förståelse för hur olika referensplan och metoder, som minsta kvadratplan eller minimum-z-plan, påverkar de beräknade värdena. Genom att noggrant analysera skillnader mellan dessa referensplan kan vi få en tydlig bild av ytan och bedöma om den ligger inom acceptabla standarder.

När det gäller att arbeta med instrument som nivelleringsapparater, är det också avgörande att förstå hur man kan justera instrumentens nollställning och ta hänsyn till eventuella fel i mätningen. Vanligtvis justeras instrumenten för att kompensera för små vinkelfel som kan uppstå när instrumentet inte är helt horisontellt, vilket kan påverka resultaten. För att noggrant bestämma felaktigheter i mätvärdena används metoder som nivåreversering, där instrumentet mäts i både normalt och omvänt läge för att upptäcka eventuella systematiska fel.

En noggrann förståelse för mätosäkerheter och rätt användning av olika referenssystem är avgörande för att kunna ge pålitliga och exakta resultat vid mätningar av dimensioner, profiler och geometrier. Alla dessa aspekter spelar en central roll i arbetet med precisionsmätning och kvalitetssäkring i industriella tillämpningar. Det handlar inte bara om att använda rätt instrument utan också om att förstå hur dessa instrument fungerar, deras begränsningar och hur mätresultaten kan tolkas korrekt.