Прецизионная точность.

[prostak-1982.livejournal.com]

Когда учился в техникуме, а потом в институте, то на лекциях по точности, допускам, посадкам и взаимозаменяемости нам давали приблизительно следующую корреляцию: Для изготовления детали по 10 квалитету необходимо использовать станки и инструменты с 7-8 квалитетами, для деталей по 6 квалитету, инструменты должны быть 3-4 квалитетов и т. д.
Сейчас много пишут о успехах сверхвысокоточных приборов в измерении гравитационных волн, туннельном микроскопировании, других областях сверхвысокоточных измерений.
Ясно, что микросхему можно изготовить в вакуумной камере методом напыления. Но в таких приборах есть не только микросхемы, но есть и "физические" детали, на которые установлены эти самые микросхемы, микродвигатели и т. д. Например в статье уважаемого Лозги о проекте LISA описываются золотые кубики, изготовленные с высочайшей степенью точности. В туннельных микроскопах используется игла, с острием измеряемым нанометрами.

Вот и возникает вопрос: Каким образом изготавливаются такие уникальные детали? Каким образом они поверяются? Как проверяется та же плоскостность таких деталей?

Я задавал этот вопрос на другом форуме, там мне скинули ряд книг, но эти книги больше касались работы точных, но все-таки обычных разметчиков, инструментальщиков.

Comments

[agalakhov.livejournal.com]

Много методов. В первую очередь - хитрое проектирование установки, не требующее высокой точности большинства деталей. Например, я реально добивался параллельности двух зеркал с точностью в единицы нанометров в домашних условиях, закрепив их просто на кусках оргстекла с просверленными обычной бытовой дрелью отверстиями. Секрет простой: механизм в виде рычага с огромным плечом и регулировочный винт на конце. В моем случае просто маленькое зеркальце в середине большой бляхи с тремя подпружиненными винтами по краям. Параллельность определял по интерференции лазера.

Другая часто применяемая идея - контролируемая деформация. Винтом можно регулировать не только расстояние между деталями, но и поставить винт поперек паза в одной и той же детали и тем самым ее слегка деформировать. Делая деталь неравномерной толщины, можно получить эффект как от рычага: большая деформация в одном месте приводит к маленькой в другом.

Практическая конструкция туннельного микроскопа (доступна для повторения в условиях гаражной мастерской!) такая. Берется массивное алюминиевое основание (где-нибудь 200x200x30, лучше толще), кладется на всякие подушки для защиты от вибраций. В центре основания ставится держатель образца, по бокам две лунки для шариков. На эти шарики кладется вилка, шарики образуют ось вращения. Третья точка опоры вилки - микрометрический винт, в принципе просто М6x0.5 годится. Привод винта маленьким шаговым двигателем, а конец тоже опирается на шарик. На вилке, почти на ее оси вращения крепится пьезоэлемент с иголкой. Получается соотношение плеч рычага 1:100 или даже 1:1000, и обычный винт двигает эту иголку чуть ли не с атомной точностью. Сама игла делается так: кислота натягивается на рамку как мыльный пузырь, и этот пузырь прокалывается проволочкой. Проволочка травится, получается очень хорошее острие.

Другие методы: фотоспособ. Рисуем чертеж, можно от руки, фотографируем, уменьшаем, фотографируем, уменьшаем. По итогам получаем маску для химического травления.

Как поверять: по оптической интерференции, дифракции, под электронным микроскопом, по автоионной микроскопии. Автоионная - самое простое: на маленький образец подают высокое напряжение и нагревают его, отчего его поверхность начинает слегка испаряться. Испарения попадают на экран, образуя увеличенное изображение.

Представление о приемах работы вообще дают книги Д.Стронга (1948 год) "Практика современной физической лаборатории", "Техника физического эксперимента". Там описаны способы изготовления подобных прецизионных вещей ВРУЧНУЮ, без каких-либо сложных приспособлений. (За это я эти книжки и люблю: рецепт изготовления прецизионных деталей каменным топором).

[wormball.livejournal.com]

> Например, я реально добивался параллельности двух зеркал с точностью в единицы нанометров в домашних условиях
> Практическая конструкция туннельного микроскопа

Класс! А статьи есть?

[agalakhov.livejournal.com]

Есть не мои. По туннельным микроскопам гуглятся на английском по запросам "DIY STM", "Home built STM". Например вот:
http://dberard.com/home-built-stm/

А я вот такие штуки делал:
http://laserforum.ru/index.php?topic=228.msg1516#msg1516

Для всего этого никакие суперточности не нужны, делаются на недорогих токарных и фрезерных станках для моделистов (которые весят 10 кг и у которых о квалитете говорить смешно). Хотя после некоторой тренировки посадки ограничиваются уже точностью моего микрометра, а не станка. Основной материал - алюминий, лучше 7075, некритичные детали из оргстекла, критичные стальные. Весь секрет именно в том, как сделать конструкцию самовыравнивающейся, самонастраивающейся. На станке одна из хитростей: детали, которые должны быть одинаковыми, делать за одно закрепление из одной и той же заготовки, потом резать. Еще хороший прием - разрезать пополам и перевернуть, тогда все перекосы компенсируются.

[guga50.livejournal.com]

харэ! не пали контору!!! ))) пусть сами догоняют...

[agalakhov.livejournal.com]

ХА :) От "увидеть" до "сделать" тут как до Китая раком :)

[prostak-1982.livejournal.com]

Спасибо. Буду искать.

[agalakhov.livejournal.com]

"Техника физического эксперимента" в интернете есть в djvu, легко гуглится.
"Практику..." я не находил целиком, есть только отрывочные сканы. Сама книга у меня есть бумажная, но со сканированием проблемы (формат крупноват для сканера A4 и очень ветхая). Если придумаю как, отсканирую. Фотографировать пробовал, надо распрямлять страницы как-то, тоже боюсь. В любом случае книги по содержанию очень похожи и на 80% просто совпадают.

[prostak-1982.livejournal.com]

Кстати, вот сейчас подумалось.
Есть же такая старая шутка с червячной передаче, которая приводит в движение другую червячную передачу и так их около десятка. А последний отрезок вала вделан в цементный блок.
Сейчас подумалось, что микропривод можно по такому принципу собирать.

[agalakhov.livejournal.com]

В принципе да, но такие вещи люфтят. Поэтому обычно микроприводы делают на рычагах, а не на винтах. Хороший прием - делать рычаги без осей с металлом на изгиб, тогда о люфтах речи нет. Изгиб металла почти идеально линеен и дает просто маленький поправочный член в уравнение. В оптике довольно часто подвижный держатель зеркала сделан из цельного куска металла, который почти разрезан на две половины. Маленький остаток с краю играет роль одновременно оси вращения и пружины. Или иногда бывает бутерброд из трех алюминиевых пластин, скрепленных с торцов плоскими стальными пружинами на винтах - по сути то же самое, никаких люфтов, все только на изгиб. Если рычаг двигать рычагом и еще рычагом, то 1:1000000 получить никаких проблем нет. И тут уже тепловое расширение влияет больше, чем точности изготовления.

Кстати, само по себе тепловое расширение - прекрасный способ микроперемещений. Гелий-неоновые лазеры так стабилизируют: их просто подогревают, отчего меняется их длина. И на нагреватель заводят обратную связь с фотодиодов, следящих за модовым составом луча. Пьезоэффект и магнитострикция тоже хороши. Обычно все же пьезоэффект: напряжение можно делать очень маленьким и тем самым получать точности вплоть до атомных, упираясь уже в броуновское движение и в тепловые шумы усилителя.